一种微小间隙电弧观测方法及装置
技术领域
本发明属于高压测量领域，更具体地，涉及一种微小间隙电弧观测方法及装置。
背景技术
近年来，金属化薄膜电容器以其优越的性能在新能源汽车、轨道交通、脉冲功率技术及柔性直流输电等领域得到了广泛应用。由于金属化膜电容具有自愈特性，发生局部击穿后绝缘可恢复，可以制作成干式结构，具有能量体积小、重量轻，结构紧凑，可靠性高等特点。金属化膜电容器的介质薄膜中不可避免地存在缺陷或杂质，这些缺陷或杂质被称为“电弱点”。电弱点所在区域的击穿场强低于周围区域，随着电容两端外加电压升高，在介质薄膜的电弱点处会击穿形成放电通道，电荷通过放电通道形成大电流，引起局部温度升高使得击穿点处的薄金属层迅速蒸发并向外扩散，继而电弧熄灭，电容绝缘恢复，这一过程称为“自愈”。
有研究表明，金属化膜的自愈电弧熄灭与电弧等离子体密度相关，因此对金属化膜自愈电弧的观测对研究薄膜击穿机理以及自愈过程电弧发展过程有重要意义。但是由于金属化膜的薄膜厚度在微米级，对金属化膜自愈过程电弧观测属于微小间隙放电现象的观测，通常很难有效的观测到该现象。现有技术中，对金属化膜自愈电弧的研究仅仅是测量自愈电弧的光强作为判断自愈持续时间的依据，或者使用光谱仪对自愈电弧的光谱进行分析，都没有实现对金属化膜自愈电弧的观测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种微小间隙电弧观测方法及装置，能够观测到微米级厚金属化薄膜击穿过程中电弧形貌变化的发展过程，便于研究自愈过程中电弧的发展机理，并可以拓展到其他微米级间隙放电观测领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种微小间隙电弧观测方法，包括步骤：向金属化膜施加压强，排出金属化膜之间的空气；向金属化膜施加击穿电压，金属化膜部分区域重叠，所述重叠部分在电压作用下发生击穿形成击穿区域产生电弧；产生的电弧所发射的光经反射成像，拍摄金属化膜击穿过程中电弧形貌变化的发展过程。
进一步地，还包括步骤：拍摄的同时检测该击穿过程中的电流和电压。
一种微小间隙电弧观测装置，包括：击穿试验平台，用于给金属化膜施加电压并使其击穿产生电弧；测量系统，包括：反射成像机构，用于将产生的电弧所发射的光反射成像；拍摄机构，用于将接收到的反射成像信号拍摄成像；测量机构，用于检测该击穿过程中的电流、电压。
进一步地，所述反射成像机构为平面镜，所述平面镜放置在击穿试验平台的上方；所述拍摄机构为高速相机，所述高速相机拍摄间隔为μs级以下，放置在平面镜前方，与平面镜处于同一水平线上；所述测量机构为示波器。
进一步地，所述击穿试验平台包括电源模块，高低电位产生模块，为金属化膜施加高低电压。
进一步地，所述高低电位产生模块为两块金属电极压块，所述金属电极压块与电源模块相连，用于向金属化膜施加击穿电压；电场施加在金属化膜的介质层上，使其击穿产生电弧。
进一步地，所述两块金属电极压块错位放置，下方放置金属化膜，使其部分区域重叠，所述重叠部分在电压作用下发生击穿形成击穿区域构成电容。
进一步地，所述电压是直流电压、交流电压或交直流复合电压。
进一步地，所述击穿试验平台还包括液压机构，所述液压机构设置在击穿试验平台的上方，通过盖板为金属化膜施加一定压强，排出两层金属化膜之间的空气。
进一步地，所述盖板为透明材料；所述液压机构设置了压力传感器用于测量所施加的压强。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过击穿试验平台使金属化薄膜击穿产生电弧，经反射成像、拍摄可进一步观测到微米级厚金属化薄膜击穿过程中电弧形貌变化的发展过程，结合检测到该过程中的电流、电压，便于研究自愈过程中电弧的发展机理，并可以拓展到其他微米级间隙放电观测领域。
(2)本发明优选反射成像机构为平面镜，拍摄机构为高速相机对金属化薄膜击穿过程中电弧形貌变化进行观测，装置结构简单、可操作性强。
(3)平面镜的使用可以使产生的电弧所发射的光反射成像至水平方向被高速相机拍摄，高速相机仅需要三脚架固定在水平方向即可，避免了高速相机直接在击穿试验平台正上方拍摄所需的吊装固定机构以及因液压机构位置导致拍摄成像不完全的问题，很大程度上简化了实验操作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种微小间隙电弧观测装置的示意图。
图2是本发明实施例观测到的电弧形貌变化过程。
图3是本发明实施例提供的击穿电压电流波形图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：10，11为金属化膜12，13为金属电极压块14-盖板15-有机玻璃18-平面镜19-高速相机20-示波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1，显示了本发明实施例的微小间隙电弧观测装置，包括：击穿试验平台及测量系统；击穿试验平台用于给金属化膜施加电压并使其击穿产生电弧；测量系统用于测量金属化膜被击穿过程中的电压、电流，并拍摄击穿电弧发展过程；所述测量系统包括：反射成像机构、拍摄机构、测量机构。
击穿试验平台包括金属电极压块12和金属电极压块13、液压机构(未显示在图1中、盖板14和电源(未显示在图1中)。
电源与金属化膜的电气连接优选金属压块形式，即金属电极压块12和金属电极压块13分别压在金属化膜10和金属化膜11的金属层上；电源与金属电极压块12和金属电极压块13相连，为金属化膜10和金属化膜11施加击穿电压，所加电压可以是直流电压、交流电压或交直流复合电压。电源的正极连接在金属电极压块13上，击穿时为金属化膜提供高压电位HV，电源的负极连接在金属电极压块12上，击穿时为金属化膜提供低压电位GND；电场施加在金属化膜10的介质层上，使其击穿产生电弧。
金属化膜10平铺在有机玻璃15上，金属化膜10和金属化膜11均为金属层在上侧，部分区域相互重叠，重叠部分会在电压作用下发生击穿形成击穿区域构成电容。
除了金属压块形式，电源与金属化膜的电气连接也可以采用金属夹具、螺栓螺母的形式，这两种方式操作复杂，不适合需要重复更换样品的击穿试验。另外，也可以使用单层金属化膜作为样品进行击穿实验，在金属化膜的下方使用平板电极作为低压电极，上方使用针电极作为高压电极，该方法可以准确确定击穿发生位置，但该击穿过程与实际使用中的击穿不同，因此优选采用双层金属化膜重叠的方式进行击穿试验。
液压机构设置在击穿试验平台的上方，通过盖板14为金属化膜10和金属化膜11施加一定压强，排出两层金属化膜之间的空气，该液压机构还设置了压力传感器用于测量所施加的压强。
盖板14覆盖在金属电极压块13上侧，盖板14为透明材料，且需要满足一定的机械强度，可以承受液压机构提供的压强，本实施例优选盖板14为有机玻璃。
测量系统包括：反射成像机构，用于将产生的电弧所发射的光反射成像，拍摄机构用于将接收到的反射成像信号拍摄成像，可观测到金属化膜击穿过程中电弧形貌变化的发展过程，测量机构用于检测该击穿过程中的电流、电压。
优选地，反射成像机构为平面镜18，平面镜18放置在击穿试验平台的上方，优选与水平方向成45°，用于使电弧所发射的光被反射至水平方向，进而被拍摄机构拍摄。
优选地，拍摄机构为高速相机19，高速相机19拍摄间隔为μs级以下，放置在平面镜18前方，与平面镜18处于同一水平线上，高速相机19与平面镜18之间的距离满足高速相机19的拍摄范围至少覆盖击穿区域。
优选地，测量机构为示波器20，用于测量金属化膜10和金属化膜11被击穿过程中的电压及电流，在金属化膜10和金属化膜11击穿后通过电流触发，高速相机19由示波器20发出的TTL信号触发。
本发明的微小间隙电弧观测方法包括如下步骤：
S1：向金属化膜施加压强，排出金属化膜之间的空气；
S2：向金属化膜施加击穿电压，金属化膜部分区域重叠，所述重叠部分在电压作用下发生击穿形成击穿区域产生电弧；
S3：产生的电弧所发射的光经反射成像，拍摄金属化膜击穿过程中电弧形貌变化的发展过程；拍摄的同时检测该击穿过程中的电流和电压。
具体的，本发明实施例中使用的金属化膜膜厚为6μm，介质材料为双向拉伸聚丙烯薄膜BOPP，电极材料为锌铝，击穿区域为20mm*50mm，盖板14采用有机玻璃，液压机构通过盖板14为金属化膜10和金属化膜11提供的压强为20kPa，高速相机19拍摄间隔为1.66μs。金属化膜10和金属化膜11击穿后观测到的电弧形貌变化过程如图2所示。电压测量采用高压探头直接测量金属电极压块12和金属电极压块13之间的电压；电流测量采用采样电阻的形式，在实验回路中串联一个无感电阻，通过测量电阻上电压反推出电流，示波器20测量得到的击穿电压、电流波形如图3所示，击穿电压为3.78kV，峰值电流为2A，观测到的自愈持续时间为14.3μs。后续可以进一步根据本装置观测到的电弧发展过程研究自愈过程中电弧的发展机理，并可以拓展到其他微米级间隙放电观测领域。
另外，优选反射成像机构为平面镜，拍摄机构为高速相机，测量机构为示波器，装置结构简单、可操作性强，金属化膜自愈电弧发展过程持续时间在微秒至十几微秒级，通过本实施例，观测到的自愈持续时间为14.3μs，即本发明完全满足测试需要。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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