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交直流擊穿電壓|介電強(qiáng)度試驗(yàn)儀

直流電壓下的介電強(qiáng)度試驗(yàn)-試驗(yàn)設(shè)備與裝置：

試驗(yàn)設(shè)備與裝置：高壓試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器以及控制線路和保護(hù)裝置。

（1）高壓試驗(yàn)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。)S=UI=U²ωC_X

絕緣材料擊穿試驗(yàn)通常選取容量為10kV?A的變壓器。

對(duì)與大電容試樣的耐壓試驗(yàn)，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(shí)的1/500。）

B.變壓器的電壓

額定電壓等級(jí)是根據(jù)試樣的試驗(yàn)電壓等級(jí)來選定，通常選取50~100kV。采用多臺(tái)變壓器串接可獲得更高的試驗(yàn)電壓。

                                                       串接變壓器原理圖

兩臺(tái)變壓器串接輸出的視在功率：S=2UI

設(shè)備容量的利用率：2UI/3UI=2/3

注意：串接的級(jí)數(shù)增加，輸出的電壓增高，但設(shè)備容量的利用率降低。

對(duì)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(yàn)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?cè)囼?yàn)電壓的頻率，達(dá)到諧振：

ωL=1/ωC_X        →    U_X=QU₀

Q為諧振回路的品質(zhì)因素，一般為20~80。

C.電壓的波形

工頻電壓的波形：正弦波。

波形畸變影響介電強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果：

高次諧波會(huì)降低擊穿場(chǎng)強(qiáng)；

擊穿決定于電壓的峰值，而測(cè)量的電壓是有效值，若波形畸變，則同一峰值電壓測(cè)得的有效值就不同了。

波形因素：正弦波電壓的峰值與有效值之比。U幅值=√2U有效

通常要求波形因素不超過：√2（1±5%）

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(yàn)變壓器的輸入電壓為：U₁=K(U_S-U₂)

k為調(diào)壓器的電壓比；

U_s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(yàn)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(yàn)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(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)沿著繞組移動(dòng)來改變輸出電壓。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、漏抗小、價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：輸出電流較大時(shí)，觸點(diǎn)在移動(dòng)過程中因接觸不好會(huì)產(chǎn)生火花。

B.移圈調(diào)壓器（容量較大）

原理：靠移動(dòng)短路線圈改變其他兩個(gè)線圈的漏磁通，從而改變在這兩個(gè)線圈上的電壓分配來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓。

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

缺點(diǎn)：漏抗較大，波形易產(chǎn)生畸變。

移圈調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖                    移圈調(diào)壓器原理圖

（3）控制線路

滿足要求：

只有在試驗(yàn)人員撤離高壓試驗(yàn)區(qū)，并關(guān)好安全門之后，才能加上電壓進(jìn)行試驗(yàn)。

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(shí)，能自動(dòng)切斷電源；在自動(dòng)控制線路中，能自動(dòng)是電壓下降到零。

計(jì)算機(jī)在介電強(qiáng)度試驗(yàn)的控制系統(tǒng)中應(yīng)用：采用單片機(jī)或微機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)升壓、降壓過程。

（4）保護(hù)和接地

在試驗(yàn)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(cè)試回路中應(yīng)接保護(hù)電阻。

接地點(diǎn)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(yàn)區(qū)應(yīng)裝有保護(hù)圍欄，并備有接地棒。

交直流擊穿電壓|介電強(qiáng)度試驗(yàn)儀產(chǎn)品參數(shù)介紹：

工頻高電壓的測(cè)量

測(cè)量方法：靜電電壓表法、球隙測(cè)量法、互感器測(cè)量法、分壓器法、測(cè)量繞組法。

（要求測(cè)量誤差不超過3%，測(cè)量用儀表一般要求為0.5級(jí)）

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(qiáng)時(shí)，破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?/span>

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(chǎng)強(qiáng)與電場(chǎng)均勻程度密切相關(guān)而與周圍環(huán)境溫度無關(guān)。

影響介電強(qiáng)度的因素

影響因素：電壓波形及頻率、電壓作用時(shí)間、電場(chǎng)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。

（1）電壓波形及頻率

直流電壓下的E_B高于工頻交流電壓下的E_B。（因直流下只有電導(dǎo)損耗）

沖擊電壓下因作用時(shí)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E_B高于直流和和工頻交流下的E_B。

電壓頻率越高，介質(zhì)損耗越大， E_B越低。

工程上絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)通常是指工頻電壓下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

（2）電壓作用時(shí)間

電擊穿的時(shí)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(zhǎng)時(shí)間，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，E_B明顯下降。E_T=E_∞（1+a/√t）

聚乙烯的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系

E_∞為加壓時(shí)間足夠長(zhǎng)擊穿電壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)

a為常數(shù)，t為加壓時(shí)間， E_t為加壓時(shí)間t時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

（3）電場(chǎng)的均勻性及電壓的極性

不均勻電場(chǎng)下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低于均勻電場(chǎng)下的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

在不均勻電場(chǎng)下，直流和沖擊電壓的極性對(duì)擊穿電壓有明顯影響。

針尖對(duì)平板電極系統(tǒng)

當(dāng)針尖電極為正極性時(shí)，擊穿電壓要比針尖電極為負(fù)極性時(shí)低。

（4）試樣的厚度與不均勻性

試樣的厚度增加，會(huì)增加材料散熱的困難，也會(huì)增加電場(chǎng)的不均勻度，試樣內(nèi)部含有缺陷的幾率增大，從而使E_B下降。E_B=U_B/d=Ad^n-1

絕緣紙的E_B與厚度的關(guān)系

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。

對(duì)于薄膜試樣，E_B將隨厚度減小而顯著增加。

（5）環(huán)境條件

A.溫度的影響

聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的E_B與溫度關(guān)系

溫度升高，通常會(huì)使E_B下降。（尤其在材料的?；瘻囟确秶?，因發(fā)生熱擊穿E_B下降z(mì)ui明顯。）

在低溫區(qū)某些材料的E_B隨溫度升高而增加，這是溫度對(duì)電擊穿電壓的影響。

聚異丁烯的E_B與溫度關(guān)系

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(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。（對(duì)液體電介質(zhì)尤為明顯，因?yàn)樗值碾妼?dǎo)和介質(zhì)損耗較大，會(huì)改變電場(chǎng)分布。）

C.氣壓的影響

巴申曲線圖

巴申定律：U_B=f(ps)（p為氣壓，S為電極間距離）

S固定，改變p時(shí)：

氣壓較低時(shí)，氣體密度較小，碰撞幾率減少，則E_B隨氣壓降低而提高。

氣壓較高時(shí)，氣體密度較大，碰撞過程的自由行程短，則E_B隨氣壓升高而提高。p固定，改變S時(shí)：距離過大，只有提高電壓才能使氣體發(fā)生碰撞游離。

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。

（6）其它因素

NaCl晶體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)受輻射的影響

?  輻射的影響

X射線照射離子型晶體，會(huì)使晶格缺陷產(chǎn)生變化，從而使E_B發(fā)生變化。

?  機(jī)械應(yīng)力的影響

機(jī)械應(yīng)力增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(huì)明顯地降低擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

提高電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度的措施

A.對(duì)液體電介質(zhì)

（1）減少雜質(zhì)

ü  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(jī)，將抽中碳粒、纖維等雜質(zhì)濾去，油中部分水分及有機(jī)酸也被濾紙所吸收。

ü  防潮：油浸式絕緣在浸油前必須烘干，必要時(shí)可用真空干燥法去除水分。

ü  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

ü  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。

ü  絕緣層：當(dāng)覆蓋層厚度增大，本身承擔(dān)一定電壓時(shí)，稱為絕緣層。

ü  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)訅翰及濉?/span>

B.對(duì)固體電介質(zhì)

ü  改進(jìn)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(qiáng)浸漬(油、膠、漆)等方法來達(dá)到。

ü  改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)：采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度能與其所承擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜稀８倪M(jìn)電極形狀、使電場(chǎng)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)。

ü  改善運(yùn)行條件：如注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強(qiáng)散熱冷卻(如自然通風(fēng)，強(qiáng)迫通風(fēng)，氫冷、水內(nèi)冷等)。