介电强度耐电压击穿测试仪

介电强度耐电压击穿测试仪

✔特点：所有的绝缘材料都只能在一定的电场强度下保持其绝缘特性，当电场强度超过一定限度时，绝缘材料便会瞬时失去绝缘特性，使整个设备破坏。

✔特征：介电强度是最基本的绝缘特性参数。

✔应用：不管是在电气产品的生产中，还是在使用中，都要经常做介电强度的试验。

1.1定义；

1.1.1电气击穿；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。

1.1.2击穿电压、击穿场强；在试验或使用中，绝缘材料或结构发生击穿时所施加的电压，称为击穿电压；击穿点的场强称为击穿场强。

E_B＝U_B/d

1.1.3介电强度；

绝缘材料的介电强度是指材料能承受而不致遭到破坏的最高电场场强，对于平板试样

1.1.4闪络、闪络电压；

在气体或液体中，电极之间发生放电，当放电至少有一部分是沿着固体材料表面时，称为闪络。通常试样表面闪络后，还可以恢复绝缘特性。闪络时试样上施加的电压称为闪络电压。

1.1.5击穿或闪络的判别：✔试样上电压突然降落；✔通过试样上的电流突然增大；✔有时会发出光或声；✔试样上有贯穿的小孔、裂纹以及碳化的痕迹；

1.2介电强度试验分类；

1.2.1击穿试验：在一定试验条件下，升高电压直到试样发生击穿为止，测得击穿场强或击穿电压，测量试样的介电强度，用来测量绝缘材料的介电强度。不能作为选定应用于工作场强的依据，而只能作为选用材料的参考。

1.2.2耐电压试验：在一定试验条件下，对试样施加一定电压，经历一定时间，若在此时间内试样不发生击穿，即认为试样是合格的。只能说明试样的介电强度不低于该试验电压的水平，但不能说明究竟有多高。对于电气设备使用，施加电压略高于工作电压，经历时间1min、5min或更长

1.3影响介电强度的因素；

1.3.1电压波形：✔直流、工频正弦以及冲击电压下击穿机理不同，击穿场强也不同；✔工频交流电压下的击穿场强低的多；✔根据使用条件及试验目的，选择电压或叠加电压

1.3.2电压作用时间：✔电击穿所需时间短，小于微秒级；✔热击穿需要较长时间的热的积累，在直流或工频电压下，随着施加电压的时间增长，击穿电压明显下降。✔施加电压时间很长时，由于试样内存在局部放电或其他原因，试样老化，降低击穿电压；✔有机材料，一般在小于几微秒和大于几秒时，击穿电压随时间增长而明显下降，在几微秒至几秒范围内，击穿电压变化不大。

1.3.3电场的均匀性及电压的极性

✔材料的本征击穿场强是在均匀电场下测得的。但不均匀电场中，如电极边缘电场强度比较高，会首先出现局部放电，扩展到试样击穿，测得的击穿电压偏低；✔在不均匀电场下，直流和冲击电压的极性对击穿电压有明显的影响。由于空间电荷的效应改变了电极间介质的电场分布，从而影响了击穿电压。

1.3.4试样的厚度与不均匀性

✔试样厚度增加，电极边缘电场就更不均匀，试样内部的热量更不容易散发，试样内部含有缺陷的几率增大，使得击穿场强下降；✔薄膜试样，厚度减小，电子碰撞电离的几率减小，也会使击穿场强提高；✔工业上绝缘材料含有杂质和缺陷，使得试样击穿场强降低；✔材料中残留的机械应力，使得击穿场强降低

1.3.5环境条件：

✔温度升高，会使击穿场强下降。在材料的玻化温度范围，击穿场强下降zui明显，对于某些材料，在低温区可能出现相反的温度效应。✔湿度增大，会使击穿场强下降。材料吸湿后会增大电导和介质损耗，会改变电场分布，从而影响击穿场强。✔气压对击穿场强的影响，主要是对气体而言。气压高，电子在碰撞过程的自由行程就短，击穿场强会升高。但在接近真空时，由于碰撞的几率减少，也会使击穿场强升高。

二、试样与电极：

2.1均匀电场下击穿试验用的试样与电极

✔材料的本征介电强度，是以均匀电场下的击穿场强来表征的；✔为了能使试样的击穿发生在均匀的电场中，必须把试样做成各种型材。

2.1.1例行试验中用的试样与电极

例行试验，不能要求试样击穿都发生在均匀电场中，试样的形状决定与材料原有的形状，试样的厚度，一般也决定于试样本身；✔试样太厚，击穿电压超过试验变压器的额定电压，或表面闪络无法解决，可将试样削薄，并保持试样表面光洁；✔试样太薄，如纸或薄膜材料，可多层叠加在一起，施加一定压力压紧；

2.1.2试样厚度测量：✔均匀的厚度，沿通过击穿点的直径上测三点取平均值。✔如果厚度不均匀，以击穿点的厚度计算击穿场强。

2.1.3试样的面积：试样的面积要比电极面积大，使之在击穿前不会发生闪络；✔为节省材料，电极面积不能太大；✔为暴露材料中存在的缺点，电极不能太小；✔一般直径取25mm或50mm；

2.2试样要求：

2.2.1试样的个数：✔击穿场强分散性较大，要多用一些试样；✔工程材料的击穿场强很大程度上决定于存在的弱点；✔击穿场强受很多因素的影响；

2.2.2一般最少取5个：✔取平均值作为实验结果；✔若有一个数值偏离平均值15%以上，必须再取5个试样；

2.3电极要求：                            

试样的正常化处理

电极的要求：✔良好的导电、导热性能，由铜或不锈钢制成；✔表面要平整光滑，使之与试样表面接触良好；✔对称电极：电极边缘电场较均匀，但上下电极必须对准中心线；

2.4电极效应：

电极边缘效应

✔空气a击穿场强比固体材料x低，场强

E_a/E_x=γ_x/γ_a＞1

✔总是在电极边缘的空气中先出现局部放电，这种放电会腐蚀试样，会使试样的温度升高，最终导致试样在较低的电压下发生击穿

电极效应消除措施

消除办法：✔电极的边缘要做成圆角；✔将试样和电极浸入相对介电常数大、击穿场强比较高的液体媒质中，如变压器油，硅油；✔采用的媒质若具有很高的相对介电常数或电导，必须注意由此而引起的测试回路电流增大、试验变压器过载、保护电阻上电压降增大以及媒质本身严重发热等问题。

液体材料用的电极

结构：✔直径25mm、间距2.5mm、边缘曲率半径2mm；✔电极表面应光滑，液面离电极的最高点距离不少于22mm，电极距容器的内壁最近处不少于13mm，两个电极的轴心要对准并保持在同一水平线上，两个电极的表面要保持平行；✔容器与液体材料不会相互破坏，容器可使用电瓷或玻璃，电极用铜或不锈钢；使用：✔清洗、烘干，再用被测液体洗涤两次；✔注入被测液体，不要混入杂质与水分；✔注入被测液体后静止片刻，避免电极间有气泡；

三、工频电压下的介电强度试验

✔工频电源应用zui广，且材料的工频击穿场强比直流和冲击电压下的都低，对于绝缘材料，通常都是做工频下的击穿试验。✔绝缘材料的介电强度，一般都是指在工频下的介电强度。✔电工设备的例行试验中，一般也是做工频耐压试验。

3.1工频耐压试验：

3.2升压方式

定义：✔电压从零按照一定方式和速度上升到规定的试验电压或击穿电压；

升压方式：✔快速升压、20s逐渐升压、 慢速升压、60s逐级升压、极慢速升压；

快速升压：✔电压从零上升到击穿电压所经历的时间约为10~20s，常用500V/s；

20s逐渐升压：✔电压逐级升高，每级停留20s；✔第一级电压约为快速升压击穿值的40%的电压，在此电压下，经受20s，若试样不击穿，再加高一级，直至试样击穿为止；✔升压过程要尽量快，升压的时间计算在下一级的20s之内；✔击穿应发生在第级或更高的电压等级上，否则应降低第一级电压重新进行试验；✔逐级加压比快速加压作用的时间长，测得的击穿电压比较低；

慢速升压：✔从快速升压的击穿电压的20%开始，以较慢的速度升压，使击穿发生在120~240s内；

60s逐级升压：✔与20s逐级升压类似，只是每级停留的时间为60s；

极慢速升压：✔从快速升压击穿电压的40%开始，以极慢速的速度升压，使击穿发生在300~600s内。✔升压速度慢，电压作用时间更长，测得的击穿电压更低，试验结果比较可靠。

3.3试验设备与装置

试验系统：包括高压试验变压器、调压器，以及控制和保 护装置等。

高压试验变压器：✔工频高电压一般都通过试验变压器升压获得。试验变压器要求；✔具有足够的额定电压和容量；✔输出的电压波形没有畸变；

试验变压器的电压

电压等级，根据试样的试验电压等级来选定：✔绝缘材料50~100kV；✔绝缘结构>1000kV

试验变压器单台容量：✔国内：750kV；✔国外：1000kV

超过单台变压器额定电压，采用多台变压器串接以获得更高的试验电压。

3.3.1试验变压器的串接

✔串接的级数增加，输出的电压增高，但设备的利用率降低，而且内阻抗增大，因此也不宜采用过多的级数，目前最多的是采用三级串接。✔对于电容较大的试样，可以通过串联谐振回路获得比试验变压器更高的电压。

3.3.2串联谐振

✔谐振回路中，电抗器上的电压与试样上的电压大小相等，相位相反；✔当试验电压很高时，要制作单台高压调谐电抗器是不经济的，可将调谐电感接在调谐变压器的低压侧，组成一台高压调谐电抗器，并可将多台这样的电抗器串接起来，使之能够承受超高压试验电压；✔串联谐振回路，不但能提高试验电压，而且电压波形好，又比较安全。

3.3.3变压器的容量

试样都是容性阻抗。试验变压器的容量，可以根据试样在试验电压下通过的容性电流来计算S=U²ωC_x

✔一般试样电容为几十到几百pF，击穿电压不超过100kV，选择容量为10kVA；✔电工设备耐压试验变压器容量一般要大一些，高压侧电流为1A或更大；✔对于电容量特别大的试样，必须采用电抗器与试样并联，补偿容性电流，以减小变压器的容量；✔采用超低频正弦电压对大容量试样做耐压试验，可以大大降低变压器的容量。

3.3.4电压波形

工频电压的波形应为正弦波，正弦波的峰值与有效值之比称为波形因数。要求波形因数不超过根号2倍(1±5%)

波形畸变会影响介电强度的试验结果

✔高次谐波会降低击穿场强；✔试样的击穿是决定于电压的峰值，而一般测量电压的仪表都是测量有效值；✔波形畸变，同一峰值的电压测得有效值不同；产生波形畸变的原因；✔电源本身有3次或5次高次谐波；✔变压器的非线性激磁电流：激磁电流决定于磁化曲线（非线性）；

✔在调压器和试验变压器之间接入滤波器，电感与电容根据滤波频率选择电容不宜太小，以免调压器过载。✔电网中常为3次谐波，线电压不含3次谐波，调压器一次侧接线电压。

3.3.5调压器

自耦调压器结构：✔铁心上只绕一个线圈；✔线圈的两端为一次侧，接电源；✔一次侧与二次侧有一个公共连接端头，必须接中线或接地；✔二次侧另一头为滑动触点，触点与公共端距离增大时，电压升高

优缺点✔结构简单、体积小、漏抗小、价格便宜；✔输出电流较大时，触点在移动过程中会因接触不好而出现火花。

适用：✔容量为几千伏安以下，油浸式的容量可达几十千伏安。

3.3.6移圈调压器(容量大的调压器均采用)

结构：✔由三个线圈套在一个铁心上组成；✔I和II匝数相等，绕向相反，串接；✔III为短路线圈，紧套在I、II外边

原理：✔靠移动短路线圈改变其他两个线圈的漏磁通；✔改变I、II上的电压分配实现调节输出电压；✔III从低位置向高位置移动，输出电压逐步升高

特点：✔靠电磁耦合而不用机械触点，因此调压过程；✔不会出现火花，容量可以做的很大；✔漏抗比较大，使用中应注意畸变

3.3.7控制线路应满足要求

✔只有在实验人员撤离高压试验区，并关好安全门(S1限位开关)，才能加上电压进行试验

✔升压必须从零开始(S2零限位)，以一定方式和速度上升

✔在试样发生击穿时，能自动切断电源(KA1过载释放器)。在自动控制线路中，能自动使电压下降到0。

4.1保护和接地

✔在控制回路中采用过载释放器、安全门开关、调压器限位开关

✔低压部分可能出现高电压的各点，都要接上放电间隙

✔高压测试回路中接保护电阻，限制试样击穿或闪络时流过变压器的电流并使变压器高压端点位变化缓慢，以改善由此产生的脉冲在高压绕组间的分布和消除可能出现的振荡，并保护测量铜球和电极在击穿时不会烧坏。

✔试样击穿或间隙放电，将有很大的电流流过接地线。接地电阻过大会显著升高接地线的电位。各接地点与接地体的连接线应采用尽量短的多股线，以减小电阻和电感。

✔高压试验区应装有保护围栏，围栏的入口处应装有联锁开关和信号灯，并备有接地棒。

4.1.2工频高电压的测量

测量方法直接测量试样两端的电压；✔静电电压表、球隙放电测量法等；把高电压变换为低电压进行测量；✔分压器、电压互感器等；通过测量变压器低压绕组或特别绕制的测量绕组的电压换算高压端的电压；

要求：✔测量误差不超过3%；✔测量用仪表一般要求为0.5级；

4.1.3静电电压表：✔由两个极板组成，一个极板固定，一个由弹簧连接，可以移动；✔通过极板间受力的大小，可以测定极板间的电压，但分度是非线性的；✔内阻很大，决定于电极间的绝缘电阻；✔电容很小，约5~50pF；✔交流电压下测得的是有效值；✔目前最高电压等级为500kV；✔依靠电场力工作，因此空间电场、电荷对它的影响很明显，在使用中应予以注意；

4.1.4球隙测量法

◆在确定条件下，球隙间空气的放电电压与球隙的距离有一定的关系，

◆利用球隙放电时的距离来测量电压

需满足条件：✔保证球隙间电场均匀：✔球隙中的空气要符合规定的标准状态

◆测量时，先让球隙放电几次，当放电比较稳定后重复测3次，每次间隔不少于1min，取3次试验平均值

◆GB311-64规定：在工频下测得的是电压峰值

◆测量结果可靠，但装置占地面积较大，测量比较麻烦，一般只用于校准其他测试仪器。

4.1.5互感器测量法

◆电压互感器是变比和角差都很精确的降压变压器，它将高电压变换为低电压进行测量。

◆电压互感器的电压比k为已知，则在二次侧测得的电压乘以k就得到一次侧的高电压值

◆测量方法非常方便、可靠，在电网上普遍应用，但造价比较高

4.1.6分压器法

◆分压器由一个高阻抗与低阻抗串接而成。

◆被测的高电压绝大部分降落在高阻抗上，可以从低阻抗两端测得低电压，通过分压比换算得到被测的高电压

◆对于工频交流电压：✔电压较低时，用电阻分压器；✔电压很高时，电阻分压器功率损耗大，发热严重，同时体积大、分布电容的影响严重，采用电容分压器更合适。

4.1.7测量绕组法

◆试验变压器本身带有测量绕组：✔测量绕组与高压绕组匝数比为k1，则高压端电压U2=此绕组电压U1*k1

◆试验变压器的低压绕组：✔低压侧电压*高低压绕组匝数比；✔高低压侧电压不wan全决定于匝数比，准确度比测量绕组的低

测量误差

◆绕组法测得高压端开路电压

◆试验回路接试样，试样两端电压由试样电容，保护电阻及变压器内阻抗决定。

✔UL较大，Ur较小时，可能使测量值小于实际试样上承受电压值；✔UL很小，Ur较大时，可能出现测量值偏大；✔测量误差随着试样电容量的改变而变化

介电强度和耐电压击穿解决方案

1.实验目的

1.了解测定高分子材料介电强度和耐电压值的基本原理

2.掌握高分子材料材料介电强度和耐电压值的测定方法

2.实验原理

本方法是用连续均匀升压或者逐级升压的方法，对试样施加交流电压，直至击穿，测出击穿电压值，自动计算试样的介电强度，用迅速升压的方法，将电压升到规定值，保持一定的时间试样不击穿，记录电压值和时间，即为此试样的耐电压值，以千伏和分表示。

本方法适用于固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤维制品、层压制品、云母及其制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷和玻璃等在工频电压下击穿电压，介电强度和耐电压值的测试。对有些绝缘材料如橡胶以及橡胶制品，薄膜等的上述性能实验，可按照有关标准或者参考本标准进行。

3.实验试样

本次实验采用多型腔圆片模具注塑成型的高密度聚乙烯圆片试样，试样尺寸直径为120mm，

试样外观：表面要平整、均匀、没有裂纹、气泡和机械等缺陷

试样数量：不得少于3个

4.实验设备

电压击穿试验仪ZJC-100E    1台（北京智德创新仪器设备有限公司）

等直径电极                  1套

游标卡尺                              1条

台式计算机及控制软件        1台

5.实验操作

①按连续均匀开压法，先安装好式样，即将HDPE圆片放在2电极中间夹住；

②通过计算机控制连续升压，直到听到击穿的声响，软件显示最大值即为击穿电压。

6.实验结果

                 7.思考讨论

1.用不同的试样制备方法所得试样测试结果有何不同？为什么？

答：用不同的试样制备方法制得的试样，其均匀性密度及杂质含量会有所不同，而这些都会使击穿电压发生变化。

2试样中的含水量对测定结果有何影响？

答：由于水未及性分子在交变电场作用下十分活跃，会加速试样的击穿，也就是说降低试样的介电强度。含水率越大，水份越多，能明显增加高聚物导电的极性杂质。

3.实验条件对实验有何影响？如何影响？

答：在较低温度段下的升高，一方面使聚合物的粒度降低，极性链的活动增强，导电能力增加，击穿强度降低；另一方面，在较高的温度段下，分子热运动加剧，对偶极转动干扰增加，使极化减弱，导电能力下降，击穿强度增大。

环境温度下升高，使得空气中的分子增多，由于湿空气中的水分子被吸附于电介质的表面，形成一层很薄的膜，同时水又是半导体，所以击穿强度增大。

试验方法：
1、两种试验方式介绍：
试验方式的选择在系统设置中进行。需要注意的是交流试验时，需要插入硅堆短路杆。直流试验时需要将硅堆短路杆拔出，以免影响实验系数，并且直流试验结束必须进行放电操作，以免残留余电对实验人员造成危险，放电过程如放电棒来回摆动，放电过程中警报灯闪烁，蜂鸣器报警，需等待蜂鸣器停止报警，警报灯不再闪烁，方可打开试验箱门。
2、三种试验方法介绍：
连续升压：连续升压又分为快速升压和慢速升压两种，其中快速升压为试样电压从零开始以选择的升压速率匀速升压，直到试样击穿为止，击穿电压为击穿瞬间的电压值。慢速升压为试样电压从零升压到达初始电压，到达初始电压后以选定的升压速率升压直到试样击穿，击穿电压为击穿瞬间的电压值。
逐级升压：试样电压从零快速升压到达初始电压，北京智德创新检测仪器到达初始电压后以梯度保持时间为时间长度，稳定电压，梯度时间结束后继续以选定的升压速率升压，达到下一个梯度电压值再稳定电压，如此过程直到试样击穿。对于击穿电压的确定分为两种情况，可在试样设置中选择采样方式。
瞬时升压：试样电压直接到达初始电压，保持该电压设定时间直到试样击穿，击穿电压为击穿瞬间的电压值。
操作步骤：1、准备25#变压器油,倒入油箱漫过上电极20～30mm。2、打开试验机右侧的总电源开关。3、如果选配计算机请双击进入试验操作界面。4、电压击穿试验屏幕部分操作步骤
该设备共有两种试验方式，交流试验和直流试验，每种试验方式均有三种试验方法，连续升压、阶梯升压和瞬时升压，可根据实际试验需要进行选择。
测试意义：1、电绝缘材料的绝缘强度是决定材料可以在何种条件下使用的关键性能。在很多情况下，材料的绝缘强度是所使用装置设计的决定性因素。2、本仪器中介绍的测试，将用于提供部分所需的信息，以判断材料在一定应用条件下的适用性；当然也能用于检测由于流程的变化，老化的程度，或是其他制造或环境条件而造成的变化或是与正常特征的偏差。该测试方法可以有效地应用于流程控制，验证或研究测试。3、本测试方法所获得的结果，很少能直接用于实际使用材料介电性能的判断。北京智德创新检测仪器在大多数情况下，还需要对其他功能测试和/或对其他材料测试所获得的结果进行比较，以估计出它们对特定材料的影响，才能进行评价。4、在三种电压使用方法中。方法A，快速测试；方法B，逐步测试；方法C，慢速测试。方法A常用于质量控制测试。较费时的方法B和C通常给出较低的结果，但在对不同材料进行相互比较时，它们所给出的结果更有说服力。如果可以安装电动电压控制器，那么慢速测试法将比逐步测试法更简单，也更常用。方法B和C所获得的结果可以相互比较。5、试样的状态：a)试样的厚度和均匀性，是否存在机械应力；b)试样预处理，特别是干燥和浸渍过程；c)是否存在孔隙、水分或其他杂质。6、试验条件：a)施加电压的频率、被形和升压速度或加压时间；b)环境温度、气压和湿度；c)电极形状、电植尺寸及其导热系数；d)周围媒质的电、热特性。
测试环境：
1、试样的处理⑴用绸布蘸对试样无腐蚀作用的溶剂,擦净试样。⑵北京智德创新检测仪器预处理和条件处理：处理条件和方法可根据

产品的性能和要求从本标准附录表1和表2中选取。有特殊要求的由产品标准另行规定。
⑶绝缘材料的电气强度随温度和含水量而变化。除被测试材料另有规定外，试样应在23±2℃，相对湿度（50±5）%的条件下处理不少于24h。
⑷经过受潮或浸液体媒质的试样在试验前应用滤纸轻轻吸去液滴，北京智德创新检测仪器从试样取出到试验完毕不应超过5分钟。
2、媒质：⑴气体媒质：采用空气。⑵液体媒质：25#变压器油，常态试验及90℃以下的热态试验采用清洁的变压器油，90℃至300℃以内的热态试验采用清洁的硅油。
3、试验环境：⑴常态试验环境：温度为25±5℃，相对湿度为65±5%。⑵热态试验或潮湿环境试验条件由产品标准参照录中表2予以规定。
击穿的判断：
试样沿施加电压方向及位置有贯穿小孔、开裂、烧焦等击穿痕迹。

关于安装：1、仪器安装在水平水泥地面，无振动和腐蚀空间，建议距离墙体和操作人员在1米以上。2、仪器后部有高压变压器质量重心偏后，北京智德创新检测仪器运输和安装过程中请注意。3、本仪器建议一次吊装到位，叉车安装建议前后两台配合安装。4、通讯接口两条线，一条固定连线连接到计算机通讯串口COM1；另外一条连接线主机是14针航空插头，计算机端为扁型DB37芯插头。5、电源端子接线ABC为220V三相，地线为零线必须接6、接地端子必须用多股铜线良好接地。7、高压预留和低压预留请不要连接，为高压外引准备特殊测试。 8、高压和低压绝缘柱可以在长期不用或者更换外置高压和其他操作人员时把高压引线悬空，北京智德创新检测仪器避免误操作。9、试验时高压和低压引线端用高压引线鳄鱼夹和低压引线鳄鱼夹连接。10、高压点击和低压电极正常情况下是25mm和75mm两个圆形表面光滑铜电极，分别在上下部位用螺丝固定，如果特殊情况需要更换，请拧开相应的螺丝更换附件中备用电极即可。11、油盒固定点是一个上凸起的销子，可以把油盒垂直向上端起，取下和放上，方便更换变压器油。12、油盒支架是一个整体安装的电木机构，北京智德创新检测仪器可以取出更换电极更加方便。13、变压器油添加要超过上电极上部最少30mm。