工频/直流电压介电击穿强度试验仪

工频/直流电压介电击穿强度试验仪

✔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，可用巴申曲线阐明

击穿场强与温度              击穿场强与水分               巴申曲线（气压）

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。

     高压试验变压器                                                       调压器

                                                                         测控卡

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）；

改善电压波形

✔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。

3.3.8保护球隙

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

电压互感器

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。

分压器测量原理图

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

测量线路图

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

工频/直流电压介电击穿强度试验仪