電介質(zhì)的擊穿

第三章介電強度試驗電子材料測量技術(shù)本節(jié)課內(nèi)容工頻電壓下的介電強度試驗直流電壓下的介電強度試驗試驗設(shè)備與裝置工頻高電壓的測量直流高電壓試驗裝置直流高電壓的測量一、試驗設(shè)備與裝置試驗設(shè)備與裝置：高壓試驗變壓器、調(diào)壓器以及控制線路和保護裝置。（1）高壓試驗變壓器：要求：具有足夠的額定電壓和容量，且輸出電壓的波形沒有畸變。

A.變壓器的容量指變壓器在額定電壓電流的情況下的視在功率。

（視在功率：交流電路中，電壓和電流的乘積，或者說有功功率和無功功率的矢量和，單位為V?A或KV?A。)絕緣材料擊穿試驗通常選取容量為10kV?A的變壓器。對與大電容試樣的耐壓試驗，采用超低頻正弦電壓，可以大大降低變壓器的容量。（如采用0.1Hz超低頻電壓，變壓器容量可減小到50Hz時的1/500。）

B.變壓器的電壓額定電壓等級是根據(jù)試樣的試驗電壓等級來選定，通常選取50~100kV。采用多臺變壓器串接可獲得更高的試驗電壓。兩臺變壓器串接輸出的視在功率：注意：串接的級數(shù)增加，輸出的電壓增高，但設(shè)備容量的利用率降低。我國目前最高工頻試驗電壓達(dá)2250kV（采用三臺變壓器串接）串接變壓器原理圖設(shè)備容量的利用率：對于電容量較大的試樣，可以通過串聯(lián)諧振回路獲得比試驗變壓器更高的電壓。串聯(lián)諧振回路原理圖

調(diào)節(jié)電抗器的電感L或改變試驗電壓的頻率，達(dá)到諧振：Q為諧振回路的品質(zhì)因素，一般為20~80。

C.電壓的波形波形畸變影響介電強度試驗結(jié)果：工頻電壓的波形：正弦波。波形因素：正弦波電壓的峰值與有效值之比。高次諧波會降低擊穿場強；

擊穿決定于電壓的峰值，而測量的電壓是有效值，若波形畸變，則同一峰值電壓測得的有效值就不同了。通常要求波形因素不超過：波形畸變的原因：變壓器的非線性激磁電流造成的。變壓器的磁化曲線：a)磁通與激磁電流的關(guān)系；b)磁通及激磁電流的波形試驗變壓器的輸入電壓為：k為調(diào)壓器的電壓比；Us為電源電壓；U2為激磁電流流經(jīng)調(diào)壓器產(chǎn)生的電壓降。

調(diào)壓器的漏抗越大，波形畸變越嚴(yán)重。在調(diào)壓器和試驗變壓器之間接入濾波器可改善電壓波形。（2）調(diào)壓器用來調(diào)節(jié)電壓上升的方式和速度，接在試驗變壓器和電源之間。

常用調(diào)壓器：自耦調(diào)壓器和移圈調(diào)壓器。

A.自耦調(diào)壓器

原理：借助于一個滑動觸點沿著繞組移動來改變輸出電壓。自耦調(diào)壓器原理

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、漏抗小、價格便宜。

缺點：輸出電流較大時，觸點在移動過程中因接觸不好會產(chǎn)生火花。

B.移圈調(diào)壓器（容量較大）

原理：靠移動短路線圈改變其他兩個線圈的漏磁通，從而改變在這兩個線圈上的電壓分配來實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓。移圈調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖移圈調(diào)壓器原理圖

優(yōu)點：調(diào)壓過程靠電磁耦合，不會出現(xiàn)火花，容量可做得很大。

缺點：漏抗較大，波形易產(chǎn)生畸變。（3）控制線路只有在試驗人員撤離高壓試驗區(qū)，并關(guān)好安全門之后，才能加上電壓進行試驗。

升壓必須從零開始，以一定方式和速度上升。在試樣發(fā)生擊穿時，能自動切斷電源；在自動控制線路中，能自動是電壓下降到零。滿足要求：了解：非自動和自動調(diào)壓介電強度試驗原理（見P79~80）計算機在介電強度試驗的控制系統(tǒng)中應(yīng)用：采用單片機或微機控制步進電動機帶動調(diào)壓器實現(xiàn)升壓、降壓過程。（4）保護和接地在試驗回路的低壓部分可能出現(xiàn)高電壓的地方接上放電間隙。

在高壓測試回路中應(yīng)接保護電阻。接地點和接地體的連接線應(yīng)采用盡量短的多股線，以減小電阻和電感。高壓試驗區(qū)應(yīng)裝有保護圍欄，并備有接地棒。二、工頻高電壓的測量測量方法：靜電電壓表法、球隙測量法、互感器測量法、分壓器法、測量繞組法。固體電介質(zhì)擊穿的形式：電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。（1）電擊穿：由碰撞游離形成電子崩，當(dāng)電子崩足夠強時，破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?/p>

主要特征：擊穿電壓高、擊穿過程極快、擊穿前發(fā)熱不顯著、擊穿場強與電場均勻程度密切相關(guān)而與周圍環(huán)境溫度無關(guān)。（要求測量誤差不超過3%，測量用儀表一般要求為0.5級）本節(jié)課內(nèi)容概述氣體電介質(zhì)的擊穿液體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿影響介電強度的因素試樣、電極和升壓方式的選擇影響介電強度的因素影響因素：電壓波形及頻率、電壓作用時間、電場的均勻性及電壓的極性、試樣的厚度與不均勻性、環(huán)境條件等。擊穿場強與頻率的關(guān)系（1）電壓波形及頻率直流電壓下的EB高于工頻交流電壓下的EB。（因直流下只有電導(dǎo)損耗）

沖擊電壓下因作用時間短，熱的積累效應(yīng)和局部放電造成的破壞還來不及形成，其EB高于直流和和工頻交流下的EB。電壓頻率越高，介質(zhì)損耗越大，EB越低。工程上絕緣材料的擊穿場強通常是指工頻電壓下的擊穿場強。（2）電壓作用時間

電擊穿的時間很短，可以在10-7~10-9s內(nèi)發(fā)生。熱擊穿因熱的累積需要較長時間，隨著時間增長，EB明顯下降。E∞為加壓時間足夠長擊穿電壓達(dá)到穩(wěn)定時的最小擊穿場強a為常數(shù)，t為加壓時間，Et為加壓時間t時的擊穿場強。聚乙烯的擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系當(dāng)針尖電極為正極性時，擊穿電壓要比針尖電極為負(fù)極性時低。（3）電場的均勻性及電壓的極性

不均勻電場下的擊穿場強低于均勻電場下的本征擊穿場強。在不均勻電場下，直流和沖擊電壓的極性對擊穿電壓有明顯影響。針尖對平板電極系統(tǒng)正極性負(fù)極性（4）試樣的厚度與不均勻性試樣的厚度增加，會增加材料散熱的困難，也會增加電場的不均勻度，試樣內(nèi)部含有缺陷的幾率增大，從而使EB下降。A為常數(shù)，d為試樣厚度，n隨材料性質(zhì)、電壓波形、及厚度范圍在0.3~1.0范圍內(nèi)取值。絕緣紙的EB與厚度的關(guān)系對于薄膜試樣，EB將隨厚度減小而顯著增加。聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的EB與溫度關(guān)系（5）環(huán)境條件A.溫度的影響溫度升高，通常會使EB下降。（尤其在材料的?；瘻囟确秶虬l(fā)生熱擊穿EB下降最明顯。）聚異丁烯的EB與溫度關(guān)系在低溫區(qū)某些材料的EB隨溫度升高而增加，這是溫度對電擊穿電壓的影響。B.濕度的影響變壓器油的擊穿電壓與含有水分的關(guān)系濕度增大，會使擊穿場強下降。（對液體電介質(zhì)尤為明顯，因為水分的電導(dǎo)和介質(zhì)損耗較大，會改變電場分布。）C.氣壓的影響巴申曲線圖巴申定律：（p為氣壓，S為電極間距離）S固定，改變p時：氣壓較低時，氣體密度較小，碰撞幾率減少，則EB隨氣壓降低而提高。氣壓較高時，氣體密度較大，碰撞過程的自由行程短，則EB隨氣壓升高而提高。p固定，改變S時：距離過大，只有提高電壓才能使氣體發(fā)生碰撞游離。距離太小，必須提高電壓增加電子能量，使碰撞游離機會增多。工程上應(yīng)用：空氣斷路器和真空斷路器用此規(guī)律來提高擊穿電壓和減小體積尺寸。NaCl晶體的擊穿場強受輻射的影響（6）其它因素輻射的影響機械應(yīng)力的影響

X射線照射離子型晶體，會使晶格缺陷產(chǎn)生變化，從而使EB發(fā)生變化。機械應(yīng)力增大，擊穿場強降低。雜質(zhì)、缺陷的影響工程上用的絕緣材料中的雜質(zhì)、缺陷會明顯地降低擊穿場強。提高電介質(zhì)擊穿強度的措施A.對液體電介質(zhì)（1）減少雜質(zhì)過濾：將絕緣油在壓力下連續(xù)通過裝有大量事先烘干的過濾紙層的過濾機，將抽中碳粒、纖維等雜質(zhì)濾去，油中部分水分及有機酸也被濾紙所吸收。防潮：油浸式絕緣在浸油前必須烘干，必要時可用真空干燥法去除水分。脫氣：將油加熱、噴成霧狀，且抽真空，除去油中的水分和氣體。（2）采用固體電介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響覆蓋層：在電極表面覆蓋的一層很薄的絕緣材料，如電纜紙、黃蠟布、漆膜等。絕緣層：當(dāng)覆蓋層厚度增大，本身承擔(dān)一定電壓時，稱為絕緣層。屏障：在油間隙中放置的尺寸較大的(與電極形狀相適應(yīng))、厚度在1~3mm的層壓紙板或?qū)訅翰及?。B.對固體電介質(zhì)改進制造工藝：如盡可能地清除固體介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使介質(zhì)盡可能均勻致密。這可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強浸漬(油、膠、漆)等方法來達(dá)到。改進絕緣設(shè)計：采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部分絕緣的耐電強度能與其所承擔(dān)的場強有適當(dāng)?shù)呐浜?。改進電極形狀、使電場盡可能均勻。改善電極與絕緣體的接觸狀態(tài)，以消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差(如采用半導(dǎo)體漆)。改善運行條件：如注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強散熱冷卻(如自然通風(fēng)，強迫通風(fēng)，氫冷、水內(nèi)冷等)。本節(jié)課內(nèi)容概述氣體電介質(zhì)的擊穿液體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿影響介電強度的因素試樣、電極和升壓方式的選擇固體材料的試樣與電極（1）固體材料的試樣

為了能使試樣的擊穿發(fā)生在均勻的電場中，必須把試樣做成各種型材。

試樣要求：電極中央試樣最薄處δ應(yīng)比試樣厚度小5倍以上；球電極半徑r要比δ大20倍。均勻電場下?lián)舸┰囼炗眯筒呐c電極rδ模壓材料或板材各類試樣的尺寸（GB1408-78）試樣的面積要比電極面積大，使之在擊穿前不會發(fā)生閃絡(luò)。為了能暴露材料中存在的弱點，一般選取電極直徑為25mm或50mm。沿試樣表面擊穿當(dāng)試樣厚度較大時（>3mm），如果擊穿電壓超過試驗變壓器的額定電壓，或表面閃絡(luò)難以解決，可將試樣削薄。對于紙或薄膜材料，可將多層試樣疊加在一起進行擊穿試驗。

試樣厚度的測量：對厚度均勻試樣，通過擊穿點的直徑上測三點取平均值；對厚度不均勻試樣，以擊穿點的厚度來計算。（測量誤差不超過1%）

注：試驗標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定至少要測5個試樣，取其算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果。如果其中一個數(shù)值偏離平均值超過15%，則必須另取5個試樣，以10個試樣平均值作為試驗結(jié)果。（2）固體材料的電極要求：電極必須具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。

電極表面要平整光沿并與試樣保持良好接觸。在試驗過程中電極與試樣不會有相互作用。對于平整光滑的板材或薄膜試樣，一般采用圓柱形銅或不銹鋼電極；對于管狀材料或型材試樣，電極要用金屬箔或沉積金屬層。根據(jù)能形成比較均勻的電場，能合理地暴露材料的弱點，以及使用方便、節(jié)約材料等要求。電極的形狀和尺寸選用：如果在空氣中進行擊穿試驗：電極邊緣的電場分布（把空氣和試樣看作雙層介質(zhì)）

1）在交流電場下，電極邊緣空氣中場強Ea與試樣中相鄰點的場強EX之比：

2）在直流電場下：由于εra<εrx，γa<γx，則Ea>EX;而空氣的擊穿場強較低，導(dǎo)致電極邊緣的空氣中先出現(xiàn)局部放電：發(fā)生表面閃絡(luò)；

邊緣電場集中導(dǎo)致試樣擊穿發(fā)生在電極的邊緣。消除措施：將電極邊緣做成圓角；

將試樣和電極浸入相對介電常數(shù)（或電導(dǎo)率）大、擊穿場強較高的液體媒質(zhì)中。常用液體媒質(zhì)有變壓器油，溫度較高時采用硅油。不能選用相對介電常數(shù)或電導(dǎo)率太大的媒質(zhì)，以免造成測量誤差和設(shè)備損壞。如引起媒質(zhì)本身發(fā)熱嚴(yán)重、保護電阻上電壓降增大、以及試驗變壓器過載等問題。（我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)用平板型電極）電極的形式：平板型和球型。電極的尺寸要求：如圖所示注意事項：電極的軸心要對準(zhǔn)并保持水平，電極間隙應(yīng)均勻。

電極容器材料不會與被試液體相互作用，常用電瓷或玻璃制成，電極用銅或不銹鋼制成。取樣時不能讓雜質(zhì)混入，注入液體后靜止片刻，避免電極間留有氣泡。液體材料的試樣與電極液體擊穿試驗用電極介電強度試驗：電壓從零按一定方式和速度上升到規(guī)定的試驗電壓或擊穿電壓。升壓方式：快速升壓、20s逐級升壓、60s逐級升壓、慢速升壓、和極慢速升壓。升壓方式的選擇（1）快速升壓

電壓從零上升到擊穿電壓所經(jīng)歷的時間約為10~20s?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的升壓速度有：100V/s、200V/s、500V/s、1000V/s、2000V/s和5000V/s。（2）20s逐級升壓

施加于試樣的電壓先以快速升壓的速度上升到擊穿電壓的40%，之后按每級升壓值逐級升壓，每級停留20s，直到試樣擊穿為止。（3）60s逐級升壓

與20s逐級升壓方式相似，只是每級停留時間為60s。（4）慢速升壓

從快速升壓的擊穿電壓的40%開始，以較慢的速度升壓，使擊穿過程發(fā)生在120~240s內(nèi)。電壓上