工频电压击穿强度试验机

ZJC-100E工频电压击穿强度试验机（计算机控制）

一、 试验设备与装置

试验设备与装置：高压试验变压器、调压器以及控制线路和保护装置。

    （1）高压试验变压器：

要求：具有足够的额定电压和容量，且输出电压的波形没有畸变。

A.变压器的容量

指变压器在额定电压电流的情况下的视在功率。

（视在功率：交流电路中，电压和电流的乘积，或者说有功功率和无功功率的矢量和，单位为V·A或KV·A。)S=UI=U²ωC_X

绝缘材料击穿试验通常选取容量为10kV·A的变压器。

对与大电容试样的耐压试验，采用超低频正弦电压，可以大大降低变压器的容量。（如采用0.1Hz超低频电压，变压器容量可减小到50Hz时的1/500。）

B.变压器的电压

额定电压等级是根据试样的试验电压等级来选定，通常选取50~100kV。采用多台变压器串接可获得更高的试验电压。

                                         串接变压器原理图

两台变压器串接输出的视在功率：S=2UI

设备容量的利用率：2UI/3UI=2/3

注意：串接的级数增加，输出的电压增高，但设备容量的利用率降低。

对于电容量较大的试样，可以通过串联谐振回路获得比试验变压器更高的电压。

                      串联谐振回路原理图

调节电抗器的电感L或改变试验电压的频率，达到谐振：

ωL=1/ωC_X        →    U_X=QU₀

Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。

C.电压的波形

工频电压的波形：正弦波。

波形畸变影响介电强度试验结果：

ü  高次谐波会降低击穿场强；

ü  击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则同一峰值电压测得的有效值就不同了。

波形因素：正弦波电压的峰值与有效值之比。U幅值=√2U有效

通常要求波形因素不超过：√2（1±5%）

波形畸变的原因：变压器的非线性激磁电流造成的。

变压器的磁化曲线：a)磁通与激磁电流的关系；b)磁通及激磁电流的波形

试验变压器的输入电压为：U₁=K(U_S-U₂)

k为调压器的电压比；

U_s为电源电压；

U₂为激磁电流流经调压器产生的电压降。

调压器的漏抗越大，波形畸变越严重。在调压器和试验变压器之间接入滤波器可改善电压波形。

（2）调压器

用来调节电压上升的方式和速度，接在试验变压器和电源之间。

常用调压器：自耦调压器和移圈调压器。   

A.  自耦调压器

原理：借助于一个滑动触点沿着绕组移动来改变输出电压。

优点：结构简单、体积小、漏抗小、价格便宜。

缺点：输出电流较大时，触点在移动过程中因接触不好会产生火花。

B.  移圈调压器（容量较大）

原理：靠移动短路线圈改变其他两个线圈的漏磁通，从而改变在这两个线圈上的电压分配来实现调节输出电压。

优点：调压过程靠电磁耦合，不会出现火花，容量可做得很大。

缺点：漏抗较大，波形易产生畸变。

移圈调压器结构图                    移圈调压器原理图

（3）控制线路

满足要求：

只有在试验人员撤离高压试验区，并关好安全门之后，才能加上电压进行试验。

升压必须从零开始，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；在自动控制线路中，能自动是电压下降到零。

计算机在介电强度试验的控制系统中应用：采用单片机或微机控制步进电动机带动调压器实现升压、降压过程。

（4）保护和接地

在试验回路的低压部分可能出现高电压的地方接上放电间隙。  

在高压测试回路中应接保护电阻。

接地点和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，并备有接地棒。

 工频高电压的测量

测量方法：静电电压表法、球隙测量法、互感器测量法、分压器法、测量绕组法。

（要求测量误差不超过3%，测量用仪表一般要求为0.5级）

固体电介质击穿的形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。

（1）电击穿：

由碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏介质晶格结构导致击穿。

主要特征：击穿电压高、击穿过程极快、击穿前发热不显著、击穿场强与电场均匀程度密切相关而与周围环境温度无关。

影响介电强度的因素

影响因素：电压波形及频率、电压作用时间、电场的均匀性及电压的极性、试样的厚度与不均匀性、环境条件等。

（1）电压波形及频率

直流电压下的E_B高于工频交流电压下的E_B。（因直流下只有电导损耗）

冲击电压下因作用时间短，热的积累效应和局部放电造成的破坏还来不及形成，其E_B高于直流和和工频交流下的E_B。

电压频率越高，介质损耗越大， E_B越低。

 工程上绝缘材料的击穿场强通常是指工频电压下的击穿场强。

（2）电压作用时间

电击穿的时间很短，可以在10^-7~10^-9s内发生。热击穿因热的累积需要较长时间，随着时间增长，E_B明显下降。E_T=E_∞（1+a/√t）

聚乙烯的击穿场强与电压作用时间的关系

E_∞为加压时间足够长击穿电压达到稳定时的最小击穿场强

a为常数，t为加压时间， E_t为加压时间t时的击穿场强。

（3）电场的均匀性及电压的极性

不均匀电场下的击穿场强低于均匀电场下的本征击穿场强。

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影响。

针尖对平板电极系统

当针尖电极为正极性时，击穿电压要比针尖电极为负极性时低。

（4）试样的厚度与不均匀性

试样的厚度增加，会增加材料散热的困难，也会增加电场的不均匀度，试样内部含有缺陷的几率增大，从而使E_B下降。E_B=U_B/d=Ad^n-1

绝缘纸的E_B与厚度的关系

A为常数，d为试样厚度，n随材料性质、电压波形、及厚度范围在0.3~1.0范围内取值。

对于薄膜试样，E_B将随厚度减小而显著增加。

（5）环境条件

A.温度的影响

聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的E_B与温度关系

温度升高，通常会使E_B下降。（尤其在材料的玻化温度范围，因发生热击穿E_B下降zui明显。）

在低温区某些材料的E_B随温度升高而增加，这是温度对电击穿电压的影响。

聚异丁烯的E_B与温度关系

B.湿度的影响

变压器油的击穿电压与含有水分的关系

湿度增大，会使击穿场强下降。（对液体电介质尤为明显，因为水分的电导和介质损耗较大，会改变电场分布。）

C.气压的影响

巴申曲线图

巴申定律：U_B=f(ps)（p为气压，S为电极间距离）

S固定，改变p时：

气压较低时，气体密度较小，碰撞几率减少，则E_B随气压降低而提高。

气压较高时，气体密度较大，碰撞过程的自由行程短，则E_B随气压升高而提高。p固定，改变S时：距离过大，只有提高电压才能使气体发生碰撞游离。

工程上应用：空气断路器和真空断路器用此规律来提高击穿电压和减小体积尺寸。

（6）其它因素

NaCl晶体的击穿场强受辐射的影响

Ø  辐射的影响

X射线照射离子型晶体，会使晶格缺陷产生变化，从而使E_B发生变化。

Ø  机械应力的影响

机械应力增大，击穿场强降低。

Ø  杂质、缺陷的影响

工程上用的绝缘材料中的杂质、缺陷会明显地降低击穿场强。

提高电介质击穿强度的措施

A.对液体电介质

（1）减少杂质

ü  过滤：将绝缘油在压力下连续通过装有大量事先烘干的过滤纸层的过滤机，将抽中碳粒、纤维等杂质滤去，油中部分水分及有机酸也被滤纸所吸收。

ü  防潮：油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。

ü  脱气：将油加热、喷成雾状，且抽真空，除去油中的水分和气体。

（2）采用固体电介质减小油中杂质的影响

ü  覆盖层：在电极表面覆盖的一层很薄的绝缘材料，如电缆纸、黄蜡布、漆膜等。

ü  绝缘层：当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称为绝缘层。

ü  屏障：在油间隙中放置的尺寸较大的(与电极形状相适应)、厚度在1~3mm的层压纸板或层压布板。

B.对固体电介质

ü  改进制造工艺：如尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、水分等，使介质尽可能均匀致密。这可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍(油、胶、漆)等方法来达到。

ü  改进绝缘设计：采用合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度能与其所承担的场强有适当的配合。改进电极形状、使电场尽可能均匀。改善电极与绝缘体的接触状态，以消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差(如采用半导体漆)。

ü  改善运行条件：如注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却(如自然通风，强迫通风，氢冷、水内冷等)。

固体材料的试样与电极

（1）固体材料的试样

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。

试样要求：电极中央试样最薄处δ应比试样厚度小5倍以上；球电极半径r要比δ大20倍。

 试样的面积要比电极面积大，使之在击穿前不会发生闪络(沿试样表面击穿)。为了能暴露材料中存在的弱点，一般选取电极直径为25mm或50mm。

                         各类试样的尺寸（GB1408-78）

试样厚度的测量：对厚度均匀试样，通过击穿点的直径上测三点取平均值；对厚度不均匀试样，以击穿点的厚度来计算。（测量误差不超过1%）

当试样厚度较大时（>3mm），如果击穿电压超过试验变压器的额定电压，或表面闪络难以解决，可将试样削薄。

对于纸或薄膜材料，可将多层试样叠加在一起进行击穿试验。

电极的形状和尺寸选用：

根据能形成比较均匀的电场，能合理地暴露材料的弱点，以及使用方便、节约材料等要求。

如果在空气中进行击穿试验：（把空气和试样看作双层介质）

1）    在交流电场下，电极边缘空气中场强E_a与试样中相邻点的场强E_X之比：

2）    在直流电场下：

由于ε_ra<ε_rx，γ_a<γ_x，则E_a > E_X; 而空气的击穿场强较低，导致电极边缘的空气中先出现局部放电：

发生表面闪络；

边缘电场集中导致试样击穿发生在电极的边缘。

消除措施：将电极边缘做成圆角；

将试样和电极浸入相对介电常数（或电导率）大、击穿场强较高的液体媒质中。常用液体媒质有变压器油，温度较高时采用硅油。不能选用相对介电常数或电导率太大的媒质，以免造成测量误差和设备损坏。如引起媒质本身发热严重、保护电阻上电压降增大、以及试验变压器过载等问题。

液体材料的试样与电极

电极的形式：平板型和球型。（我国现行标准用平板型电极）

注意事项：

1.电极的轴心要对准并保持水平，电极间隙应均匀。

2.电极容器材料不会与被试液体相互作用，常用电瓷或玻璃制成，电极用铜或不锈钢制成。

3.取样时不能让杂质混入，注入液体后静止片刻，避免电极间留有气泡。

升压方式的选择

介电强度试验：电压从零按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逐级升压、60s逐级升压、慢速升压、和极慢速升压。

（1）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。现行标准中规定的升压速度有：100V/s、200V/s、500V/s、1000V/s、2000V/s和5000V/s。

（2）20s逐级升压

施加于试样的电压先以快速升压的速度上升到击穿电压的40%，之后按每级升压值逐级升压，每级停留20s，直到试样击穿为止。

（3）60s逐级升压

与20s逐级升压方式相似，只是每级停留时间为60s。

（4）慢速升压

从快速升压的击穿电压的40%开始，以较慢的速度升压，使击穿过程发生在120~240s内。电压上升速度可选取2V/s、5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s、500V/s和1000V/s 。

（5）极慢速升压

   与慢速升压方式相似，只是击穿过程发生在300~600s内。电压上升速度可选取1V/s、2V/s 5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s。

 电介质的击穿：

概述：

现象：当施加于电介质的电场强度增大到一定程度时，电介质由绝缘状态突变为导电状态，此跃变现象称为电介质的击穿。

表征：介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，

其特征为：

1、介质击穿：电极间的短路现象；是电介质的基本性能之一；决定了电介质在强场下保持绝缘性能的极限能力；成为决定电工、电子设备最终寿命的重要因素。

2、介电强度：绝缘介质所能承受的不产生介质击穿的最大场强。

绝缘技术向高场强方向发展：

3、高压输电；高能粒子加速器；半导体器件；集成电路

4、介质击穿的应用：气隙开关、放电管，局部放电光、热、机械力，等离子体对细胞膜的作用  

介质击穿主要分为热击穿和电击穿两大类

热击穿：由于介质内热的不稳定过程所造成（非本征性质）

与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度有关

电击穿

Ø  是介质在强电场作用下产生的本征物理过程

Ø  度量介质耐受电场作用的能力——耐电强度

Ø  具有可逆与不可逆的击穿形式

气体介质的电击穿

                                  均匀电场中气体的导电特性

A段符合欧姆定律；B段电流饱和；C段电流骤增，击穿

表现形式：火花放电，辉光放电，电晕放电，电弧放电

汤逊理论——碰撞电离

（1）载流子的产生过程

（2）电子附着效应

（3）碰撞电离理论模型

                                    电子雪崩中的电荷分布

（1）载流子的产生过程：碰撞电离，光致电离，热电离，电极表面发射

碰撞电离：碰撞后粒子的变化过程：

① 激发——电子得到能量后，跃迁到更高的能级上，原子、分子成为激发态。

② 电离——电子脱离原子核束缚成为自由电子，失去电子的原子、分子成为离子。

△u_i+A→A⁺+e       △u_i+(AB) →(AB)⁺+e

③ 复合——正离子与电子碰撞复合成中性原子或分子，并放出能量。

A⁺+e→A+△u_i       (AB)⁺+e→(AB) +△u_i

④ 附着——电子与中性原子、分子碰撞，由于原子有较大的电子亲合力而形成负离子，放出能量。A+e→A^-+△u_i          (AB)+e→(AB)^-+ △u_i

外电场使自由电子加速运动，动能增加并与原子（粒子）发生碰撞，当核外电子所获能量大于克服原子核束缚所需能量时，引起碰撞电离。

碰撞电离系数a：一个电子在电场力作用下，走过单位距离所产生的碰撞电离次数。又称汤逊第一电离系数 单位：1/米

电子自由行程x：电子在两次碰撞间所走过的路程。自由行程愈大®电子获得能量愈大®碰撞电离次数增加®碰撞电离系数a增大

式中：p为 压力， A、B 为与E、p无关的函数，E为电场强度。Ap 为a的极限值

离子碰撞电离系数b——汤逊第二电离系数，

由于离子质量大，b << a ，故b对载流子贡献小。

光致电离

频率为n的光照射气体时，当光子能量大于气体分子电离能时：hv≥u_i

可引起气体光致电离：A+hv→A⁺+e

光的来源：

①由外来射线产生，短波射线才有电离气体能力。

②分子从激发态回到基态，或异性离子复合时产生光子。

热电离:按气体分子能量均分原理，气体温度为T时，分子动能：1/2mv2=1/2kT

若两个粒子碰撞时总能量kT≥ui时，气体发生热电离。

热电离是ji高温度下的现象，上万度以上才有显著的热电离发生。

电极表面发射

场致发射：J=AE²e^-B/E

热电子发射：J=AT²e^{(βs√E/kT-ΦD)}

光致发射：hv≥u_i

其他具有足够能量的粒子撞击电极表面，引起电极发射。用系数g反映电极发射的能力，称为汤逊第三电离系数。

功函数小的金属材料作电极，易产生表面发射。

（2）电子附着效应

p  电子亲和力大的元素，吸附电子而形成质量大、速度慢的负离子（氧、SF₆）；

p  使自由电子数减少，电离降低，抑制电流倍增。

p  电子附着系数h：在电场作用下，电子走过单位距离附着于中性粒子的电子数，即生成的负离子数或减少的电子数。

             电离使电子增加dn=n adx,

             附着使电子数减少dn_-=n h dx

     故电子净增为： dn- dn_-= n （a- h ）dx

p  相当于使电离系数a减小。

(3)碰撞电离理论模型

阴极有n₀个电子，经碰撞电离到达阳极产生n_d=n₀e^αd

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