介電擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀釋義
一、概述：
1、定義：絕緣材料或結(jié)構(gòu)，在電場(chǎng)作用下瞬間失去絕緣特性，造成電極間短路，稱(chēng)為電氣擊穿。絕緣材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生擊穿時(shí)所加的電壓稱(chēng)為擊穿電壓，擊穿點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)稱(chēng)為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。
式中：EB—擊穿場(chǎng)強(qiáng)（MV/mm）;UB—在規(guī)定試驗(yàn)條件下，兩極間的擊穿電壓(MV或KV);d—兩電極間擊穿部位的距離，即試樣在擊穿部位的厚度（m或mm）
閃絡(luò)：--指高壓電器(如高壓絕緣子)在絕緣表面發(fā)生的放電現(xiàn)象,稱(chēng)為表面閃絡(luò),簡(jiǎn)稱(chēng)閃絡(luò).
絕緣閃絡(luò)： 絕緣材料在電場(chǎng)作用下，尚未發(fā)生絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿時(shí)，在其表面或與電極接觸的空氣(離子化氣體)中發(fā)生的放電現(xiàn)象，稱(chēng)為絕緣閃絡(luò)。
二、影響介電強(qiáng)度的因素：
1、電壓波形 直流、工頻正弦及沖擊電壓下，擊穿機(jī)理不同，所測(cè)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)也不同，工頻交流電壓下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比直流和沖擊電壓下的低得多。
2、電壓作用時(shí)間，無(wú)論電擊穿還是熱擊穿都需要時(shí)間，隨著加壓時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓明顯下降。
3、電場(chǎng)的均勻性及電壓的極性，電場(chǎng)不均勻往往測(cè)得的電壓比本征擊穿值低。
4、試樣的厚度與不均勻性 試樣的厚度增加，電極邊緣電場(chǎng)就更不均勻，試樣內(nèi)部的熱量更不易散發(fā)，試樣內(nèi)部的含有缺陷的幾率增大，這些都會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。
5、環(huán)境條件  試樣周?chē)沫h(huán)境條件，如溫度、濕度以及壓力等都會(huì)影響試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；溫度升高，通常會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；濕度增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；氣壓對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響，主要是對(duì)氣體而言。氣壓高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高；但接近真空時(shí)，也會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高。另外還有：時(shí)間、輻射、機(jī)械力、電極材料及極性效應(yīng)。
三、擊穿機(jī)理：
1氣體介質(zhì)擊穿
1）撞擊游離：氣體介質(zhì)在電場(chǎng)中，由于受輻照、電能、熱能等因素的作用，總會(huì)存在少量的離子和電子。
這些帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然和氣體的分子或原子相撞，如果帶電粒子的能量大于分子或原子的電離能，則可能由于碰撞時(shí)能量的交換而使分子或原子產(chǎn)生電離（即使帶電粒子的能量小于電離能，經(jīng)過(guò)多次碰撞也可能使分子發(fā)生電離）。氣體分子電離之后，放出的電子又在電場(chǎng)中加速碰撞其它的分子或原子使之產(chǎn)生電離，因此電子 的總數(shù)越來(lái)越多形成電子崩。同時(shí)由于離子的質(zhì)點(diǎn)大，速度慢，而集聚在陰極的附近，造成陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度增高，使電子 不斷從陰極被拉出，源源不斷地投入氣體中，這就形成 了自持放電即氣體擊穿。這種擊穿理論是符合低氣壓短間隙（電極間的距離近）的氣體擊穿。
2）流柱理論：在長(zhǎng)間隙、高氣壓中的放電，除了撞擊之外，形成放電發(fā)展的主要因素是光游離。在電子崩發(fā)展到一定階段后，電子崩的前部的離子復(fù)合增強(qiáng)，而復(fù)合時(shí)放出的光子又引起周?chē)鷼怏w電離，于是又形成新的電子崩，這樣在電子崩之間呈成為電子離子的混合通道，這個(gè)混合通道稱(chēng)為流柱。
3）在均勻和不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓，在均勻電場(chǎng)中，氣體擊穿電壓與氣體起始電離電壓相近。擊穿電壓與氣體壓力和電極間的距離的乘積成相關(guān)。這種關(guān)系規(guī)律稱(chēng)巴申定律。在不均勻電場(chǎng)中，氣體的擊穿電壓將高于氣體起始電離擊穿電壓，因電場(chǎng)zui強(qiáng)的地方總首先開(kāi)始局部電離放電，之后才逐漸擴(kuò)大放電范圍，直到放電貫穿兩電極時(shí)才發(fā)生擊穿。
2、液體介質(zhì)的擊穿
1）小橋理論：在液體介質(zhì)中，含有的各種雜質(zhì)，如灰塵、纖維、水分等，這些雜質(zhì)在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化并沿著電場(chǎng)方向排列起來(lái)，移向電場(chǎng)強(qiáng)度高的地方連成小橋，而使電場(chǎng)發(fā)生畸變。造成擊穿電場(chǎng)下降。2）撞擊游離 和氣體電離的理論類(lèi)似。不過(guò)由于液體中分子間的距離比氣體小得多，電子在兩次碰撞間的自由行程也短得多，因此，要獲得足夠的能量就要需要更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，這說(shuō)明液體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比氣體高的多。
3、固體材料的電擊穿理論 固體材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)比液體材料高得多，一般在50-150兆伏/米由于固體材料聚集很緊，電子在其中的運(yùn)動(dòng)就不能簡(jiǎn)單地看作單個(gè)電子與單個(gè)分子或原子相碰撞，而是受周?chē)S多分子或原子對(duì)它的制約。如電子通過(guò)晶格時(shí)，受晶格質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的影響，使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)也發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，這過(guò)程稱(chēng)散射。當(dāng)電子的獲得的能量大于損失的能量時(shí)，電子就不斷被加速，就會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生。從這點(diǎn)出發(fā)提出兩種最主要的電擊穿理論：其一，弗羅利赫（Frohlich）理論，另一個(gè)是希伯爾理論。此外，還有許多電擊穿理論，如場(chǎng)致發(fā)射擊穿理論，電機(jī)械應(yīng)力破壞理論。
4、固體介質(zhì)的熱擊穿理論   介質(zhì)的擊穿因熱因素起決定作用的引起的破壞稱(chēng)為熱擊穿。
5、局部放電導(dǎo)致?lián)舸? 材料擊穿發(fā)生在局部，而沒(méi)有貫穿到兩電極之間，這種現(xiàn)象稱(chēng)為局部放電。
四、試樣、電極、媒質(zhì)以及升壓方式的選擇：
1、試樣與電極
試樣與電極的大小影響擊穿試驗(yàn)結(jié)果
1）固體材料的試樣
GB1408有規(guī)定，如表
一般試樣厚度不要超過(guò)3mm，厚度測(cè)量誤差最好不要超過(guò)1%

 

電極必需是良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；電極表面光滑并與試樣良好的接觸；板材或薄膜試樣一般用圓柱形銅或不銹鋼電極；管狀或型材試樣，一般要采用金屬箔或沉積金屬層，管狀試樣內(nèi)徑小時(shí)，可用彈性金屬片、金屬粉末以及導(dǎo)電液體等作為內(nèi)電極。電極尺寸見(jiàn)表

 
3）液體材料取樣及電極：
液體介質(zhì)擊穿試驗(yàn)用電極有平板和球型兩種。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)用是平板型電極，電極直徑為25mm，間距為2.5mm，邊緣的曲率半徑2mm,表面光潔度▽7.液面離電極的最高點(diǎn)距離不少于22mm.電極距容器內(nèi)壁各點(diǎn)不少于13mm，電極軸心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)并保持水平，電極間隙應(yīng)均勻。電極及容器所用材料應(yīng)不會(huì)和試樣作用，一般用陶瓷或玻璃制成容器，用銅或不銹鋼做電極。
2、媒質(zhì)：
為防止材料發(fā)生表面閃絡(luò)，同時(shí)也為了避免擊穿發(fā)生在電極的邊緣，必須選用相對(duì)介電常數(shù)（或電導(dǎo)率）比較大的，而且擊穿場(chǎng)強(qiáng)也比較高的材料做媒質(zhì)。如變壓器油、礦物油和硅油.選用的媒質(zhì)必須與試樣不會(huì)發(fā)生相互作用
3、升壓方式：
擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨施加電壓的時(shí)間的增長(zhǎng)而下降；在交流或直流電壓的擊穿試驗(yàn)中，電壓作用時(shí)間體現(xiàn)在升壓方式和升壓速度；而在耐壓試驗(yàn)中，電壓的作用除與升壓速度有關(guān)外，主要還決定于耐壓時(shí)間。顯然，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)試樣考驗(yàn)就越嚴(yán)格。擊穿試驗(yàn)升壓方式分三種：連續(xù)升壓、逐級(jí)升壓和慢升壓。
連續(xù)升壓升壓速度

 
慢速升壓：

 
幾點(diǎn)說(shuō)明：逐級(jí)升壓是讓施加于試樣的電壓先以連續(xù)升壓的速度上升到擊穿電壓的50%，之后，按每級(jí)升壓值（大約為擊穿電壓的5-10%）逐級(jí)升壓，每級(jí)停留1分鐘，直到擊穿為止。最后一級(jí)的電壓為擊穿電壓。級(jí)與級(jí)之間升壓時(shí)間要盡可能的短，一般不會(huì)超過(guò)10秒，這一時(shí)間應(yīng)計(jì)入后一級(jí)的停留時(shí)間內(nèi)。如果擊穿發(fā)生在前一級(jí)，則應(yīng)取前一級(jí)電壓。慢升壓是先讓施加于試樣的電壓以連續(xù)升壓阿的速度上升到擊穿電壓的50%，以后降低升壓速度，但電壓仍然以勻速上升直到擊穿為止。而耐壓試驗(yàn)先以任何升壓速度使施加于試樣的電壓由零上升到試驗(yàn)電壓的40%，以后以每秒升高試驗(yàn)電壓3%的速度升到試樣電壓為止；在試驗(yàn)電壓下保持一定的耐壓時(shí)間（1-5min），之后要在5分鐘內(nèi)將電壓降到試驗(yàn)電壓的25%，最后切斷電源。
五、工頻電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗(yàn)：
工頻電壓下絕緣強(qiáng)度和耐壓試驗(yàn)裝置：高壓試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器、電壓測(cè)量系統(tǒng)以及控制和保護(hù)裝置等。
1、高壓試驗(yàn)變壓器：
包括容量、電壓及其波形。容量--根據(jù)試樣在試驗(yàn)電壓下流過(guò)的電容電流來(lái)計(jì)算即：
P=U2ωCx(伏.安)  式中：U--施加電壓有效值（伏）， ω--角頻率，Cx—試樣電容；一般電容量高壓側(cè)電流1安以上。
電壓－一般根據(jù)試樣電壓來(lái)選，單臺(tái)變壓器最高電壓等級(jí)為750千伏；如果再高實(shí)驗(yàn)電壓就用多臺(tái)串聯(lián)。實(shí)驗(yàn)電壓波形，一般為正弦波，波形畸變將會(huì)影響電壓測(cè)量。Um=√2U有效
2、調(diào)壓、控制及保護(hù)：
1）調(diào)壓器 －調(diào)節(jié)通過(guò)接在實(shí)驗(yàn)變壓器和電源之間的調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，分：自耦調(diào)壓器（通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)沿繞阻移動(dòng)來(lái)改變輸出電壓，其特點(diǎn)是體積小、漏抗小、價(jià)格也便宜，但由于滑動(dòng)觸點(diǎn)在電流比較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)火花，因此，一般容量只用于幾千伏安以下，油浸式的可達(dá)幾十千伏安）和移圈式調(diào)壓器。
2）控制電路 控制線(xiàn)路要實(shí)現(xiàn)下列各點(diǎn)要求
（1）只有在試驗(yàn)人員撤離高壓危險(xiǎn)區(qū)，并關(guān)好安全門(mén)之后才能加壓；
（2）升壓必需從零開(kāi)始；
（3）在試樣發(fā)生擊穿時(shí)能自動(dòng)切斷電源；
（4）在自動(dòng)升壓裝置中還要能控制升壓、降壓及停止等動(dòng)作。
3）保護(hù)和接地（除過(guò)電流保護(hù)器、安全門(mén)開(kāi)關(guān)、調(diào)壓器限位開(kāi)關(guān)等外，其他在線(xiàn)路的低壓部分都要接上保護(hù)放電器，還需接保護(hù)電阻、此外，還要有圍欄、連鎖裝置和信號(hào)燈并備有接地棒以保證人身安全）
3、工頻電壓的測(cè)量：
工頻高電壓的測(cè)量方法分：直接測(cè)量高電壓（如利用球隙放電、靜電電壓表、旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)等）；將高電壓變換為低電壓測(cè)量（互感器、分壓器）；通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)變壓器本身低壓繞組的電壓來(lái)?yè)Q算出高壓端的試驗(yàn)電壓。
1）靜電電壓表法－用于試驗(yàn)電壓不高的情況（200KV）。
2）球隙測(cè)量法－此法試驗(yàn)電壓可以高，但測(cè)量麻煩，影響因素較多，裝置的占地面積較大。3）互感器測(cè)量法－通過(guò)互感器將高壓變低壓進(jìn)行測(cè)量，精度高，但較貴。
4）電容分壓器法－通過(guò)串聯(lián)電容分壓測(cè)出其中低阻抗的電容器上的電壓，可以推算出試驗(yàn)電壓。
5)測(cè)量繞組法－通過(guò)變壓器內(nèi)部繞組，可以按比例把測(cè)量電壓算出來(lái)。
4、直流電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗(yàn)：
由于有很多電氣設(shè)備是在直流電壓下運(yùn)行的，有些雖在交流下運(yùn)行，但由于其電容量很大，工頻試驗(yàn)變壓器的容量不能滿(mǎn)足要求而又沒(méi)有補(bǔ)償電抗器時(shí)，采用直流電壓下測(cè)定其絕緣強(qiáng)度以替代工頻下的絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)。其測(cè)量裝置必需要有一套直流高壓裝置和直流電壓測(cè)量系統(tǒng)。直流高電壓可以通過(guò)各種方法獲得。一般是通過(guò)高壓整流，即先通過(guò)變壓器把工頻電壓升高。而后，在利用高壓整流器把工頻高壓變?yōu)橹绷鞲邏骸９ゎl的升壓及有關(guān)的控制、保護(hù)裝置與上節(jié)所述相同。
5、高壓整流：
絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)用的直流高壓設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足一下要求：
1）電壓等級(jí)應(yīng)滿(mǎn)足試驗(yàn)電壓要求，我國(guó)已有百萬(wàn)伏以上的直流高壓裝置
2）設(shè)備容量應(yīng)能輸出電流10-20毫安
3）電壓脈動(dòng)系數(shù)小于或等于5%
6、倍壓線(xiàn)路
簡(jiǎn)單的整流線(xiàn)路不論是半波還是全波，最高輸出電壓只能接近于變壓器輸出電壓的峰值。如果要獲得更高的直流電壓，可以采用倍壓線(xiàn)路。
7、直流高壓的測(cè)量
測(cè)量方法很多，可用儀表直接測(cè)量，也可用分壓器等間接測(cè)量。測(cè)量的誤差小于3%。對(duì)于電壓脈動(dòng)系數(shù)小于或等于5%，可用靜電伏特計(jì)和球隙法。旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)也可測(cè)直流高壓。