航天高电压设备的绝缘防护研究

成钢，王少宁

（兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000）

航天电子设备与普通的地面设备相比较有着特殊的使用环境，因此在许多方面有着特殊的要求。首先面临的是真空和失重的环境，对于暴露在飞行器舱外的电子设备，其环境温度的变化非常剧烈。因此在设计方面应有不同的设计原则。电子设备的绝缘问题在高电压设备中表现更为明显。有些绝缘是在经过几个月不受控的地面大气环境后进入到空间真空环境，在生产和实验过程中，经历焊接时的高低温冲击、安装时的变形、环境实验时的温度循环、力学冲击振动等，甚至暴露在不洁净的空气环境中。这些除电气应力之外的机械应力或化学应力都会导致性能快速恶化并最终形成绝缘的击穿。

1 低气压放电

按照航天电子产品对高低电压的分类，当设备的工作电压大于55 V时就认为属于高压电子设备[1]（也有标准规定为大于250 V的[2]）。该定义和一般工业设备的定义完全不一样，这也是因为航天产品特殊的工作环境决定的。

正常大气压下的气体绝缘和低气压下的气体绝缘性能有着巨大的差别，该差别可以通过巴申定律（Paschen Law）来说明：气体发生放电的初始电压是一个跟气体密度（气压）、极间气隙距离有关的函数。对于所有的气体或气体混合物来说，存在一个电极间的最小电压，当电位高于此最小值时，雪崩放电所需要的初始值可以基于气体或气体混合物的帕邢曲线来确定。如图1所示。在某一特定的气体压强下，存在最小的放电电压。而气压高于或低于该气压时，放电电压逐渐变大，气体的绝缘强度增强。气体压强越大，气体分子密度越大，其中的质点就越容易发生碰撞，因而气体的分子平均自由程就越小。对于同一种气体，其分子的平均自由程与气体的绝对温度成正比，与气体的压力成反比[3]。带电的金属表面电离出的带电粒子在电场的作用下逸出与气体离子发生碰撞，发生雪崩击穿。关于气体的放电机理在许多文章和资料中都有论述，不同的放电形式有不同的放电理论，电场中的气体击穿过程一般可以通过汤逊气体放电理论和流注理论来说明，这里不再叙述。

2 航天高电压电子设备

航天产品的发射过程、使用环境要经历一个从常压到低气压，再到极低气压的过程。对于航天高压电气/电子产品来说，因为航天器的工作环境是变化的，因此在航天器内部或外部不可避免地会出现压力的累积。在任务周期内，航天器内部的气体环境压力通常会高于航天器周围环境压力，这主要由以下几种典型情况导致：生命保障系统的泄漏、材料的出气、产品的换气、产品泄漏以及反应控制装置的工作。当航天器在轨运行时，这些压力差会在一周内稳定下来，之所以会持续如此长的时间是由于物体缓慢出气的原因，热的表面涂覆、实验以及航天器装备都会缓慢出气。在阿波罗空间实验室的热真空实验中，检测到测试对象的压力是舱体内部压力的两倍左右[2]。

图1 巴申曲线图示Fig.1 Graph of Paschen curve

在深空环境下，几乎不会存在带电粒子，带电粒子的平均自由行程也远远超过电极间距。“真空”是非常好的绝缘体。然而在大多数情况下，受到附近材料的出气材料的气化、内部残存空气、航天器的气体泄漏等因素影响，这种高真空是不存在的，这些因素会引起起晕电压沿巴申图中的高真空侧向最小电压点处变化。

因此，为确保足够的安全裕度，高电压系统和组件必须被设计为能够在接近航天器气体环境的条件下工作。

3 设计原则

在元器件选择上要选用满足耐电压等级的元器件，还要了解厂家给出的耐压条件是否符合低气压的环境要求，该问题容易被忽视。

高电压电源处理器需要将高低压的电路部分相互隔开，为了避免两部分的相互干扰，通常可以在两部分电路之间用金属层来进行隔离，所有的地线也需要隔离处理以防止电路中的静电情况发生。

在设计印制板上的印制电路和布局元器件时，尽量减小相邻电路或元器件之间的电压差，留出高电压差电路之间的可靠的电气绝缘间隙。改间隙的具体值可查阅有关的规定。实际上，作为航天电子产品，重量和外形体积都有苛刻的要求，不会有太大的空间尺寸进行元器件的布局。因此，考虑在电装时采取适当的绝缘措施是设计人员在方案阶段必须要进行考虑的。

由于空间环境存在的气体击穿放电问题，因此，对于空间环境的高电压电子产品应首先考虑采用固体绝缘方式。

产品内部空间的空气和内部材料放出的气体需要快速排出，为了尽快排出产品内部的气体分子，必须分析计算产品腔体的排气通道，避免低气压下电晕等放电现象的产生，特别是在真空环境实验时，真空设备快速抽气而电子产品内的气体排出不畅造成的内部低气压现象。经验值要求每1 000 cc的容积开大于2 cm2的出气孔[4]。这是航天电子产品的特殊使用环境所决定的。

在金属体的边缘尽可能多使用低出气率硅橡胶类绝缘物质，需要包覆的部位采用收缩性的材料以减少空腔的存在。

4 防护技术

从在低真空（气压）下的气体放电的机理分析，可以针对性的采取措施进行预防和改进。提高气体击穿电压不外乎两种途径：一方面是改善电场分布，使之尽量均匀；另一方面是利用其他的方法来削弱气体中的电离过程。

均匀电场和稍不均匀电场间隙的平均击穿场强，比极不均匀电场间隙的要高得多。稍不均匀的电场中，电场分布越均匀，平均击穿场强也越高。因此，可以改进电极形状、增大电极曲率半径，以改善电场分布，提高间隙的击穿电压，同时，电极表面尽量避免毛刺、棱角等以消除电场局部增强的现象[3]。实际上，调整电场，降低局部过高的场强，不只对于气体间隙，而且对于其他各种绝缘结构也是提高其介电强度的有效措施。

削弱气体的电离过程最有效的方法是用高介电强度的材料代替空气。从机理上消除气体电离的条件。

1）改变焊点形状，改善电场分布。IPC-A-610E等标准中，对印制板上的高压焊点和导线焊接时的焊点的形状给出了具体的要求[9]。要确保没有尖锐边缘或尖锐点进入焊点的圆弧段：球形焊点呈完整的圆形，轮廓连续而光滑；无可见的尖锐边缘、焊料凸点、锡尖、夹杂物（外来物）或导线股线；绝缘间隙尽可能接近焊点但不妨碍形成所要求的焊料球；接线柱的所有边缘完全被连续平滑的焊料层覆盖，形成焊料球；绝缘间隙（C）尽可能小，使绝缘皮接近焊点但不防碍形成所要求的焊料球。如图2所示。

图2 高压焊点要求Fig.2 Demonstration solder of high voltage

2）避免污染。污染是绝缘体表面绝缘强度降低的主要因素。汗渍、油污、灰尘的存在，会加剧表面爬电现象产生，降低绝缘物质介电强度。被污染的电极的击穿电压比单纯材料或合金材料电极的击穿电压要低，根据污染程度的不同，击穿电压可能会相差一个数量级[2]。在空间环境下，带电放射性粒子、紫外辐射和污染颗粒会造成另一种污染，都会影响气体的起晕电压和击穿电压。电装后保证电路板以及元器件、焊点的洁净度，可以明显提高绝缘强度，降低击穿现象的发生。

3）增加绝缘防护措施。绝大多数空间飞行器硬件设备的印制板组装件，不管其电压高低，都需要一定程度的绝缘。而对于高压电路，印制板至少需要3层低粘稠度绝缘材料的敷形涂覆，既可以采用浸渍的方式也可以采用喷涂的方式。并且要保证3遍涂覆完成后不能存在未涂覆区，涂覆完成后需要进行绝缘测。同时，在进行敷形涂覆前，所有的单板、导体、线缆和电气元件都必须按照相关规范进行清洁处理。

另一种防护方式就是灌封。灌封防护技术由于有良好的绝缘、防震和隔离作用，可以将外界因素的不良影响降到最低，因而在高压大功率元器件、组件的防护中起着重要的作用。目前国内外常用的灌封方法主要有以下3种[5]：第一种，气体密封方案，局部充气实现密封；第二种，油浸密封方案，局部灌油实密封；第三种，固体密封方案，使用环氧树脂、有机硅凝胶或有机硅橡胶对所需密封的元器件、电路进行灌封。由于空间失重的因素影响，气体密封和固体灌封是目前常选的两种绝缘措施。

由于真空环境的气体泄露，对于长寿命的电子设备，为了避免形成低气压条件，当电路工作电压的峰值超过1 000 V，工作压力在3.33×104 N/m2（250 torr）到0.133 N/m2（1×10-3torr）范围时，需要对元器件和电路采用固体灌封[2]。高压电路的灌封须保证所有电气元件、线缆、印制板及地平面之间充满匀质的固体绝缘，在不损失灌封电气绝缘完整性的情况下应减小灌封体积。当必须大体积灌封时，灌封必须长而窄，这样会减小内部出现大机械应力的概率，而过大的机械应力会导致元件间出现裂缝。固体灌封必须确保内部没有空腔才能保障绝缘的有效，靠近地平面的位置、高压元件和高压电路附近尤其要注意不能存在空腔。可采用真空浸渍、离心机加速等方法确保内部不会出现空腔。灌封材料必须和所有其他材料粘合紧密。图3和图4分别是EASA某航天器产品的局部灌封图片[7]。

图3 国外某用灌封后的集成变压器、整流和滤波器件模块Fig.3 The integrating transformer，rectifier and filter module after encapsulated

图4 “Optimum”型高压电源结构图Fig.4 The configuration of Optimum high voltage power supply

实验证明，除环氧材料外，硅橡胶材料（双组份或单组份）均能适用于航天电子设备的灌封[8]。在某空间使用的高压电子产品中使用单组份RTV进行局部灌封，通过对胶液中的气泡进行控制，产品已通过了真空环境下的电性能实验。

5 结论

航天器用高电压电子产品受空间使用环境的限制，在绝缘设计和绝缘防护方面必须充分考虑到低气压时的空气绝缘强度急剧下降问题，在设计上采取较大的间隙设计，减小电场强度分布，合理的排气通道。同时在绝缘防护工艺上采取绝缘涂覆或者灌封（或局部灌封）工艺，将气体绝缘转换为固体绝缘，可以有效提高产品的绝缘能力。

通过实验验证，该防护措施非常有效，保证了产品在真空环境下可靠工作。

[1] National Aeronautics and Space Administration，NASAHDBK-4006.Low earth orbit spacecraft charging design handbook[S].2007.

[2] Marshall Space Flight Center，MFSC-STD-531.High voltage design criteria[S].1978.

[3] 严璋，朱德恒.高电压绝缘技术[M].3版.北京：中国电力出版社.

[4] NASA Lewis Research Center，PD-ED-1202.High voltage power supply design and manufacturing practices[S].1994.

[5] 白颖.某机载雷达发射机的高压绝缘设计[J].火控雷达技术，2003（4）：64-66.BAI-Ying.High-Voltage isolation design for an airborne radar transmitt[J].Fire Control Radar Technology，2003（4）：64-66.

[6] 佟文清，谢政.雷达发射机高压绝缘灌注工艺技术[J].电子机械工程，2009，25（1）：56-57.TONG Wen-qing，XIE Zheng.HV insulated embedding technology for airborne radar transmitter[J].Electro-Mechanical Engineering，2009，25（1）：56-57.

[7] Boss M，Herty F，Rogalla K，et al.Generic High Voltage Power Module for Electrical Propulsion[C]//the 29th International Electric Propulsion Conference，Princeton University，2005.

[8] 贾永平，秦根源.继电器灌封用胶的选择[J].航天制造技术，2002（5）：41-42.JIA Yong-ping，QIN Gen-yuan.The selection of glue for relay sealing[J].Aerospace Manufacturing Technology，2002（5）：41-42.

[9] Association Connecting Electronics Industries，IPC-A-610D.Acceptability of electronic assemblies[S].2004.