漆包线交直流介电强度测定仪

漆包线交直流介电强度测定仪

一、概述

漆包线交直流介电强度测定仪主要适用于固体绝缘材料如树脂和胶、浸渍纤维制品、云母及其制品、塑料复合制品、陶瓷和玻璃等介质在工频电压或直流电压下击穿强度和耐电压时间的测试；该仪器采用计算机控制，可对试验过程中的各种数据进行快速、准确的采集、处理，并可存取、显示、打印。本仪器是测试有关产品耐电压击穿强度的重要仪器。依靠该仪器提供的模拟试验条件，可以直观、准确、快速、可靠地对各种被测对象进行击穿电压，漏电流等各项测试。仪器采用触摸屏和计算机双重操控，可以方便地把试验结果进行数据存储、处理、曲线显示及打印。本仪器经过多年不断改进完善，日趋成熟，具有很高的安全性和可靠性，受到了用户的好评。
二、

三、安全说明

由于试验经常是在高电压条件下进行，为确保操作者安全。本仪器采用如下保护设计。

1、前端装有空气开关做过流保护；（设定值20A.）；

2、试验箱采用具有良好绝缘特性的有机玻璃制成。北京智德创新检测仪器测试电压头安全放电距离对四周均大于200mm；（350mm），试验时箱壁对操作者构成良好防护墙，以确保安全；

3、试验变压器高压侧尾端及仪器外壳均已安全接地；

4、电路上设有过流保护、过压保护，（要求：北京智德创新检测仪器器主机电源和计算机电源必须同相）；

5、报警灯信息解释：

(1)试验箱门打开绿色灯亮，代表可以进行更换试样操作。

(2)试验箱门关闭黄色指示灯亮代表可以开始试验。

(3)试验开始后高压大于0.5KV时红灯点亮，代表高压警示。

(4)直流试验结束，高压放电。或手动放电时。蜂鸣器响起报警灯闪烁。

6、四级安全断电控制：

⑴漏电保护器（空开）

⑵总电源开关（急停）

⑶调压器复位开关

⑷试验箱门安全开关

特别提示：安装北京智德创新检测仪器器的试验室必须装备符合国家相关标准要求的接大地保护线；

接地保护线端子位于主机后板左下,（接地电阻小于4欧姆。）

输入电源功率：北京智德创新检测仪器ZJC-50kV型不低于3kVA

介电强度试验电气可靠性

电力系统及电气设备的稳定与可靠性在很大程 度上取决于其绝缘，随着电力系统额定电压的提高， 对系统供电可靠性的要求也愈高，系统绝缘在高场 强下正常工作是非常重要的。 中压电力电缆作为电 力系统中的电气设备之一，其损坏的大部分原因是 绝缘层击穿，如常见的热击穿、电击穿和局部放电引 起的击穿等。 而选择电气稳定性可靠的优质绝缘材 料是解决方案之一。

击穿是绝缘材料的基本电性能之一，它决定了 绝缘材料在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。 与电缆不同，绝缘材料通常只考虑电击穿。 在较低 温度下，采用消除边缘效应的电极装置等严格控制 条件下得到的电击穿场强，称为介电强度 。 介电强度仅与材料的化学组成及性质有关，是材料的特 性参数之一，反映了绝缘材料耐受电场作用能力的 最大限度，因此可以选择介电强度作为评价交联聚 乙烯（XLPE）绝缘料电气可靠性的试验参数。

1 样品选择

XLPE 绝缘料的耐温等级通常为 90℃ ，电性能 和机械性能优异。 对于没有柔软要求的中压电缆， 绝缘主要采用 XLPE 料。 行业标准 JB ／ T 10437— 2004规定了 35 kV 及以下的 XLPE 绝缘料的型式 试验要求。

35 kV 及以下的交联电缆绝缘料已全实现国 产化，但是业内实际使用的绝缘料有相当一部分仍 采用进口的优质料。 为了选取有行业代表性的样 品，作者采用来自 6 个不同的生产厂家的 10 kV 及 以下化学交联聚乙烯绝缘料（YJ-10）。 按行业内口 碑分为进口优质 YJ-10 料两家（A1，A2），国产优质 YJ-10 料两家 （ B1， B2）， 国产廉价 YJ-10 料 两 家 （C1，C2）。 对 6 个样品按 JB ／ T 10437—2004 标准 进行了型式试验，结果都符合标准要求（见表 1）。

2 试验程序

绝 缘 材 料 的 介 电 强 度 试 验 通 常 按 GB ／ T 1408. 1—2016《绝缘材料电气强度试验方法 第 1 部 分：工频下的试验》 ［3］ 进行。 此标准规定了使用变 压器油作为媒质时测试绝缘材料短时介电强度的试 验方法。 例行的质量控制试验通常取 5 次试验的中 值作为介电强度的试验结果。 然而尽管介电强度是 绝缘材料的特性参数，但试验数据总带有一定的随 机性和分散性，进行电气可靠性研究时，确定最小样 本容量以及对试验结果的分析评定应当用统计学的 方法进行。

同型 式 试 验 的 要 求 一 致， 本 试 验 按 GB ／ T 1408. 1—2016 在室温下进行，采用厚度（1±0. 1）mm 的已交联试片，垂直放置的上下等直径 25 mm 圆柱 电极，周围媒质选择新鲜的变压器油，连续升压速率 为 2 000 V／ s。 按大样本里面最小样品数量，试验 击穿点选择 60～70 个之间。 得到了 6 个 YJ-10 绝缘 料的介电强度试验结果。

3 估计 Weibull 分布参数

Weibull 分 布 是 瑞 典 科 学 家 Weibull （ W. Weibull）1951 年在分析材料强度及链条强度时推导 出的一种分布函数。 由于 Weibull 分布对于各种 类型的试验数据拟合能力很强，例如指数分布只能 适用于偶然失效期，而 Weibull 分布对于浴盆曲线 的三个失效期都能适用，适用性广、覆盖性强。 在疲 劳可靠性分析方面有着广泛应用。

Weibull 分布具有三个分布参数，通过三个分 布参数的不同组合，可以得到各种形状的曲线，能 描述各种不同的分布类型。 如形状参数 α＜ 1 时， Weibull 分布可描述伽玛分布；当 α ＝ 1 时，可描述 指数分布；当 α ＝ 2 时，可描述瑞利（ Rayleigh） 分 布；当 α ＝ 3. 6 时，Weibull 分布的概率密度函数是 严格的对称图形，可描述正态分布曲线。 因此一 般认为大多数随机变量或实验统计数据都服从 Weibull 分布。

Weibull 分布在描述失效模式方面具有更大的 灵活性，形状参数 α 可给出失效机理［7］ 。 当形状参 数 α＜1 时，产品的失效率随时间逐渐减小，为早期 失效；当 α＝ 1 时，产品的失效率不随时间变化，等于 常数，为偶然失效；当 α＞1 时，产品的失效率随时间 逐渐增大，为耗损失效。 其中当 1. 0＜α＜4. 0 时，失 效原因可描述为侵蚀失效或大多数样品失效；α ＞ 4. 0 时，为快速耗损失效，可怀疑材料存在固有属性 限制、宏观制造过程缺陷、制造过程和／ 或材料中的 微小易变性等问题。 在设计寿命期如果出现大的 α 值应给予重视，因为它表示此时整个系统存在全失效的风险。

绝缘材料的电击穿可看做电应力集中源导致的 材料疲劳失效，实验数据总带有一定的随机性和分 散性。 经过多次的实验研究认为，绝缘材料的电击 穿用 Weibull 分布规律来描述是比较合适的。

若电场强度 E 是一个非负的随机变量，F（E）为 单位体积绝缘材料在电场强度升到 E 时发生击穿 的概率［2］ ，则电场强度升到 E 时不发生击穿的概率 为 1－ F（E），记作 P（E）＝ 1－ F（E）。 F（E）和 P（E） 用三参数 Weibull 分布函数表示为

函数 F（E） 对 E 的变化率 f（E），称为 Weibull 分布概率密度，其表达式为

式中：α 为形状参数，或 Weibull 斜率；E0 为位置参 数；β 为比例参数，或尺度参数。

参数 α 和 β 表示 Weibull 分布的分布特征。 α 为形状参数，决定了分布曲线的形状，α 又被称为 Weibull 斜率，是材料内在的表征参数，与材料的质 量有关，可以描述产品的失效机理，表征材料性能， 描述试验材料的性能优劣。 参数 β 不能改变曲线的 变化趋势，但能使曲线的“跨度” 改变，因此决定了 分布的比例或者说尺度，称为比例参数或尺度参数。 E0 取不同数值，f（E） 曲线的形状不会改变，仅位置 在平移，故 E0 称为位置参数。 E0 是击穿的阈值，是 材料的最小寿命，表示电场强度升到 E0 之前，绝缘 材料不会击穿，由于绝缘材料的击穿机理为最小值 失效，所以 E0 值应超过“安全裕度×设计寿命”。

三参数 Weibull 分布的参数估计比较复杂，大 多数估计方法都需要编程计算。 本试验采用了 EXCEL 估计 Weibull 分布参数的方法［8］ ，失效概率采 用中位秩算法，先给出用相关系数优化法求解三参 数 Weibull 分布位置参数的公式，再将该公式利用 MS EXCEL 中的规划求解功能进行求解，求得位置 参数 E0 ，同时利用图表功能求解了形状参数 α 和尺 度参数 β（见表 2）。

4 解析试验结果———Weibull 分布图形

根据表 2 的参数得到了 6 个 YJ-10 绝缘料的 Weibull 分布可靠性概率图（见图 1）、Weibull 分布 失效概率图（见图 2）和 Weibull 分布失效概率密度 函数图（见图 3）。 图 1 中所有绝缘材料的数据点均 拟合成一条由上向下，从右侧渐近于横轴的光滑曲 线，它们与横轴交点的可靠性为 0，即全失效时的 介电强度值 Ef。 图 2 中所有绝缘材料的数据点均 拟合成一条由下向上，从左侧渐近于横轴的光滑曲 线，它们与横轴交点的可靠性为 100％，即失效性为 0 时的介电强度值 E0 。 图 3 中所有绝缘材料的数据 点均拟合成或肥头或肥尾的光滑单峰曲线，这些曲 线近似对称分布，从左右两侧渐近于横轴，它们与横 轴的左侧交点就是 E0 值，右侧交点就是 Ef 值。

图 1 6 个 YJ-10 绝缘料的 Weibull 分布可靠性概率曲线图

5 解析试验结果

5. 1 形状参数 α

由表 2 可知，6 个 YJ-10 绝缘料 Weibull 分布的 形状参数 α 在 2～10 之间，从 A1 到 C2 依次递增，最 小 2. 14，最大 8. 97。 不同的形状参数 α，不仅描述 了绝缘料的不同 Weibull 分布曲线形状，也可分析描述绝缘料失效机理的不同，由此可以区分绝缘料 介电强度性能的优劣。

不同的形状参数 α，使得 6 个绝缘料呈现出不 同的 Weibull 分布曲线形状，将图 3 中 6 个 YJ-10 绝 缘料的 Weibull 分布失效概率密度曲线图以 A1 的 介电强度峰值 EW中为基准移动，则得到图 4 中峰顶 值重合的 6 条曲线。 可以看出 2≤α≤3 的 A1、A2 和 B1 绝缘料的 Weibull 分布曲线呈峰值偏左的单 峰肥尾形，α 为 4. 56 的 B2 绝缘料的 Weibull 分布曲 线呈近似对称分布，而 6≤α≤9 的 C1 和 C2 绝缘料 的 Weibull 分布曲线呈峰值偏右的单峰肥头形。 这 些不同的曲线形状，体现了介电强度分布的概率密 度区域不同。

不同的形状参数 α，也可分析描述绝缘料失效 机理的不同。 由于 6 个绝缘料的 α＞1，绝缘料的介 电强度失效均可描述为耗损失效，这与实际情况相 符。 其中 A1、A2 和 B1 绝缘料的 1. 0＜α＜4. 0，失效 原因可描述为侵蚀失效或大多数样品失效，意即失 效是击穿电压侵蚀外因引起的大多数样品失效。 B2、C1 和 C2 的 α＞4. 0，除了描述失效原因是耗损失 效外，还暗示为快速耗损失效，可怀疑材料存在固有 属性限制、宏观制造过程、制造过程和／ 或材料中的 微小易变性等问题。 在设计寿命期如果出现大的 α 值应给予重视，因为它表示此时整个系统存在全失效的风险。

因此，给出了介电强度 Weibull 分布的形状参数 α，就确定了 Weibull 分布曲线形状，也就确定了介电 强度分布的概率密度区域。 形状参数 α 的大小描述 了样品的失效机理，即绝缘料介电强度失效为损耗失 效。 其中，1. 0＜α＜4. 0 的 A1、A2 和 B1 绝缘料的介电 强度失效为大多数样品失效，而 α＞4. 0 的 B2、C1 和 C2 绝缘料的介电强度失效就暗示了是由材料综合性 能较差引起的快速耗损失效，需要给予重视，看其是 否会增大整个系统全失效的风险。 由此可以得出 结论，相对于 A1、A2 和 B1，绝缘料 B2、C1 和 C2 的介 电强度失效机理更多是由材料较劣质引起的。

5. 2 尺度参数 β

由表 2 和图 4 可知，6 个 YJ-10 绝缘料 Weibull 分布的尺度参数 β 在 10～40 之间，从 A1 到 C2 依次 递增，最小 11. 52，最大 36. 16。 一般来说，尺度参数 β 不能改变 Weibull 分布的形状，只能影响曲线的尺 度，β 越大，曲线越平坦。 从图 4 可见，6 个 YJ-10 绝 缘料的 Weibull 分布失效概率曲线的宽度随 β 的增 大而增大，但曲线的高度并未单纯随 β 的增大而降 低。 仔细观察图 4 中曲线的形状，可以发现峰的高 度和曲线的宽度与 β ／ α 比值有关（见表 3）。 β ／ α 比 值较小的 B1 和 C2 峰最高最窄，β ／ a 比值最大的 C1 峰低最宽。 这说明，在形状参数 α 不变的情况 下，尺度参数 β 仅能影响曲线的尺度，而对不同样品 的 Weibull 分布来说，形状参数 α 和尺度参数 β 共 同影响了曲线的分布。 而一旦形状参数 α 确定，分 布的宽度越小，说明 Weibull 分布失效概率区域越 集中，这时就希望有较小的尺度参数 β。

5. 3 位置参数 E₀

6 个 YJ-10 绝缘料的位置参数 E0 ，也即击穿电 场强度的最小阈值，有 4 个分布在 30 ～ 40 kV／ mm 之间，有 2 个分布在 14 ～ 16 kV／ mm 之间。 如果行 业各方能确定中压电缆绝缘料 YJ-10 的低工频电 压破坏强度 EL（ac） ，譬如，JB ／ T 10437—2004 标准中 介电强度要求不小于 25 MV／ m， GB ／ T 1408. 1— 2006 标准中要求任何一次试验结果不能偏离中值 15％以上。 如果某 YJ-10 绝缘料的介电强度中值为 25 MV／ m，则试验结果中最小值应不小于 25 ×（1 － 15％） ＝ 21. 25 MV／ m。 如果将 21. 25 MV／ m 作为 YJ-10 绝缘料的低工频电压破坏强度 EL（ac） ，那么 EL（ac）应该为最小阈值 E0 的下限值，则有 E0≥21. 25 MV／ m，那么 6 个 YJ-10 绝缘料中只有 A1、A2、B1 和 B2 满足要求，而 C1 和 C2 不满足要求。 当然此处 的 21. 25 MV／ m 仅为举例，实际使用中最小阈值 E0 的下限值 EL（ac）应由行业各方共同确定。

由于电缆击穿模式是最薄弱环节失效，不管所 用绝缘料介电强度的中值或平均值是多少，击穿发 生时的介电强度值总是该绝缘料的最小介电强度 值。 从这个意义上讲，电缆的电气可靠性评估与绝 缘料 Weibull 分布参数中介电强度最小阈值 E0 的 大小密切相关。 由图 1 也可以看到， A1 和 A2、B1 和 B2 与 C1 和 C2 绝缘料电气可靠性概率为 100％ （失效概率为 0％） 时对应的介电强度是依次递减 的，如果相应的介电强度递减到最小阈值 E0 以下， 则可判定该绝缘料电气可靠性较差。 由此，可用最 小阈值 E0 评估 YJ-10 绝缘料在电气可靠性方面的 优劣。

6 描述绝缘料介电强度试验的参数

根据估计的分布参数，得到 6 个 YJ-10 绝缘料 介电强度试验的 Weibull 分布可靠性概率曲线图 （图 1）、 Weibull 分布失效概率曲线图 （ 图 2） 和 Weibull 分布失效概率密度曲线图（图 3）。 从图中 可见，6 个 YJ-10 绝缘料的 Weibull 分布可靠性概率 是随着电压升高递减的，同时失效概率是随着电压 升高递增的。 这与绝缘料实际失效情况是吻合的， 说明绝缘材料介电强度实验统计数据服从 Weibull 分布，绝缘材料的电击穿用 Weibull 分布规律来描 述是比较合适的。

图 3 中的 6 条曲线，根据自身的形状参数 α、尺 度参数 β、位置参数 E0 ，呈现出以各自峰值 EW峰为峰 顶的单峰形状。 由于 EW峰 值不同，6 条曲线几乎都 不全重叠。 其中以 B1 的 EW峰 值最小，所以 B1 曲线在图 3 中 6 条曲线的最左边，其失效概率密度的 分布区域 E 值总体最小，而 B2、C1 和 C2 由于峰值 EW峰较大，其曲线在图 3 中 6 条曲线的最右边，相对 而言，尽管其形状参数 α 和尺度参数 β 较大、位置参 数 E0 较小，其失效概率密度的分布区域 E 值总体 并不小。 也就是说仅用 EW峰值来表述 YJ-10 绝缘料 的介电强度试验是不完整的，但如果忽略掉参数 EW峰值，仅用 Weibull 分布的三参数来表述也是有失 偏颇的。 因此我们建议用 Weibull 分布的三参数形 状参数 α、尺度参数 β、位置参数 E0 和峰值 EW峰共同 描述绝缘料的介电强度试验比较合适。

7 结 论

试验所用的样品很有代表性，基本上覆盖了业 内绝缘料的质量分布区间。 样品分别来自 6 个不同的生产厂家，进口优质料有两家，国产优质料 有两家，国产廉价料有两家。 其中，进口优质料和国 产廉价料购自市场，国产优质料由笔者在生产现场 监制并封样。 这些样品采用介电强度试验 Weibull 分布参数评估的电气可靠性优劣情况与业内实际使 用情况相符。 因此， “采用介电强度试验 Weibull 分 布参数评估绝缘料电气可靠性的方法”能够 反映当前国内的实际情况，研究结果具有代表性。 对 6 个绝缘料的型式试验结果和 Weibull 分 布的参数和图形进行了分析，得出了以下分析结论：

（1） 6 个 YJ-10 绝缘料型式试验的结果都符合 JB ／ T 10437—2004 标准要求。

（2） 从 6 个 YJ-10 绝缘料介电强度的 Weibull 分布图中可见，6 个 YJ-10 绝缘料的 Weibull 分布可 靠性概率是随着电压升高递减的，同时失效概率是 随着电压升高递增的。 这与绝缘料实际失效情况是 吻合的，说明绝缘材料介电强度实验统计数据服从 Weibull 分布，绝缘材料的电击穿用 Weibull 分布规 律来描述是比较合适的。

（3） 6 个 YJ-10 绝缘料介电强度的 Weibull 分 布形状参数 α＞1，说明 6 个 YJ-10 绝缘料介电强度 失效为损耗失效。 其中，1. 0 ＜α＜ 4. 0 的 A1、A2 和 B1 绝缘料的介电强度失效为大多数样品失效，而 α＞4. 0 的 B2、C1 和 C2 的绝缘料介电强度失效就暗 示了是由材料综合性能较差引起的快速耗损失效， 需要重视其是否会增大整个系统全失效的风险。 由此可以得出结论，相对于 A1、A2 和 B1，绝缘料 B2、C1 和 C2 的介电强度失效机理更多是由材料较 劣质引起的。

（4） 形状参数 α 不变的情况下，尺度参数 β 仅能影响曲线的尺度，而对不同样品的 Weibull 分布 来说，形状参数 α 和尺度参数 β 共同影响了曲线的 分布。 而一旦形状参数 α 确定，分布的宽度越小， 说明 Weibull 分布失效概率区域越集中，这时就希 望有较小的尺度参数 β。

（5） 由于电缆击穿模式是最薄弱环节失效，不 管所用绝缘料介电强度的中值或平均值是多少，击 穿发生时的介电强度值总是该绝缘料的最小介电强 度值。 从这个意义上讲，电缆的电气可靠性评估与 绝缘料的 Weibull 分布参数中介电强度最小阈值 E0 的大小密切相关。 由图 1 也可见， A1 和 A2、B1 和 B2 与 C1 和 C2 绝缘料电气可靠性概率为 100％（失 效概率为 0％）时对应的介电强度是依次递减的，若 相应的介电强度递减到最小阈值 E0 以下，则可判定 该绝缘料电气可靠性较差。 由此，可用最小阈值 E0 评估 YJ-10 绝缘料在电气可靠性方面的优劣。

（6） 用 Weibull 分布的三参数即形状参数 α、尺 度参数 β、位置参数 E0 和峰值 EW峰 共同描述 YJ-10 绝缘料的介电强度试验是合适的。

以上分析表明，我们得到了一种快速检测 YJ10 绝缘料电气可靠性的方法，可用以下程序按此方 法评估和鉴别原材料优劣：对目标 YJ-10 绝缘料进 行介电强度试验，应用 Weibull 分布对试验数据进 行拟合计算，得到 Weibull 分布的三参数即形状参 数 α、尺度参数 β、位置参数 E0 和 Weibull 分布的介 电强度峰值 EW峰。 期望的较优质中压电缆 YJ-10 绝 缘料介电强度试验参数应满足如下要求：

（1） 形状参数 α 在 1. 0＜α＜4. 0 区间内；

（2） 尺度参数 β 较小（本次 6 个样品 β 的中间 值为 16，平均值为 21）；

（3） 位置参数 E0 应大于限定值，该限定值应为低工频电压破坏强度 EL（ac）（按 JB ／ T 10437—2004 标准 EL（ac） 可为 21. 25 MV／ m，作为参考，电线电缆 手册（第一册 2008 版） 表 3-3-10 列出了额定电压 66～500 kV 交联聚乙烯电缆通过 Weibull 曲线求出 的 EL（ac） ）；

（4） 介电强度峰值 EW峰 大于限定值（本次 6 个 样品 Weibull 分布的平均值 EW平为 47. 4 MV／ m）。