王志浩，周 嶺，馮偉泉,3，劉業(yè)楠，徐焱林，田東波，白 羽,3，丁義剛,3，馬子良

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2.北京空間飛行器總體設計部；3.可靠性與環(huán)境工程技術重點實驗室：北京 100094）

0 引言

現代航天器相當于功能非常復雜的機電設備，絕緣材料與組件構成其電信號傳遞和作用的邊界。絕緣材料在空間環(huán)境下會發(fā)生退化甚至失效，導致嚴重后果。國外研究機構統(tǒng)計了1980—2005年發(fā)生在129個航天器上的156個在軌故障，按類型將其分為電子電路類、機械類、軟件類和不確定4類，其中電子電路類故障占總故障的45%[1]，而電絕緣問題是導致電子電路類故障的主要原因之一。

為了確?？臻g電子產品能夠滿足在軌應用的需要，須合理規(guī)劃電絕緣試驗以驗證其性能是否符合要求。廣義的電絕緣試驗的目標是驗證產品在整個壽命周期內遵從既定電性能指標的能力[2]。然而在產品的整個壽命周期內實施試驗，無論是從成本還是從時間上都是無法接受的，因此工程上一般根據絕緣設計原則和在軌經驗教訓，針對絕緣退化特別是各種類型的放電問題，結合產品特點及環(huán)境因素總結出若干突出的問題環(huán)節(jié)，梳理形成了較為系統(tǒng)的電絕緣試驗項目，供設計和工藝人員選擇和應用。

工程上電絕緣試驗的實施一般要結合已有的絕緣防護措施，驗證其在“危險”環(huán)境下的有效性，所選擇的環(huán)境不是真實的空間環(huán)境，是基于對空間環(huán)境與電子產品相互作用引發(fā)絕緣問題的預判，將主導性的環(huán)境因素辨識和裁剪設計之后進行必要的試驗驗證。目前，空間電絕緣試驗的流程相對明確，重點針對高電壓電子產品和特殊產品，要求其在鑒定驗收階段實施相應試驗工作，以有效檢測殘存的電絕緣風險和問題。然而，產品設計及工藝人員對這些相對專業(yè)的試驗項目往往存在疑惑，包括：

1）辨識電絕緣問題時需要考慮的空間環(huán)境因素。不同的絕緣類型對什么樣的空間環(huán)境因素敏感，如何提取關鍵性環(huán)境因素結合具體試驗方法進行裁剪和設計，是合理實施電絕緣試驗的前提。

2）如何根據實際情況選擇合適的電絕緣試驗項目。目前部件級以上的試驗較關注真空放電試驗和微放電試驗[3-4]。而要不要選擇其他電絕緣試驗以及選擇何種類型的試驗設備，也是實施電絕緣試驗前必須解決的問題。

3）在實施電絕緣試驗時測試的難點和注意事項。電絕緣試驗往往需要根據產品的特點進行規(guī)劃和實施，如何準確地獲取確定放電特性，進行必要的絕緣、對微小放電進行補償，以及如何定位放電，都是電絕緣試驗中需要關注的問題。

本文試圖提供綜合思路及方案，旨在于產品研制早期，針對產品特點及應用環(huán)境分析可能的電絕緣問題，選擇合適的電絕緣試驗項目，科學合理地實施電絕緣試驗。

1 電絕緣試驗設計

1.1 環(huán)境及效應分析

在電絕緣試驗的設計階段，分析產品在軌環(huán)境及相應效應非常重要。應針對產品的絕緣類型，分析其對不同環(huán)境因素的敏感性，如表1所示[5]。

表1 空間電絕緣關聯環(huán)境因素分析Table 1 Analysis of electrical insulation related space environmental factors

空間電子產品大多采用固體絕緣，受空間特殊環(huán)境影響相對不敏感，但對電應力、溫度及受力情況較為敏感，在分析絕緣風險及設計電絕緣試驗時應著重考慮上述3個因素的影響；處于航天器表面或有特殊需求的電子產品可能會選用真空絕緣，雖然不額外占用質量但可靠性較差，與幾乎所有的環(huán)境因素都有較強的關聯性，且放電閾值電壓可能非常低，例如在低氣壓等離子體環(huán)境下可能僅有24 V[6]。

在進行環(huán)境及效應的分析時，尤其是對航天器表面產品，單一環(huán)境因素的靜態(tài)分析往往是不夠的，應考慮動態(tài)多環(huán)境因素作用的情況。以日本先進地球觀測衛(wèi)星（ADEOS-Ⅱ）故障為例說明環(huán)境及效應分析不到位導致的電絕緣失效問題[7]：該衛(wèi)星在運行10個月后供電功率突然從6 kW降低到1 kW，衛(wèi)星隨后失效。事后經排查和復現，確認為一側太陽電池板功率電纜短路所致，是一起典型的電絕緣失效導致的故障。如果靜態(tài)地看待功率電纜的絕緣問題，其外皮的絕緣強度遠大于太陽電池板母線電壓，故障不可能發(fā)生。實際上該事故正是對環(huán)境認識和分析不足所導致：首先是熱分析存在嚴重的缺陷，電纜實際工作溫度超過了其絕緣外皮能夠耐受的溫度，在溫度循環(huán)作用下線纜外皮開裂，固體絕緣退化為真空絕緣；其次是對軌道帶電問題認識不足，這也在一定程度上導致了工藝設計上的疏漏（未接地），熱控多層上發(fā)生了靜電放電，局部產生的等離子體破壞了脆弱的真空絕緣，使電纜短路并最終燒毀，如圖1所示。

圖1 ADEOS-Ⅱ衛(wèi)星故障分析Fig.1 Fault analysis of ADEOS-Ⅱsatellite

1.2 試驗項目選擇

電絕緣試驗種類較多，按照測試對象可分為材料級電絕緣測試和部件級電絕緣試驗，服務于材料選擇，過程評估及驗證，產品鑒定或驗收。由于材料級電絕緣測試較為成熟和規(guī)范，諸如絕緣電阻測試、表面電阻率測試、體電阻率測試、介電損耗因子測試等[8-12]，本部分重點針對部件級電絕緣試驗，按照試驗項目的用途、結合產品的特點給出一般性的選擇原則。雖然不同的研究機構總結的電絕緣試驗項目名稱有所不同，但實際實施的驗證內容相近，表2所列出的電絕緣試驗項目參考國外規(guī)范[5]并結合了國內工程應用內容。

表2 部件級電絕緣試驗項目及用途Table 2 Items and applications of high voltage tests

如表2所示，可將部件級電絕緣試驗按目的分為3類：1）工藝檢查類型試驗。包括局部放電試驗和絕緣耐壓試驗，主要對絕緣防護工藝進行檢查確認。2）環(huán)境敏感性類型試驗。包括三結合處試驗、真空放電試驗、微放電試驗及靜電放電試驗，主要對真空、低氣壓、等離子體等環(huán)境與電子產品相互作用誘發(fā)放電進行模擬和驗證。3）可靠性試驗。主要涉及電應力、溫度、力學等因素，針對固體絕緣的壽命及極端工況進行驗證和評估。

空間電絕緣問題多集中于高電壓部位及航天器表面（采用真空絕緣），其中高電壓電子產品多為真空灌封工藝，可采用局部放電試驗或者絕緣耐壓試驗對工藝質量進行檢驗；目前工程上還應用真空放電試驗驗證電子產品在上升段對低氣壓環(huán)境的敏感性，即便固體絕緣對低氣壓環(huán)境不敏感，但同樣可以通過真空放電試驗檢驗整個電絕緣系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)（下文 3.1節(jié)會專門論述）。真空絕緣類型的電子產品應著重關注環(huán)境因素的影響，采用三結合處試驗（等離子體環(huán)境）、真空放電試驗（低氣壓環(huán)境）、微放電試驗（真空輻射環(huán)境）和靜電放電試驗（等離子體環(huán)境，涉及二次放電問題）分別驗證產品在不同環(huán)境與工況條件下的放電特性。

1.3 參數剪裁

部件產品種類繁多，涉及環(huán)境條件也比較繁雜，無法固化試驗參數，因此在試驗設計時，需要在相關標準的基礎上進行適應性的剪裁設計，參數剪裁工作的重點是環(huán)境參數及電應力參數。

1）環(huán)境參數

環(huán)境參數在剪裁時應遵循“最惡劣”原則，此外還受到試驗能力的限制。“最惡劣”環(huán)境是指產品在該環(huán)境下發(fā)生放電和絕緣退化最為容易，往往等同于放電閾值最低?！白類毫印杯h(huán)境對于某些環(huán)境因素有明確的界定，而另外一些環(huán)境因素則不同，如表3所示。

表3 “最惡劣”環(huán)境因素分析Table 3 Analysis for the worst environment

2）電應力參數

按照加載電壓的大小可將測試等級分為L1和L2級，其中L1級測試用于鑒定產品是否滿足要求，屬于驗收性質；L2級測試則用來確定設計余量。在測試實施時，可在完成L1級測試后繼續(xù)實施L2級測試，可根據實際情況調整具體試驗加載電壓的量值：L1級試驗Utest=Umax；L2級試驗Utest=1.5Umax～2Umax。其中：Utest為試驗加載電壓；Umax為最大工作電壓。

需要說明的是，L2級試驗可能導致絕緣材料損傷，不適合在正式產品上實施。另外加載的電壓可選擇直流也可以選擇交流信號。對于局部放電試驗，一般認為周期性信號更有效[17]，也便于使用電測儀器捕捉放電信號和保護試驗樣品。

2 電絕緣試驗系統(tǒng)

電絕緣試驗系統(tǒng)，是指系統(tǒng)組成相對復雜，能夠實施部件級以上電絕緣試驗的專門試驗系統(tǒng)。根據表2所述將試驗系統(tǒng)對應分為3類，分別為產品可靠性試驗系統(tǒng)、外部電子產品電絕緣試驗系統(tǒng)、內部電子產品電絕緣試驗系統(tǒng)。

產品可靠性試驗系統(tǒng)主要服務于長期運行絕緣系統(tǒng)的可靠性評估，也可用于極端工況下產品絕緣性能測試。這類系統(tǒng)的特點是溫度調節(jié)范圍較寬，可用于特殊部件，例如空間核電源用絕緣系統(tǒng)[18]、深空軌道探測器中無主動熱控防護的電子單機等。

外部電子產品電絕緣試驗系統(tǒng)主要服務于環(huán)境敏感性類型的電絕緣試驗，其特點是需要配置各種源裝置，以模擬空間環(huán)境因素。該類系統(tǒng)可用于衛(wèi)星表面及外圍電子產品（如太陽電池陣、功率電纜、天線和測量探頭等）的電絕緣試驗。

內部電子產品電絕緣試驗系統(tǒng)服務于一般性的電絕緣試驗，可配置壓力調節(jié)裝置，以實施工藝檢查類型的電絕緣試驗項目或真空放電試驗。該類系統(tǒng)可用于衛(wèi)星內部安裝的各型電子單機。

電絕緣試驗系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 電絕緣試驗系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of the electrical insulation test system

3 放電測試技術

電絕緣試驗中涉及多種測試項目，其中成分分析及光譜分析可采用商用儀器設備，本部分重點討論需根據實際情況專門設計的放電測試技術，包括放電回路絕緣、微小放電補償以及放電位置確定問題。

3.1 放電回路絕緣

對放電回路絕緣的需求表現在以下2方面：

1）預設的放電位置在整個放電回路中絕緣強度最低

在實施放電測試時，應確保放電發(fā)生在試驗對象預設的位置處。這就要求在整個放電回路中，其他環(huán)節(jié)的放電閾值高于該位置的。一般情況下，對放電回路進行絕緣處理的重點是真空容器內部，例如裸露的金屬連接點、接插件、線纜接頭以及穿艙法蘭的接線端子（圖3顯示了法蘭接線端子處的放電痕跡，后經涂覆處理解決了這一問題），原則上在放電回路上不允許出現除試驗樣品外的其他裸露金屬體。

圖3 穿艙法蘭接線端子電痕Fig.3 Electric mark on flange terminal

需要指出的時，部分試驗樣品本身已經做了絕緣防護（例如涂覆和灌封），絕緣性已有大幅提高，因此放電回路其他位置處的絕緣性能也要相應加強，以保證在整個放電回路中試驗樣品的預設位置處于整個回路“最薄弱”環(huán)節(jié)。

2）并行連接每個單獨的測試點

放電一旦發(fā)生，導體端子處的電壓會隨之降低，就杜絕了整個回路中其他位置發(fā)生放電的可能。如果試驗中需要考察多個位置處的放電特性，那么將其連接在一起就只能測試最低閾值位置處的放電特性。針對這種情況，需要并行連接每個單獨的測試點并做好彼此之間的絕緣，如圖4所示。

圖4 多個測試點的連接示意Fig.4 Schematic diagram of mutiple test point connections

3.2 微小放電補償

在實施放電測試時，另一項非?，F實的問題就是放電能量微小，導致無法測量。例如，2個小尺寸的金屬電極，其電容為pF量級，，如果需要測試其放電閾值，在不進行補償的情況下是非常困難的：首先，放電電流非常小，電測儀器無法捕捉；其次，放電時間非常短，測量儀器動態(tài)響應不足；最后，放電光強不足，無法觀察、拍攝和定位。

因此可以采用外接電路補償的方式[19]，測試電路如圖5所示。該測試電路通過外接一個補償電容提供額外的放電能量，且可通過選擇電容大小控制放電的峰值及脈寬；通過偏置電源提供電壓，可以選擇偏置電源的接地方式來控制偏壓極性；試驗時通過采集測試電阻上的電壓信號捕捉和辨識放電信號。

圖5 微小放電補償電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of compensation circuit for minor discharging

如果單獨采用一個補償電容無法滿足試驗測試的要求，可采用多個電容、電感以及電阻組成補償電路，以獲取較為理想的動態(tài)響應特性。需要說明的是，采用補償電路的方式雖然解決了微小放電測試的問題，但也會改變試樣除放電閾值之外固有的放電特性。

3.3 放電位置確定

在實施電絕緣試驗時，需要確認放電位置是否發(fā)生在預設的位置處，因此應合理擺放試驗樣品，使放電位置正對觀察窗口。如果放電位置較為固定，可采用肉眼觀察的方式；如果存在多個放電位置，且放電頻次較高、距離較近，在低照度條件下人眼很難觀察和記錄，則需要采用攝錄的方式捕捉放電光線，再通過計算機圖像處理的方式確定放電位置。需要說明的是，攝錄系統(tǒng)圖像采集速度要與放電特性相匹配，確保抓拍和記錄的準確性和有效性。圖6和圖7分別是北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研制的圖像攝錄系統(tǒng)及其拍攝處理得到的太陽電池板放電位置照片。

圖6 自主研制的圖像攝錄系統(tǒng)Fig.6 Self-developed video recording system

圖7 太陽電池板放電位置照片Fig.7 Discharging positions for the solar panel

4 結束語

隨著航天器技術的進步和發(fā)展，越來越多的航天器采用了更高母線電壓的供配電設備，以及模式更加復雜、工作電壓更高的電子產品。以直流高壓變換器、行波管放大器高壓電源、電推進高壓電源、激光雷達、科學探測與試驗高壓儀器等為代表的空間高電壓電子產品，其工作電壓從幾十V到上萬V不等，對航天器的電絕緣設計及驗證提出了更高的要求。電絕緣試驗是檢驗設計與工藝有效性和環(huán)境相容性的關鍵，因此有針對性地選擇電絕緣試驗類型，合理剪裁關鍵性指標，妥善處理試驗測試過程中的相關環(huán)節(jié)，才能科學有序地實施電絕緣試驗工作，為評估和優(yōu)化產品絕緣性能提供依據和支撐，從而最大程度地避免絕緣退化或放電造成的損失，提高空間電子產品的可靠性。

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