儀器抽真空時電氣絕緣性研究
2012-04-29 00:00:00唐玉宏高艷輝張登鳴王會彬趙江波蘭鐵坤
科技資訊 2012年6期
摘要：儀器在抽真空時電氣元器件絕緣性變化很大，以至于此時給儀器供電容易造成短路從而燒壞電氣元器件，所以對儀器抽真空時電氣元器件絕緣性進行研究，了解其原因從而在儀器制造或者調試時采取保護措施，避免燒壞元器件的發生具有非常重要的意義。
關鍵詞：儀器抽真空試驗裝置元器件絕緣性
中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)02(c)-0000-00
儀器在抽真空時電氣元器件絕緣性下降，而在此時給儀器供電容易造成短路燒壞電氣元器件，所以對儀器抽真空時元器件絕緣性進行研究，從而在儀器制造或者調試時采取保護措施，避免燒壞電氣元器件造成巨大損失具有非常重要的指導意義。
在儀器制造過程中，儀器組裝完畢后或者維修保養完成后需要將儀器進行抽真空，然后注入液壓油。而為了將儀器內部空氣充分抽干凈，必須在抽真空的同時給儀器供電開關電磁閥等。
在抽真空之前測量各纜芯的通斷絕緣均正常，但是一旦抽真空給儀器供電出現短路現象導致燒毀電氣元器件，最初以為控制或者測量電路故障導致，經過反復測試發現由于抽真空后電氣絕緣性急劇下降導致，為了查找真正的原因從而采取保護措施，保證生產的順利進行，特對此現象進行研究。
1 儀器內部結構及特點
儀器內部結構（見圖1）主要有油箱外殼、承壓接頭、電機、液壓泵及電磁閥等元器件，為了將儀器液壓系統全部注入液壓油避免空氣對液壓系統造成損壞，所以在儀器新制造完成或者維修保養完畢后必須對儀器內部抽真空并注入液壓油。而電磁閥將液壓缸活塞兩端隔離開，所以抽真空時需要給儀器供電打開電磁閥使其所有液壓腔與油箱連通，便于抽真空時徹底將空氣抽干凈。
圖1 儀器內部結構
2 儀器抽真空過程
抽真空注油的過程（見圖2）是給儀器供電打開所有電磁閥將儀器液壓系統所有腔與油箱連通，使用真空泵將儀器內部空氣抽干凈形成真空，然后利用大氣壓將液壓油從真空注油機里注入儀器，完成抽真空注油的過程。
圖2 儀器抽真空結構示意圖
3 儀器抽真空時的絕緣變化
分別對儀器使用的4個單針密封塞及20芯承壓接頭中的4芯做了抽真空的絕緣性試驗，其試驗結果見表1及表2
表1 單針密封塞絕緣電阻隨真空度變化表
真空度/Pa
1#密封塞
絕緣電阻
2#密封塞
絕緣電阻
3#密封塞
絕緣電阻
4#密封塞
絕緣電阻
104
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
8000
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
6000
〉2400Mohm
〉2400Mohm
〉2400Mohm
〉2500Mohm
5050
〉2300Mohm
〉2300Mohm
〉2300Mohm
〉2400Mohm
5000
4Mohm
4.2Mohm
4.1Mohm
4Mohm
3000
4Mohm
4.2Mohm
4.1Mohm
4Mohm
1000
3Mohm
3.1Mohm
3Mohm
3.2Mohm
800
2Mohm
2.2Mohm
2Mohm
2.1Mohm
600
1.2Mohm
1.3Mohm
1.1Mohm
1.2Mohm
400
0.8Mohm
0.7Mohm
0.6Mohm
0.8Mohm
200
0.8Mohm
0.7Mohm
0.6Mohm
0.8Mohm
50
0.8Mohm
0.7Mohm
0.6Mohm
0.8Mohm
常壓
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
表2 20芯承壓接頭絕緣電阻隨真空度變化表
真空度/Pa
1#芯絕緣電阻
2#芯絕緣電阻
3#芯絕緣電阻
4#芯絕緣電阻
104
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
8000
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
6000
〉2400Mohm
〉2300Mohm
〉2400Mohm
〉2400Mohm
5050
〉2200Mohm
〉2200Mohm
〉2200Mohm
〉2100Mohm
5000
3Mohm
3.2Mohm
3.1Mohm
3Mohm
3000
3Mohm
3.2Mohm
3.1Mohm
3Mohm
1000
2.5Mohm
2.6Mohm
2.4Mohm
2.4Mohm
800
2Mohm
2.2Mohm
2Mohm
2.1Mohm
600
1.2Mohm
1.3Mohm
1.1Mohm
1.2Mohm
400
0.6Mohm
0.7Mohm
0.6Mohm
0.5Mohm
200
0.6Mohm
0.7Mohm
0.6Mohm
0.5Mohm
50
0.6Mohm
0.7Mohm
0.6Mohm
0.5Mohm
常壓
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
〉2500Mohm
從表1及表2的試驗結果可以看出，單針密封塞及20芯承壓接頭的絕緣性變化均有共同的趨勢，即共有如下的4個部分：
a. 真空度在5050Pa以上的絕緣電阻下降緩慢；
b. 真空度在5000Pa時絕緣電阻急劇下降；
c. 真空度在5000Pa之后的絕緣電阻下降緩慢；
d. 真空度恢復常壓后絕緣電阻恢復正常。
4 儀器抽真空時的絕緣性下降原因分析[1]
4.1 儀器絕緣電阻在5050Pa以上隨真空度升高緩慢下降
按照氣體分子運動理論，氣體介質的電導率為：
式中：─電導率，
─載流子的種類
─第種載流子的濃度，
─第種載流子的電荷，
─第種載流子的遷移率，即第種載流子在單位電場強度作用下所獲得的宏觀平均速度，
而載流子的遷移率與平均自由行程（載流子在兩次碰撞間所走過的距離）成正比，即，因此有：
式中─與溫度、氣體介質分子質量有關的系數，
由此可見，當溫度一定、氣體介質一定時，氣體介質的電導率取決于氣體介質中的各種載流子的濃度、載流子的電荷和自由行程。一般將載流子的電荷看作一個電子的電量，那么電導率的增減就完全取決于載流子的濃度與自由行程了，隨著真空度的提高，氣體中載流子和氣體分子的濃度都在逐漸降低，但自由行程卻在增長，當這種增長比載流子的濃度下降更占優勢，即電導率就表現出升高的趨勢，從而測得的絕緣電阻就會下降。但由于氣體中載流子的總數有限，所以電導率增長并不明顯，曲線變化平緩。
由此解釋了單針密封塞及20芯承亞接頭真空度在5050Pa以上的絕緣電阻緩慢下降的原因。
4.2 儀器絕緣電阻在5050Pa時突然下降
隨著真空度的進一步提高，載流子的濃度變得更低了，但自由行程卻在進一步增長。根據：
式中─電場力對載流子所做的功，
─載流子所帶載荷，
─載流子的平均自由行程，
─氣體介質所處電場強度，
當足夠大以至于使大于被載流子碰撞的氣體分子的電離能時，在碰撞的瞬間，氣體分子就會因獲得載流子的能量而電離出電子，亦即通常所說的氣體電離。這種電離使濃度本已降得很低的載流子突然增加，于是電導率激增，電阻率突然下降，以至于無法維持在兆歐數量級。
由此解釋了單針密封塞及20芯承亞接頭真空度在5000Pa時的絕緣電阻突然下降的原因。
4.3 儀器絕緣電阻在5050Pa之后隨真空度下降變化緩慢
在突降點之后，隨著真空度的提高，電阻仍在下降，但已趨平緩。真空度繼續提高，載流子仍在不斷地隨氣體抽出，但電離率仍在上升，這說明持續有更多的分子發生碰撞電離。曲線趨于平緩，說明電離產生載流子的速度與抽出載流子的速度基本平衡。
這就解釋了單針密封塞及20芯承亞接頭真空度在5000Pa時絕緣電阻急劇下降之后緩慢下降的原因。
4.4 真空度恢復常壓后儀器絕緣電阻恢復正常
在突降點上僅僅是發生了“電離”而不是“擊穿”。氣體擊穿理論的立足點是氣體分子發生了電離，即電離必然導致擊穿。在我們的試驗中，由于場強不高，雖然發生了電離，但突降點后仍然可長時間維持低電阻狀態，而不是像真正的擊穿那樣，突然之間兩電極貫通，電流成為無窮大，電阻幾乎為零。所以給儀器抽真空僅僅是浸油和注油過程的預處理階段，在該階段所形成的“氣-固”絕緣結構只是一種“臨時結構”，當恢復常壓后其電氣絕緣性恢復正常。
5 實際應用
經過研究與試驗，對儀器的單針密封塞及20芯承壓接頭的針上套上一層耐油膠套或者高溫熱縮管（如圖3），使其不直接暴露在真空環境中，這樣抽真空時電氣絕緣沒有明顯下降，滿足了在抽真空時給儀器通電的要求，解決了抽真空時通電燒元器件的疑難問題，使生產順利進行。
圖3 單針密封塞抽真空保護措施
6 結語
通過對儀器抽真空時元器件絕緣變化的研究，了解了抽真空元器件絕緣性變化的原因及規律，從而采取相應的保護措施，解決了抽真空時絕緣性明顯下降滿足不了抽真空時通電的要求的問題，為實現每年5千多萬元的儀器生產調試提供技術保障，同時對類似的抽真空作業具有非常重要的指導意義。
參考文獻
[1]（美）席爾斯（Sears，F.W.），（美）沙林格（Salinger，G.L.）著；柳文琦譯.熱力學、分子運動論和統計熱力學，高等教育出版社，1988，07.
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項目來源：中國海洋石油集團公司重大裝備技術研究項目
作者簡介：唐玉宏（1980-），男，彝族，貴州興仁人，工程師，2002年畢業于西南石油大學機械設計制造及自動化專業，主要從事測井儀器研究及產業化工作 。
