工频电压击穿试验机

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p  介电强度概述：

1、定义：绝缘材料或结构，在电场作用下瞬间失去绝缘特性，造成电极  间短路，称为电气击穿。绝缘材料或结构发生击穿时所加的电压称为击穿电压，击穿点的场强称为击穿场强。

式中：EB—击穿场强（MV/mm）;UB—在规定试验条件下，两极间的击穿电压(MV或KV);d—两电极间击穿部位的距离，即试样在击穿部位的厚度（m或mm）

闪络：--指高压电器(如高压绝缘子)在绝缘表面发生的放电现象,称为表面闪络,简称闪络.

绝缘闪络： 绝缘材料在电场作用下，尚未发生绝缘结构的击穿时，在  其表面或与电极接触的空气(离子化气体)中发生的放电现象，称为绝缘闪络。

p  影响介电强度的因素：

1、电压波形 直流、工频正弦及冲击电压下，击穿机理不同，所测的击穿场强也不同，工频交流电压下的击穿场强比直流和冲击电压下的低得多。

2、电压作用时间，无论电击穿还是热击穿都需要时间，随着加压时   间的增长，击穿电压明显下降。

3、电场的均匀性及电压的极性，电场不均匀往往测得的电压比本征击 穿值低。

4、试样的厚度与不均匀性 试样的厚度增加，电极边缘电场就更不均匀，试样内部的热量更不易散发，试样内部的含有缺陷的几率增大，这些都会使击穿场强下降。

5、环境条件  试样周围的环境条件，如温度、湿度以及压力等都会影  响试样的击穿场强；温度升高，通常会使击穿场强下降；湿度增大，会使击穿场强下降；气压对击穿场强的影响，主要是对气体而言。气压高，击穿场强升高；但接近真空时，也会使击穿场强升高。另外还有：时间、辐射、机械力、电极材料及极性效应。

p  击穿机理：

¬  气体介质击穿

1）撞击游离：气体介质在电场中，由于受辐照、电能、热能等因素的作用，总会存在少量的离子和电子。

这些带电质点在电场中运动过程中必然和气体的分子或原子相撞，如果带电粒子的能量大于分子或原子的电离能，则可能由于碰撞时能量的交换而使分子或原子产生电离（即使带电粒子的能量小于电离能，经过多次碰撞也可能使分子发生电离）。气体分子电离之后，放出的电子又在电场中加速碰撞其它的分子或原子使之产生电离，因此电子 的总数越来越多形成电子崩。同时由于离子的质点大，速度慢，而集聚在阴极的附近，造成阴极附近的电场强度增高，使电子 不断从阴极被拉出，源源不断地投入气体中，这就形成 了自持放电即气体击穿。这种击穿理论是符合低气压短间隙（电极间的距离近）的气体击穿。

2）流柱理论：在长间隙、高气压中的放电，除了撞击之外，形成放电    发展的主要因素是光游离。在电子崩发展到一定阶段后，电子崩的前部的离子复合增强，而复合时放出的光子又引起周围气体电离，于是又形成新的电子崩，这样在电子崩之间呈成为电子离子的混合通道，这个混合通道称为流柱。

3）在均匀和不均匀电场中气体的击穿电压，在均匀电场中，气体击穿电 压与气体起始电离电压相近。击穿电压与气体压力和电极间的距离的乘积成相关。这种关系规律称巴申定律。在不均匀电场中，气体的击穿电压将高于气体起始电离击穿电压，因电场zui强的地方总首先开始局部电离放电，之后才逐渐扩大放电范围，直到放电贯穿两电极时才发生击穿。

¬  液体介质的击穿

1）小桥理论：在液体介质中，含有的各种杂质，如灰尘、纤维、水分等， 这些杂质在电场的作用下产生极化并沿着电场方向排列起来，移向电场强度高的地方连成小桥，而使电场发生畸变。造成击穿电场下降。2）撞击游离 和气体电离的理论类似。不过由于液体中分子间的距离比气体小得多，电子在两次碰撞间的自由行程也短得多，因此，要获得足够的能量就要需要更高的电场强度，这说明液体的击穿场强比气体高的多。

¬  固体材料的电击穿理论 固体材料的本征击穿场强比液体材料高得多，一般在50-150兆伏/米由于固体材料聚集很紧，电子在其中的运动就不能简单地看作单个电子与单个分子或原子相碰撞，而是受周围许多分子或原子对它的制约。如电子通过晶格时，受晶格质点振动的影响，使运动状态发生变化，同时也发生能量的转移，这过程称散射。当电子的获得的能量大于损失的能量时，电子就不断被加速，就会导致击穿发生。从这点出发提出两种最主要的电击穿理论：其一，弗罗利赫（Frohlich）理论，另一个是希伯尔理论。此外，还有许多电击穿理论，如场致发射击穿理论，电机械应力破坏理论。

¬  固体介质的热击穿理论   介质的击穿因热因素起决定作用的引起的破坏称为热击穿。

¬  局部放电导致击穿  材料击穿发生在局部，而没有贯穿到两电极之间，这种现象称为局部放电。

p  试样、电极、媒质以及升压方式的选择：

¬  试样与电极

试样与电极的大小影响击穿试验结果

1）固体材料的试样

GB1408有规定，如表

一般试样厚度不要超过3mm，厚度测量误差最好不要超过1%

2）测量固体材料用电极：

电极必需是良好的导电、导热性能；电极表面光滑并与试样良好的接触；板材或薄膜试样一般用圆柱形铜或不锈钢电极；管状或型材试样，一般要采用金属箔或沉积金属层，管状试样内径小时，可用弹性金属片、金属粉末以及导电液体等作为内电极。电极尺寸见表

3）液体材料取样及电极：

液体介质击穿试验用电极有平板和球型两种。我国现行标准用是平板型电极，电极直径为25mm，间距为2.5mm，边缘的曲率半径2mm,表面光洁度▽7.液面离电极的最高点距离不少于22mm.电极距容器内壁各点不少于13mm，电极轴心应对准并保持水平，电极间隙应均匀。电极及容器所用材料应不会和试样作用，一般用陶瓷或玻璃制成容器，用铜或不锈钢做电极。

¬  媒质：

为防止材料发生表面闪络，同时也为了避免击穿发生在电极的边缘，必须选用相对介电常数（或电导率）比较大的，而且击穿场强也比较高的材料做媒质。如变压器油、矿物油和硅油.选用的媒质必须与试样不会发生相互作用

¬  升压方式：

击穿场强随施加电压的时间的增长而下降；在交流或直流电压的击穿试验中，电压作用时间体现在升压方式和升压速度；而在耐压试验中，电压的作用除与升压速度有关外，主要还决定于耐压时间。显然，电压作用时间越长对试样考验就越严格。击穿试验升压方式分三种：连续升压、逐级升压和慢升压。

¬  连续升压升压速度

¬  逐级升压：

¬  慢速升压：

几点说明：逐级升压是让施加于试样的电压先以连续升压的速度上升到击穿电压的50%，之后，按每级升压值（大约为击穿电压的5-10%）逐级升压，每级停留1分钟，直到击穿为止。最后一级的电压为击穿电压。级与级之间升压时间要尽可能的短，一般不会超过10秒，这一时间应计入后一级的停留时间内。如果击穿发生在前一级，则应取前一级电压。慢升压是先让施加于试样的电压以连续升压阿的速度上升到击穿电压的50%，以后降低升压速度，但电压仍然以匀速上升直到击穿为止。而耐压试验先以任何升压速度使施加于试样的电压由零上升到试验电压的40%，以后以每秒升高试验电压3%的速度升到试样电压为止；在试验电压下保持一定的耐压时间（1-5min），之后要在5分钟内将电压降到试验电压的25%，最后切断电源。

p  工频电压下绝缘的击穿和耐压试验：

工频电压下绝缘强度和耐压试验装置：高压试验变压器、调压器、电压测量系统以及控制和保护装置等。

¬  高压试验变压器：

包括容量、电压及其波形。容量--根据试样在试验电压下流过的电容电流来计算即：

P=U2ωCx(伏.安)  式中：U--施加电压有效值（伏）， ω--角频率，Cx—试样电容；一般电容量高压侧电流1安以上。

电压－一般根据试样电压来选，单台变压器最高电压等级为750千伏；如果再高实验电压就用多台串联。实验电压波形，一般为正弦波，波形畸变将会影响电压测量。Um=√2U有效

¬  调压、控制及保护：

1）调压器 －调节通过接在实验变压器和电源之间的调压器来实现，分：自耦调压器（通过滑动触点沿绕阻移动来改变输出电压，其特点是体积小、漏抗小、价格也便宜，但由于滑动触点在电流比较大时会出现火花，因此，一般容量只用于几千伏安以下，油浸式的可达几十千伏安）和移圈式调压器。

2）控制电路 控制线路要实现下列各点要求

（1）只有在试验人员撤离高压危险区，并关好安全门之后才能加压；

（2）升压必需从零开始；

（3）在试样发生击穿时能自动切断电源；

（4）在自动升压装置中还要能控制升压、降压及停止等动作。

3）保护和接地（除过电流保护器、安全门开关、调压器限位开关等外，其他在线路的低压部分都要接上保护放电器，还需接保护电阻、此外，还要有围栏、连锁装置和信号灯并备有接地棒以保证人身安全）

¬  工频电压的测量：

工频高电压的测量方法分：直接测量高电压（如利用球隙放电、静电电压表、旋转伏特计等）；将高电压变换为低电压测量（互感器、分压器）；通过测量试验变压器本身低压绕组的电压来换算出高压端的试验电压。

1）静电电压表法－用于试验电压不高的情况（200KV）。

2）球隙测量法－此法试验电压可以高，但测量麻烦，影响因素较多，装置的占地面积较大。3）互感器测量法－通过互感器将高压变低压进行测量，精度高，但较贵。

4）电容分压器法－通过串联电容分压测出其中低阻抗的电容器上的电压，可以推算出试验电压。

5)测量绕组法－通过变压器内部绕组，可以按比例把测量电压算出来。

¬  直流电压下绝缘的击穿和耐压试验：

由于有很多电气设备是在直流电压下运行的，有些虽在交流下运行，但由于其电容量很大，工频试验变压器的容量不能满足要求而又没有补偿电抗器时，采用直流电压下测定其绝缘强度以替代工频下的绝缘强度试验。其测量装置必需要有一套直流高压装置和直流电压测量系统。直流高电压可以通过各种方法获得。一般是通过高压整流，即先通过变压器把工频电压升高。而后，在利用高压整流器把工频高压变为直流高压。工频的升压及有关的控制、保护装置与上节所述相同。

¬  高压整流：

绝缘强度试验用的直流高压设备应满足一下要求：

1）电压等级应满足试验电压要求，我国已有百万伏以上的直流高压装置

2）设备容量应能输出电流10-20毫安

3）电压脉动系数小于或等于5%

¬  倍压线路

简单的整流线路不论是半波还是全波，最高输出电压只能接近于变压器输出电压的峰值。如果要获得更高的直流电压，可以采用倍压线路。

¬  直流高压的测量

测量方法很多，可用仪表直接测量，也可用分压器等间接测量。测量的误差小于3%。对于电压脉动系数小于或等于5%，可用静电伏特计和球隙法。旋转伏特计也可测直流高压。

p  有机硅凝胶的耐电特性

      绝缘材料击穿是在电应力作用下导致材料内部绝缘性能严重损失，发生穿孔或出现碳化通道，并引起回路电流的现象。材料的电击穿特性直观反映了材料的电绝缘能力。本文搭建了有机硅凝胶工频耐电特性实验平台，研究温度对有机硅凝胶耐电特性的影响规律。
1.1 实验设计

       依据 IEC 60243标准设计实验平台如图 10 所示，交流电压源输出电压 0～100kV，电压畸变率小于 2%，升压速率 2kV/s，升压曲线如图 10 所示。被测试品的模具容积为 200mL，电极为铜制球球电极，电极直径 13mm，电极间距 1mm。基于实验室内制备的有机硅凝胶样品，测试了不同温度下有机硅凝胶的工频耐电特性。

球球电极结构下，击穿场强近似计算公式为：E_bd=U_bd/sη

式中，Ebd 为击穿场强峰值；Ubd 为击穿电压最大值；s 为气隙间距；h 为 Schwaiger 系数，对于较均匀场，n取值为 0.9。

1.2 实验结果

      图 11 展示了有机硅凝胶的击穿现象及击穿通道。Ⅰ展示了发生击穿瞬间，有机硅凝胶产生强烈的光信号；Ⅱ展示了放电发生后瞬间，球球电极间产生了气泡，并且在显微镜下观察了气泡形态；击穿后的样品放置一段时间后，将进入Ⅲ状态，球球电极间的气泡变小；最终形成图 11 中Ⅳ所示的电树枝通道，此时硅凝胶丧失耐压能力。

绝缘材料的击穿起始于材料内部绝缘弱点，而聚合物中的缺陷是随机分布的，因此聚合物的击

穿事件符合一定的统计规律，一般采用多个样本，可通过概率分布统计法评估聚合物的击穿电压。Weibull 分布基于弱点击穿理论构建，双参数 Weibull分布广泛应用于分析绝缘材料的击穿电压。根据Weibull 分布函数特征，有机硅凝胶的击穿电压对应于 63%累积概率处的击穿电压。Weibull 分布的累积概率函数（Cumulative Probability Function, CDF）可表示为：

式中，P 为累积概率密度分布函数；a 为 63%对应的分位数，也称为尺度参数，表示发生概率为 63%的击穿电压值；b 为度量分散程度的 Weibull 指数，也称为形状参数，表示击穿电压的变化幅度，b 越大，其击穿场强变化幅度越小；U 为有机硅凝胶的击穿电压。测试了传统脱气曲线与改进脱气曲线制备的有机硅凝胶样品在 200℃的恒温箱中处理后的击穿电压值，通过式（3）计算 Weibull 分布得出累计概率密度曲线，200℃下制备工艺对有机硅凝胶击穿电压的影响如图 12 所示。

       200℃下，原始制备工艺得到的有机硅凝胶样品内出现气泡，依据 Weibull 分布统计得到工频耐受电压为 31.30kV；而改进的制备工艺得到的有机硅凝胶样品在 200℃下未见气泡，工频耐受电压为35.34kV。对比两种制备工艺获得的有机硅凝胶样品，改进的制备工艺使得有机硅凝胶样品在 200℃下耐压能力提升了 12.9%。

     为获得温度对有机硅凝胶耐压特性的影响规律，测试了不同温度下有机硅凝胶的工频击穿电压，依据式（3）计算 Weibull 分布，得出每个温度点下的累计概率密度曲线如图 13 所示。不同温度下有机凝胶的 Weibull 分布参数见表 2。

     根据 Weibull 分布统计结果，获得了不同温度下，有机硅凝胶的击穿场强，如图 14 所示。从图14 可知，温度对有机硅凝胶的绝缘性能有重要影响，随着温度升高，23～80℃之间，有机硅凝胶的击穿场强有所降低，但降低程度较小；当温度达到120℃左右时，有机硅凝胶的击穿场强明显下降；当温度达到 200℃时，有机硅凝胶的击穿场强只有约常温下的一半。

绝缘介电强度试验是在相互绝缘的部件之间或绝缘的部件与地之间，在规定时间内施加规定的电压，以此来确定 电机在额定电压下能否安全工作,能否耐 受由于开关、浪涌及其它类似现象所导致的过电压的能力，从而评定电机绝缘 材料或绝缘间隙是否合适。如果电机有缺陷，则在施加试验电压后，会产生击穿放电或损坏。击穿放电表现为飞弧(表 面放电)、火花放电(空气放电)或击穿(击穿放电)现象。过大的漏电流可能引起电参数或物理性能的改变 。 

介电强度试验与绝缘电阻测试是不能等同的。清洁、干燥的绝缘体尽管具有高的绝缘电阻,但却可能发生不能经受 绝缘介电强度试验的故障；反之，一个 脏的、损伤的绝缘体，其绝缘电阻虽然低,但在高电压下也可能不会被击穿。由 于绝缘部件是由不同材料制成或是由不同材料合成的，它们的绝缘电阻各不相同。因 此,绝缘电阻的测试不能wan全代表 对清洁度或无损伤程度的直接量度。但是，这种测试对确定高温、潮湿、污物、氧化或挥发性材料等对绝缘特性影响 程度是极为有 益的。 　　

事实上，一台由于过热而使绝缘材料已经老化变脆的电机，其绝缘电阻仍可高达100MΩ,但却无法通过绝缘介电强 度试验。绝缘电阻测试对绝缘材料受潮特别敏感,对绝缘材料老化则显得力不从心。 　　

绝缘介电强度试验一般采用50Hz正弦波交流电，而绝缘电阻测试均采用直流电。

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