介電強度|擊穿電壓|電氣強度測定儀

介電強度|擊穿電壓|電氣強度測定儀

介電強度|擊穿電壓|電氣強度測定儀參數:

介電強度：

一、概述：

1、定義：絕緣材料或結構，在電場作用下瞬間失去絕緣特性，造成電極間短路，稱為電氣擊穿。絕緣材料或結構發生擊穿時所加的電壓稱為擊穿電壓，擊穿點的場強稱為擊穿場強。

式中：EB—擊穿場強（MV/mm）;UB—在規定試驗條件下，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：--指高壓電器(如高壓絕緣子)在絕緣表面發生的放電現象,稱為表面閃絡,簡稱閃絡.

絕緣閃絡： 絕緣材料在電場作用下，尚未發生絕緣結構的擊穿時，在其表面或與電極接觸的空氣(離子化氣體)中發生的放電現象，稱為絕緣閃絡。

二、影響介電強度的因素：

1、電壓波形 直流、工頻正弦及沖擊電壓下，擊穿機理不同，所測的擊穿場強也不同，工頻交流電壓下的擊穿場強比直流和沖擊電壓下的低得多。

2、電壓作用時間，無論電擊穿還是熱擊穿都需要時間，隨著加壓時間的增長，擊穿電壓明顯下降。

3、電場的均勻性及電壓的極性，電場不均勻往往測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，電極邊緣電場就更不均勻，試樣內部的熱量更不易散發，試樣內部的含有缺陷的幾率增大，這些都會使擊穿場強下降。

5、環境條件  試樣周圍的環境條件，如溫度、濕度以及壓力等都會影響試樣的擊穿場強；溫度升高，通常會使擊穿場強下降；濕度增大，會使擊穿場強下降；氣壓對擊穿場強的影響，主要是對氣體而言。氣壓高，擊穿場強升高；但接近真空時，也會使擊穿場強升高。另外還有：時間、輻射、機械力、電極材料及極性效應。

三、擊穿機理：

1氣體介質擊穿

1）撞擊游離：氣體介質在電場中，由于受輻照、電能、熱能等因素的作用，總會存在少量的離子和電子。

這些帶電質點在電場中運動過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，則可能由于碰撞時能量的交換而使分子或原子產生電離（即使帶電粒子的能量小于電離能，經過多次碰撞也可能使分子發生電離）。氣體分子電離之后，放出的電子又在電場中加速碰撞其它的分子或原子使之產生電離，因此電子 的總數越來越多形成電子崩。同時由于離子的質點大，速度慢，而集聚在陰極的附近，造成陰極附近的電場強度增高，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：在長間隙、高氣壓中的放電，除了撞擊之外，形成放電發展的主要因素是光游離。在電子崩發展到一定階段后，電子崩的前部的離子復合增強，而復合時放出的光子又引起周圍氣體電離，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，這個混合通道稱為流柱。

3）在均勻和不均勻電場中氣體的擊穿電壓，在均勻電場中，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。這種關系規律稱巴申定律。在不均勻電場中，氣體的擊穿電壓將高于氣體起始電離擊穿電壓，因電場強的地方總首先開始局部電離放電，之后才逐漸擴大放電范圍，直到放電貫穿兩電極時才發生擊穿。

2、液體介質的擊穿

1）小橋理論：在液體介質中，含有的各種雜質，如灰塵、纖維、水分等，這些雜質在電場的作用下產生極化并沿著電場方向排列起來，移向電場強度高的地方連成小橋，而使電場發生畸變。造成擊穿電場下降。2）撞擊游離 和氣體電離的理論類似。不過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強度，這說明液體的擊穿場強比氣體高的多。

3、固體材料的電擊穿理論 固體材料的本征擊穿場強比液體材料高得多，一般在50-150兆伏/米由于固體材料聚集很緊，電子在其中的運動就不能簡單地看作單個電子與單個分子或原子相碰撞，而是受周圍許多分子或原子對它的制約。如電子通過晶格時，受晶格質點振動的影響，使運動狀態發生變化，同時也發生能量的轉移，這過程稱散射。當電子的獲得的能量大于損失的能量時，電子就不斷被加速，就會導致擊穿發生。從這點出發提出兩種最主要的電擊穿理論：其一，弗羅利赫（Frohlich）理論，另一個是希伯爾理論。此外，還有許多電擊穿理論，如場致發射擊穿理論，電機械應力破壞理論。

4、固體介質的熱擊穿理論   介質的擊穿因熱因素起決定作用的引起的破壞稱為熱擊穿。

5、局部放電導致擊穿  材料擊穿發生在局部，而沒有貫穿到兩電極之間，這種現象稱為局部放電。

四、試樣、電極、媒質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結果

1）固體材料的試樣

GB1408有規定，如表

一般試樣厚度不要超過3mm，厚度測量誤差最好不要超過1%

2） 測量固體材料用電極：

電極必需是良好的導電、導熱性能；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，管狀試樣內徑小時，可用彈性金屬片、金屬粉末以及導電液體等作為內電極。電極尺寸見表

3）液體材料取樣及電極：

液體介質擊穿試驗用電極有平板和球型兩種。我國現行標準用是平板型電極，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距離不少于22mm.電極距容器內壁各點不少于13mm，電極軸心應對準并保持水平，電極間隙應均勻。電極及容器所用材料應不會和試樣作用，一般用陶瓷或玻璃制成容器，用銅或不銹鋼做電極。

2、媒質：

為防止材料發生表面閃絡，同時也為了避免擊穿發生在電極的邊緣，必須選用相對介電常數（或電導率）比較大的，而且擊穿場強也比較高的材料做媒質。如變壓器油、礦物油和硅油.選用的媒質必須與試樣不會發生相互作用

3、升壓方式：

擊穿場強隨施加電壓的時間的增長而下降；在交流或直流電壓的擊穿試驗中，電壓作用時間體現在升壓方式和升壓速度；而在耐壓試驗中，電壓的作用除與升壓速度有關外，主要還決定于耐壓時間。顯然，電壓作用時間越長對試樣考驗就越嚴格。擊穿試驗升壓方式分三種：連續升壓、逐級升壓和慢升壓。

連續升壓升壓速度

逐級升壓：

慢速升壓：

幾點說明：逐級升壓是讓施加于試樣的電壓先以連續升壓的速度上升到擊穿電壓的50%，之后，按每級升壓值（大約為擊穿電壓的5-10%）逐級升壓，每級停留1分鐘，直到擊穿為止。最后一級的電壓為擊穿電壓。級與級之間升壓時間要盡可能的短，一般不會超過10秒，這一時間應計入后一級的停留時間內。如果擊穿發生在前一級，則應取前一級電壓。慢升壓是先讓施加于試樣的電壓以連續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。而耐壓試驗先以任何升壓速度使施加于試樣的電壓由零上升到試驗電壓的40%，以后以每秒升高試驗電壓3%的速度升到試樣電壓為止；在試驗電壓下保持一定的耐壓時間（1-5min），之后要在5分鐘內將電壓降到試驗電壓的25%，最后切斷電源。

五、工頻電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗：

工頻電壓下絕緣強度和耐壓試驗裝置：高壓試驗變壓器、調壓器、電壓測量系統以及控制和保護裝置等。

1、高壓試驗變壓器：

包括容量、電壓及其波形。容量--根據試樣在試驗電壓下流過的電容電流來計算即：

P=U2ωCx(伏.安)  式中：U--施加電壓有效值（伏）， ω--角頻率，Cx—試樣電容；一般電容量高壓側電流1安以上。

電壓－一般根據試樣電壓來選，單臺變壓器最高電壓等級為750千伏；如果再高實驗電壓就用多臺串聯。實驗電壓波形，一般為正弦波，波形畸變將會影響電壓測量。Um=√2U有效

2、調壓、控制及保護：

1）調壓器 －調節通過接在實驗變壓器和電源之間的調壓器來實現，分：自耦調壓器（通過滑動觸點沿繞阻移動來改變輸出電壓，其特點是體積小、漏抗小、價格也便宜，但由于滑動觸點在電流比較大時會出現火花，因此，一般容量只用于幾千伏安以下，油浸式的可達幾十千伏安）和移圈式調壓器。

2）控制電路 控制線路要實現下列各點要求

（1）只有在試驗人員撤離高壓危險區，并關好安全門之后才能加壓；

（2）升壓必需從零開始；

（3）在試樣發生擊穿時能自動切斷電源；

（4）在自動升壓裝置中還要能控制升壓、降壓及停止等動作。

3）保護和接地（除過電流保護器、安全門開關、調壓器限位開關等外，其他在線路的低壓部分都要接上保護放電器，還需接保護電阻、此外，還要有圍欄、連鎖裝置和信號燈并備有接地棒以保證人身安全）

3、工頻電壓的測量：

工頻高電壓的測量方法分：直接測量高電壓（如利用球隙放電、靜電電壓表、旋轉伏特計等）；將高電壓變換為低電壓測量（互感器、分壓器）；通過測量試驗變壓器本身低壓繞組的電壓來換算出高壓端的試驗電壓。

1）靜電電壓表法－用于試驗電壓不高的情況（200KV）。

2）球隙測量法－此法試驗電壓可以高，但測量麻煩，影響因素較多，裝置的占地面積較大。3）互感器測量法－通過互感器將高壓變低壓進行測量，精度高，但較貴。

4）電容分壓器法－通過串聯電容分壓測出其中低阻抗的電容器上的電壓，可以推算出試驗電壓。

5)測量繞組法－通過變壓器內部繞組，可以按比例把測量電壓算出來。

4、直流電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗：

由于有很多電氣設備是在直流電壓下運行的，有些雖在交流下運行，但由于其電容量很大，工頻試驗變壓器的容量不能滿足要求而又沒有補償電抗器時，采用直流電壓下測定其絕緣強度以替代工頻下的絕緣強度試驗。其測量裝置必需要有一套直流高壓裝置和直流電壓測量系統。直流高電壓可以通過各種方法獲得。一般是通過高壓整流，即先通過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為直流高壓。工頻的升壓及有關的控制、保護裝置與上節所述相同。

5、高壓整流：

絕緣強度試驗用的直流高壓設備應滿足一下要求：

1）電壓等級應滿足試驗電壓要求，我國已有百萬伏以上的直流高壓裝置

2）設備容量應能輸出電流10-20毫安

3）電壓脈動系數小于或等于5%

6、倍壓線路

簡單的整流線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，可以采用倍壓線路。

7、直流高壓的測量

測量方法很多，可用儀表直接測量，也可用分壓器等間接測量。測量的誤差小于3%。對于電壓脈動系數小于或等于5%，可用靜電伏特計和球隙法。旋轉伏特計也可測直流高壓。

介電強度試驗電氣可靠性

電力系統及電氣設備的穩定與可靠性在很大程 度上取決于其絕緣，隨著電力系統額定電壓的提高， 對系統供電可靠性的要求也愈高，系統絕緣在高場 強下正常工作是非常重要的。 中壓電力電纜作為電 力系統中的電氣設備之一，其損壞的大部分原因是 絕緣層擊穿，如常見的熱擊穿、電擊穿和局部放電引 起的擊穿等。 而選擇電氣穩定性可靠的優質絕緣材 料是解決方案之一。

擊穿是絕緣材料的基本電性能之一，它決定了 絕緣材料在電場作用下保持絕緣性能的極限能力。 與電纜不同，絕緣材料通常只考慮電擊穿。 在較低 溫度下，采用消除邊緣效應的電極裝置等嚴格控制 條件下得到的電擊穿場強，稱為介電強度 。 介電強度僅與材料的化學組成及性質有關，是材料的特 性參數之一，反映了絕緣材料耐受電場作用能力的 最大限度，因此可以選擇介電強度作為評價交聯聚 乙烯（XLPE）絕緣料電氣可靠性的試驗參數。

1 樣品選擇

XLPE 絕緣料的耐溫等級通常為 90℃ ，電性能 和機械性能優異。 對于沒有柔軟要求的中壓電纜， 絕緣主要采用 XLPE 料。 行業標準 JB ／ T 10437— 2004規定了 35 kV 及以下的 XLPE 絕緣料的型式 試驗要求。

35 kV 及以下的交聯電纜絕緣料已全實現國 產化，但是業內實際使用的絕緣料有相當一部分仍 采用進口的優質料。 為了選取有行業代表性的樣 品，作者采用來自 6 個不同的生產廠家的 10 kV 及 以下化學交聯聚乙烯絕緣料（YJ-10）。 按行業內口 碑分為進口優質 YJ-10 料兩家（A1，A2），國產優質 YJ-10 料兩家 （ B1， B2）， 國產廉價 YJ-10 料 兩 家 （C1，C2）。 對 6 個樣品按 JB ／ T 10437—2004 標準 進行了型式試驗，結果都符合標準要求（見表 1）。

2 試驗程序

絕 緣 材 料 的 介 電 強 度 試 驗 通 常 按 GB ／ T 1408. 1—2016《絕緣材料電氣強度試驗方法 第 1 部 分：工頻下的試驗》 ［3］ 進行。 此標準規定了使用變 壓器油作為媒質時測試絕緣材料短時介電強度的試 驗方法。 例行的質量控制試驗通常取 5 次試驗的中 值作為介電強度的試驗結果。 然而盡管介電強度是 絕緣材料的特性參數，但試驗數據總帶有一定的隨 機性和分散性，進行電氣可靠性研究時，確定最小樣 本容量以及對試驗結果的分析評定應當用統計學的 方法進行。

同型 式 試 驗 的 要 求 一 致， 本 試 驗 按 GB ／ T 1408. 1—2016 在室溫下進行，采用厚度（1±0. 1）mm 的已交聯試片，垂直放置的上下等直徑 25 mm 圓柱 電極，周圍媒質選擇新鮮的變壓器油，連續升壓速率 為 2 000 V／ s。 按大樣本里面最小樣品數量，試驗 擊穿點選擇 60～70 個之間。 得到了 6 個 YJ-10 絕緣 料的介電強度試驗結果。

3 估計 Weibull 分布參數

Weibull 分 布 是 瑞 典 科 學 家 Weibull （ W. Weibull）1951 年在分析材料強度及鏈條強度時推導 出的一種分布函數。 由于 Weibull 分布對于各種 類型的試驗數據擬合能力很強，例如指數分布只能 適用于偶然失效期，而 Weibull 分布對于浴盆曲線 的三個失效期都能適用，適用性廣、覆蓋性強。 在疲 勞可靠性分析方面有著廣泛應用。

Weibull 分布具有三個分布參數，通過三個分 布參數的不同組合，可以得到各種形狀的曲線，能 描述各種不同的分布類型。 如形狀參數 α＜ 1 時， Weibull 分布可描述伽瑪分布；當 α ＝ 1 時，可描述 指數分布；當 α ＝ 2 時，可描述瑞利（ Rayleigh） 分 布；當 α ＝ 3. 6 時，Weibull 分布的概率密度函數是 嚴格的對稱圖形，可描述正態分布曲線。 因此一 般認為大多數隨機變量或實驗統計數據都服從 Weibull 分布。

Weibull 分布在描述失效模式方面具有更大的 靈活性，形狀參數 α 可給出失效機理［7］ 。 當形狀參 數 α＜1 時，產品的失效率隨時間逐漸減小，為早期 失效；當 α＝ 1 時，產品的失效率不隨時間變化，等于 常數，為偶然失效；當 α＞1 時，產品的失效率隨時間 逐漸增大，為耗損失效。 其中當 1. 0＜α＜4. 0 時，失 效原因可描述為侵蝕失效或大多數樣品失效；α ＞ 4. 0 時，為快速耗損失效，可懷疑材料存在固有屬性 限制、宏觀制造過程缺陷、制造過程和／ 或材料中的 微小易變性等問題。 在設計壽命期如果出現大的 α 值應給予重視，因為它表示此時整個系統存在全失效的風險。

絕緣材料的電擊穿可看做電應力集中源導致的 材料疲勞失效，實驗數據總帶有一定的隨機性和分 散性。 經過多次的實驗研究認為，絕緣材料的電擊 穿用 Weibull 分布規律來描述是比較合適的。

若電場強度 E 是一個非負的隨機變量，F（E）為 單位體積絕緣材料在電場強度升到 E 時發生擊穿 的概率［2］ ，則電場強度升到 E 時不發生擊穿的概率 為 1－ F（E），記作 P（E）＝ 1－ F（E）。 F（E）和 P（E） 用三參數 Weibull 分布函數表示為

函數 F（E） 對 E 的變化率 f（E），稱為 Weibull 分布概率密度，其表達式為

式中：α 為形狀參數，或 Weibull 斜率；E0 為位置參 數；β 為比例參數，或尺度參數。

參數 α 和 β 表示 Weibull 分布的分布特征。 α 為形狀參數，決定了分布曲線的形狀，α 又被稱為 Weibull 斜率，是材料內在的表征參數，與材料的質 量有關，可以描述產品的失效機理，表征材料性能， 描述試驗材料的性能優劣。 參數 β 不能改變曲線的 變化趨勢，但能使曲線的“跨度” 改變，因此決定了 分布的比例或者說尺度，稱為比例參數或尺度參數。 E0 取不同數值，f（E） 曲線的形狀不會改變，僅位置 在平移，故 E0 稱為位置參數。 E0 是擊穿的閾值，是 材料的最小壽命，表示電場強度升到 E0 之前，絕緣 材料不會擊穿，由于絕緣材料的擊穿機理為最小值 失效，所以 E0 值應超過“安全裕度×設計壽命”。

三參數 Weibull 分布的參數估計比較復雜，大 多數估計方法都需要編程計算。 本試驗采用了 EXCEL 估計 Weibull 分布參數的方法［8］ ，失效概率采 用中位秩算法，先給出用相關系數優化法求解三參 數 Weibull 分布位置參數的公式，再將該公式利用 MS EXCEL 中的規劃求解功能進行求解，求得位置 參數 E0 ，同時利用圖表功能求解了形狀參數 α 和尺 度參數 β（見表 2）。

4 解析試驗結果———Weibull 分布圖形

根據表 2 的參數得到了 6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率圖（見圖 1）、Weibull 分布 失效概率圖（見圖 2）和 Weibull 分布失效概率密度 函數圖（見圖 3）。 圖 1 中所有絕緣材料的數據點均 擬合成一條由上向下，從右側漸近于橫軸的光滑曲 線，它們與橫軸交點的可靠性為 0，即全失效時的 介電強度值 Ef。 圖 2 中所有絕緣材料的數據點均 擬合成一條由下向上，從左側漸近于橫軸的光滑曲 線，它們與橫軸交點的可靠性為 100％，即失效性為 0 時的介電強度值 E0 。 圖 3 中所有絕緣材料的數據 點均擬合成或肥頭或肥尾的光滑單峰曲線，這些曲 線近似對稱分布，從左右兩側漸近于橫軸，它們與橫 軸的左側交點就是 E0 值，右側交點就是 Ef 值。

圖 1 6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率曲線圖

5 解析試驗結果

5. 1 形狀參數 α

由表 2 可知，6 個 YJ-10 絕緣料 Weibull 分布的 形狀參數 α 在 2～10 之間，從 A1 到 C2 依次遞增，最 小 2. 14，最大 8. 97。 不同的形狀參數 α，不僅描述 了絕緣料的不同 Weibull 分布曲線形狀，也可分析描述絕緣料失效機理的不同，由此可以區分絕緣料 介電強度性能的優劣。

不同的形狀參數 α，使得 6 個絕緣料呈現出不 同的 Weibull 分布曲線形狀，將圖 3 中 6 個 YJ-10 絕 緣料的 Weibull 分布失效概率密度曲線圖以 A1 的 介電強度峰值 EW中為基準移動，則得到圖 4 中峰頂 值重合的 6 條曲線。 可以看出 2≤α≤3 的 A1、A2 和 B1 絕緣料的 Weibull 分布曲線呈峰值偏左的單 峰肥尾形，α 為 4. 56 的 B2 絕緣料的 Weibull 分布曲 線呈近似對稱分布，而 6≤α≤9 的 C1 和 C2 絕緣料 的 Weibull 分布曲線呈峰值偏右的單峰肥頭形。 這 些不同的曲線形狀，體現了介電強度分布的概率密 度區域不同。

不同的形狀參數 α，也可分析描述絕緣料失效 機理的不同。 由于 6 個絕緣料的 α＞1，絕緣料的介 電強度失效均可描述為耗損失效，這與實際情況相 符。 其中 A1、A2 和 B1 絕緣料的 1. 0＜α＜4. 0，失效 原因可描述為侵蝕失效或大多數樣品失效，意即失 效是擊穿電壓侵蝕外因引起的大多數樣品失效。 B2、C1 和 C2 的 α＞4. 0，除了描述失效原因是耗損失 效外，還暗示為快速耗損失效，可懷疑材料存在固有 屬性限制、宏觀制造過程、制造過程和／ 或材料中的 微小易變性等問題。 在設計壽命期如果出現大的 α 值應給予重視，因為它表示此時整個系統存在全失效的風險。

因此，給出了介電強度 Weibull 分布的形狀參數 α，就確定了 Weibull 分布曲線形狀，也就確定了介電 強度分布的概率密度區域。 形狀參數 α 的大小描述 了樣品的失效機理，即絕緣料介電強度失效為損耗失 效。 其中，1. 0＜α＜4. 0 的 A1、A2 和 B1 絕緣料的介電 強度失效為大多數樣品失效，而 α＞4. 0 的 B2、C1 和 C2 絕緣料的介電強度失效就暗示了是由材料綜合性 能較差引起的快速耗損失效，需要給予重視，看其是 否會增大整個系統全失效的風險。 由此可以得出 結論，相對于 A1、A2 和 B1，絕緣料 B2、C1 和 C2 的介 電強度失效機理更多是由材料較劣質引起的。

5. 2 尺度參數 β

由表 2 和圖 4 可知，6 個 YJ-10 絕緣料 Weibull 分布的尺度參數 β 在 10～40 之間，從 A1 到 C2 依次 遞增，最小 11. 52，最大 36. 16。 一般來說，尺度參數 β 不能改變 Weibull 分布的形狀，只能影響曲線的尺 度，β 越大，曲線越平坦。 從圖 4 可見，6 個 YJ-10 絕 緣料的 Weibull 分布失效概率曲線的寬度隨 β 的增 大而增大，但曲線的高度并未單純隨 β 的增大而降 低。 仔細觀察圖 4 中曲線的形狀，可以發現峰的高 度和曲線的寬度與 β ／ α 比值有關（見表 3）。 β ／ α 比 值較小的 B1 和 C2 峰最高最窄，β ／ a 比值最大的 C1 峰低最寬。 這說明，在形狀參數 α 不變的情況 下，尺度參數 β 僅能影響曲線的尺度，而對不同樣品 的 Weibull 分布來說，形狀參數 α 和尺度參數 β 共 同影響了曲線的分布。 而一旦形狀參數 α 確定，分 布的寬度越小，說明 Weibull 分布失效概率區域越 集中，這時就希望有較小的尺度參數 β。

5. 3 位置參數 E₀

6 個 YJ-10 絕緣料的位置參數 E0 ，也即擊穿電 場強度的最小閾值，有 4 個分布在 30 ～ 40 kV／ mm 之間，有 2 個分布在 14 ～ 16 kV／ mm 之間。 如果行 業各方能確定中壓電纜絕緣料 YJ-10 的低工頻電 壓破壞強度 EL（ac） ，譬如，JB ／ T 10437—2004 標準中 介電強度要求不小于 25 MV／ m， GB ／ T 1408. 1— 2006 標準中要求任何一次試驗結果不能偏離中值 15％以上。 如果某 YJ-10 絕緣料的介電強度中值為 25 MV／ m，則試驗結果中最小值應不小于 25 ×（1 － 15％） ＝ 21. 25 MV／ m。 如果將 21. 25 MV／ m 作為 YJ-10 絕緣料的低工頻電壓破壞強度 EL（ac） ，那么 EL（ac）應該為最小閾值 E0 的下限值，則有 E0≥21. 25 MV／ m，那么 6 個 YJ-10 絕緣料中只有 A1、A2、B1 和 B2 滿足要求，而 C1 和 C2 不滿足要求。 當然此處 的 21. 25 MV／ m 僅為舉例，實際使用中最小閾值 E0 的下限值 EL（ac）應由行業各方共同確定。

由于電纜擊穿模式是最薄弱環節失效，不管所 用絕緣料介電強度的中值或平均值是多少，擊穿發 生時的介電強度值總是該絕緣料的最小介電強度 值。 從這個意義上講，電纜的電氣可靠性評估與絕 緣料 Weibull 分布參數中介電強度最小閾值 E0 的 大小密切相關。 由圖 1 也可以看到， A1 和 A2、B1 和 B2 與 C1 和 C2 絕緣料電氣可靠性概率為 100％ （失效概率為 0％） 時對應的介電強度是依次遞減 的，如果相應的介電強度遞減到最小閾值 E0 以下， 則可判定該絕緣料電氣可靠性較差。 由此，可用最 小閾值 E0 評估 YJ-10 絕緣料在電氣可靠性方面的 優劣。

6 描述絕緣料介電強度試驗的參數

根據估計的分布參數，得到 6 個 YJ-10 絕緣料 介電強度試驗的 Weibull 分布可靠性概率曲線圖 （圖 1）、 Weibull 分布失效概率曲線圖 （ 圖 2） 和 Weibull 分布失效概率密度曲線圖（圖 3）。 從圖中 可見，6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率 是隨著電壓升高遞減的，同時失效概率是隨著電壓 升高遞增的。 這與絕緣料實際失效情況是吻合的， 說明絕緣材料介電強度實驗統計數據服從 Weibull 分布，絕緣材料的電擊穿用 Weibull 分布規律來描 述是比較合適的。

圖 3 中的 6 條曲線，根據自身的形狀參數 α、尺 度參數 β、位置參數 E0 ，呈現出以各自峰值 EW峰為峰 頂的單峰形狀。 由于 EW峰 值不同，6 條曲線幾乎都 不全重疊。 其中以 B1 的 EW峰 值最小，所以 B1 曲線在圖 3 中 6 條曲線的最左邊，其失效概率密度的 分布區域 E 值總體最小，而 B2、C1 和 C2 由于峰值 EW峰較大，其曲線在圖 3 中 6 條曲線的最右邊，相對 而言，盡管其形狀參數 α 和尺度參數 β 較大、位置參 數 E0 較小，其失效概率密度的分布區域 E 值總體 并不小。 也就是說僅用 EW峰值來表述 YJ-10 絕緣料 的介電強度試驗是不完整的，但如果忽略掉參數 EW峰值，僅用 Weibull 分布的三參數來表述也是有失 偏頗的。 因此我們建議用 Weibull 分布的三參數形 狀參數 α、尺度參數 β、位置參數 E0 和峰值 EW峰共同 描述絕緣料的介電強度試驗比較合適。

7 結 論

試驗所用的樣品很有代表性，基本上覆蓋了業 內絕緣料的質量分布區間。 樣品分別來自 6 個不同的生產廠家，進口優質料有兩家，國產優質料 有兩家，國產廉價料有兩家。 其中，進口優質料和國 產廉價料購自市場，國產優質料由筆者在生產現場 監制并封樣。 這些樣品采用介電強度試驗 Weibull 分布參數評估的電氣可靠性優劣情況與業內實際使 用情況相符。 因此， “采用介電強度試驗 Weibull 分 布參數評估絕緣料電氣可靠性的方法”能夠 反映當前國內的實際情況，研究結果具有代表性。 對 6 個絕緣料的型式試驗結果和 Weibull 分 布的參數和圖形進行了分析，得出了以下分析結論：

（1） 6 個 YJ-10 絕緣料型式試驗的結果都符合 JB ／ T 10437—2004 標準要求。

（2） 從 6 個 YJ-10 絕緣料介電強度的 Weibull 分布圖中可見，6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可 靠性概率是隨著電壓升高遞減的，同時失效概率是 隨著電壓升高遞增的。 這與絕緣料實際失效情況是 吻合的，說明絕緣材料介電強度實驗統計數據服從 Weibull 分布，絕緣材料的電擊穿用 Weibull 分布規 律來描述是比較合適的。

（3） 6 個 YJ-10 絕緣料介電強度的 Weibull 分 布形狀參數 α＞1，說明 6 個 YJ-10 絕緣料介電強度 失效為損耗失效。 其中，1. 0 ＜α＜ 4. 0 的 A1、A2 和 B1 絕緣料的介電強度失效為大多數樣品失效，而 α＞4. 0 的 B2、C1 和 C2 的絕緣料介電強度失效就暗 示了是由材料綜合性能較差引起的快速耗損失效， 需要重視其是否會增大整個系統全失效的風險。 由此可以得出結論，相對于 A1、A2 和 B1，絕緣料 B2、C1 和 C2 的介電強度失效機理更多是由材料較 劣質引起的。

（4） 形狀參數 α 不變的情況下，尺度參數 β 僅能影響曲線的尺度，而對不同樣品的 Weibull 分布 來說，形狀參數 α 和尺度參數 β 共同影響了曲線的 分布。 而一旦形狀參數 α 確定，分布的寬度越小， 說明 Weibull 分布失效概率區域越集中，這時就希 望有較小的尺度參數 β。

（5） 由于電纜擊穿模式是最薄弱環節失效，不 管所用絕緣料介電強度的中值或平均值是多少，擊 穿發生時的介電強度值總是該絕緣料的最小介電強 度值。 從這個意義上講，電纜的電氣可靠性評估與 絕緣料的 Weibull 分布參數中介電強度最小閾值 E0 的大小密切相關。 由圖 1 也可見， A1 和 A2、B1 和 B2 與 C1 和 C2 絕緣料電氣可靠性概率為 100％（失 效概率為 0％）時對應的介電強度是依次遞減的，若 相應的介電強度遞減到最小閾值 E0 以下，則可判定 該絕緣料電氣可靠性較差。 由此，可用最小閾值 E0 評估 YJ-10 絕緣料在電氣可靠性方面的優劣。

（6） 用 Weibull 分布的三參數即形狀參數 α、尺 度參數 β、位置參數 E0 和峰值 EW峰 共同描述 YJ-10 絕緣料的介電強度試驗是合適的。

以上分析表明，我們得到了一種快速檢測 YJ10 絕緣料電氣可靠性的方法，可用以下程序按此方 法評估和鑒別原材料優劣：對目標 YJ-10 絕緣料進 行介電強度試驗，應用 Weibull 分布對試驗數據進 行擬合計算，得到 Weibull 分布的三參數即形狀參 數 α、尺度參數 β、位置參數 E0 和 Weibull 分布的介 電強度峰值 EW峰。 期望的較優質中壓電纜 YJ-10 絕 緣料介電強度試驗參數應滿足如下要求：

（1） 形狀參數 α 在 1. 0＜α＜4. 0 區間內；

（2） 尺度參數 β 較小（本次 6 個樣品 β 的中間 值為 16，平均值為 21）；

（3） 位置參數 E0 應大于限定值，該限定值應為低工頻電壓破壞強度 EL（ac）（按 JB ／ T 10437—2004 標準 EL（ac） 可為 21. 25 MV／ m，作為參考，電線電纜 手冊（第一冊 2008 版） 表 3-3-10 列出了額定電壓 66～500 kV 交聯聚乙烯電纜通過 Weibull 曲線求出 的 EL（ac） ）；

（4） 介電強度峰值 EW峰 大于限定值（本次 6 個 樣品 Weibull 分布的平均值 EW平為 47. 4 MV／ m）。