ZJC-100E工頻電壓擊穿強度試驗機（計算機控制）

一、 試驗設備與裝置

試驗設備與裝置：高壓試驗變壓器、調(diào)壓器以及控制線路和保護裝置。

    （1）高壓試驗變壓器：

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

絕緣材料擊穿試驗通常選取容量為10kV?A的變壓器。

對與大電容試樣的耐壓試驗，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時的1/500。）

B.變壓器的電壓

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

                                         串接變壓器原理圖

兩臺變壓器串接輸出的視在功率：S=2UI

設備容量的利用率：2UI/3UI=2/3

注意：串接的級數(shù)增加，輸出的電壓增高，但設備容量的利用率降低。

對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或改變試驗電壓的頻率，達到諧振：

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度試驗結果：

ü  高次諧波會降低擊穿場強；

ü  擊穿決定于電壓的峰值，而測量的電壓是有效值，若波形畸變，則同一峰值電壓測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系；b)磁通及激磁電流的波形

試驗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，波形畸變越嚴重。在調(diào)壓器和試驗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：借助于一個滑動觸點沿著繞組移動來改變輸出電壓。

優(yōu)點：結構簡單、體積小、漏抗小、價格便宜。

缺點：輸出電流較大時，觸點在移動過程中因接觸不好會產(chǎn)生火花。

B.  移圈調(diào)壓器（容量較大）

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

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

缺點：漏抗較大，波形易產(chǎn)生畸變。

移圈調(diào)壓器結構圖                    移圈調(diào)壓器原理圖

（3）控制線路

滿足要求：

只有在試驗人員撤離高壓試驗區(qū)，并關好安全門之后，才能加上電壓進行試驗。

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，能自動切斷電源；在自動控制線路中，能自動是電壓下降到零。

計算機在介電強度試驗的控制系統(tǒng)中應用：采用單片機或微機控制步進電動機帶動調(diào)壓器實現(xiàn)升壓、降壓過程。

（4）保護和接地

在試驗回路的低壓部分可能出現(xiàn)高電壓的地方接上放電間隙。  

在高壓測試回路中應接保護電阻。

接地點和接地體的連接線應采用盡量短的多股線，以減小電阻和電感。

高壓試驗區(qū)應裝有保護圍欄，并備有接地棒。

 工頻高電壓的測量

測量方法：靜電電壓表法、球隙測量法、互感器測量法、分壓器法、測量繞組法。

（要求測量誤差不超過3%，測量用儀表一般要求為0.5級）

固體電介質(zhì)擊穿的形式：電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿。

（1）電擊穿：

由碰撞游離形成電子崩，當電子崩足夠強時，破壞介質(zhì)晶格結構導致?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、擊穿場強與電場均勻程度密切相關而與周圍環(huán)境溫度無關。

影響介電強度的因素

影響因素：電壓波形及頻率、電壓作用時間、電場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。（因直流下只有電導損耗）

沖擊電壓下因作用時間短，熱的積累效應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強通常是指工頻電壓下的擊穿場強。

（2）電壓作用時間

電擊穿的時間很短，可以在10^-7~10^-9s內(nèi)發(fā)生。熱擊穿因熱的累積需要較長時間，隨著時間增長，E_B明顯下降。E_T=E_∞（1+a/√t）

聚乙烯的擊穿場強與電壓作用時間的關系

E_∞為加壓時間足夠長擊穿電壓達到穩(wěn)定時的最小擊穿場強

a為常數(shù)，t為加壓時間， E_t為加壓時間t時的擊穿場強。

（3）電場的均勻性及電壓的極性

不均勻電場下的擊穿場強低于均勻電場下的本征擊穿場強。

在不均勻電場下，直流和沖擊電壓的極性對擊穿電壓有明顯影響。

針尖對平板電極系統(tǒng)

當針尖電極為正極性時，擊穿電壓要比針尖電極為負極性時低。

（4）試樣的厚度與不均勻性

試樣的厚度增加，會增加材料散熱的困難，也會增加電場的不均勻度，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與溫度關系

溫度升高，通常會使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zui明顯。）

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

聚異丁烯的E_B與溫度關系

B.濕度的影響

變壓器油的擊穿電壓與含有水分的關系

濕度增大，會使擊穿場強下降。（對液體電介質(zhì)尤為明顯，因為水分的電導和介質(zhì)損耗較大，會改變電場分布。）

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：

氣壓較低時，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，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：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晶體的擊穿場強受輻射的影響

?  輻射的影響

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

?  機械應力的影響

機械應力增大，擊穿場強降低。

?  雜質(zhì)、缺陷的影響

工程上用的絕緣材料中的雜質(zhì)、缺陷會明顯地降低擊穿場強。

提高電介質(zhì)擊穿強度的措施

A.對液體電介質(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，將抽中碳粒、纖維等雜質(zhì)濾去，油中部分水分及有機酸也被濾紙所吸收。

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：當覆蓋層厚度增大，本身承擔一定電壓時，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)、厚度在1~3mm的層壓紙板或?qū)訅翰及濉?/span>

B.對固體電介質(zhì)

ü  改進制造工藝：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、加強浸漬(油、膠、漆)等方法來達到。

ü  改進絕緣設計：采用合理的絕緣結構，使各部分絕緣的耐電強度能與其所承擔的場強有適當?shù)呐浜稀８倪M電極形狀、使電場盡可能均勻。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(如采用半導體漆)。

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

固體材料的試樣與電極

（1）固體材料的試樣

為了能使試樣的擊穿發(fā)生在均勻的電場中，必須把試樣做成各種型材。

試樣要求：電極中央試樣最薄處δ應比試樣厚度小5倍以上；球電極半徑r要比δ大20倍。

 試樣的面積要比電極面積大，使之在擊穿前不會發(fā)生閃絡(沿試樣表面擊穿)。為了能暴露材料中存在的弱點，一般選取電極直徑為25mm或50mm。

                         各類試樣的尺寸（GB1408-78）

試樣厚度的測量：對厚度均勻試樣，通過擊穿點的直徑上測三點取平均值；對厚度不均勻試樣，以擊穿點的厚度來計算。（測量誤差不超過1%）

當試樣厚度較大時（>3mm），如果擊穿電壓超過試驗變壓器的額定電壓，或表面閃絡難以解決，可將試樣削薄。

對于紙或薄膜材料，可將多層試樣疊加在一起進行擊穿試驗。

電極的形狀和尺寸選用：

根據(jù)能形成比較均勻的電場，能合理地暴露材料的弱點，以及使用方便、節(jié)約材料等要求。

如果在空氣中進行擊穿試驗：（把空氣和試樣看作雙層介質(zhì)）

1）    在交流電場下，電極邊緣空氣中場強E_a與試樣中相鄰點的場強E_X之比：

2）    在直流電場下：

由于ε_ra<ε_rx，γ_a<γ_x，則E_a > E_X; 而空氣的擊穿場強較低，導致電極邊緣的空氣中先出現(xiàn)局部放電：

發(fā)生表面閃絡；

邊緣電場集中導致試樣擊穿發(fā)生在電極的邊緣。

消除措施：將電極邊緣做成圓角；

將試樣和電極浸入相對介電常數(shù)（或電導率）大、擊穿場強較高的液體媒質(zhì)中。常用液體媒質(zhì)有變壓器油，溫度較高時采用硅油。不能選用相對介電常數(shù)或電導率太大的媒質(zhì)，以免造成測量誤差和設備損壞。如引起媒質(zhì)本身發(fā)熱嚴重、保護電阻上電壓降增大、以及試驗變壓器過載等問題。

液體材料的試樣與電極

電極的形式：平板型和球型。（我國現(xiàn)行標準用平板型電極）

注意事項：

1.電極的軸心要對準并保持水平，電極間隙應均勻。

2.電極容器材料不會與被試液體相互作用，常用電瓷或玻璃制成，電極用銅或不銹鋼制成。

3.取樣時不能讓雜質(zhì)混入，注入液體后靜止片刻，避免電極間留有氣泡。

升壓方式的選擇

介電強度試驗：電壓從零按一定方式和速度上升到規(guī)定的試驗電壓或擊穿電壓。

升壓方式：快速升壓、20s逐級升壓、60s逐級升壓、慢速升壓、和極慢速升壓。

（1）快速升壓

電壓從零上升到擊穿電壓所經(jīng)歷的時間約為10~20s?，F(xiàn)行標準中規(guī)定的升壓速度有：100V/s、200V/s、500V/s、1000V/s、2000V/s和5000V/s。

（2）20s逐級升壓

施加于試樣的電壓先以快速升壓的速度上升到擊穿電壓的40%，之后按每級升壓值逐級升壓，每級停留20s，直到試樣擊穿為止。

（3）60s逐級升壓

與20s逐級升壓方式相似，只是每級停留時間為60s。

（4）慢速升壓

從快速升壓的擊穿電壓的40%開始，以較慢的速度升壓，使擊穿過程發(fā)生在120~240s內(nèi)。電壓上升速度可選取2V/s、5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s、500V/s和1000V/s 。

（5）極慢速升壓

   與慢速升壓方式相似，只是擊穿過程發(fā)生在300~600s內(nèi)。電壓上升速度可選取1V/s、2V/s 5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s。

 電介質(zhì)的擊穿：

概述：

現(xiàn)象：當施加于電介質(zhì)的電場強度增大到一定程度時，電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷щ姞顟B(tài)，此躍變現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。

表征：介質(zhì)發(fā)生擊穿時，通過介質(zhì)的電流劇烈地增加，

其特征為：

1、介質(zhì)擊穿：電極間的短路現(xiàn)象；是電介質(zhì)的基本性能之一；決定了電介質(zhì)在強場下保持絕緣性能的極限能力；成為決定電工、電子設備最終壽命的重要因素。

2、介電強度：絕緣介質(zhì)所能承受的不產(chǎn)生介質(zhì)擊穿的最大場強。

絕緣技術向高場強方向發(fā)展：

3、高壓輸電；高能粒子加速器；半導體器件；集成電路

4、介質(zhì)擊穿的應用：氣隙開關、放電管，局部放電光、熱、機械力，等離子體對細胞膜的作用  

介質(zhì)擊穿主要分為熱擊穿和電擊穿兩大類

熱擊穿：由于介質(zhì)內(nèi)熱的不穩(wěn)定過程所造成（非本征性質(zhì)）

與材料性能、絕緣結構、電壓種類、環(huán)境溫度有關

電擊穿

?  是介質(zhì)在強電場作用下產(chǎn)生的本征物理過程

?  度量介質(zhì)耐受電場作用的能力——耐電強度

?  具有可逆與不可逆的擊穿形式

氣體介質(zhì)的電擊穿

                                  均勻電場中氣體的導電特性

A段符合歐姆定律；B段電流飽和；C段電流驟增，擊穿

表現(xiàn)形式：火花放電，輝光放電，電暈放電，電弧放電

湯遜理論——碰撞電離

（1）載流子的產(chǎn)生過程

（2）電子附著效應

（3）碰撞電離理論模型

                                    電子雪崩中的電荷分布

（1）載流子的產(chǎn)生過程：碰撞電離，光致電離，熱電離，電極表面發(fā)射

碰撞電離：碰撞后粒子的變化過程：

① 激發(fā)——電子得到能量后，躍遷到更高的能級上，原子、分子成為激發(fā)態(tài)。

② 電離——電子脫離原子核束縛成為自由電子，失去電子的原子、分子成為離子。

△u_i+A→A⁺+e       △u_i+(AB) →(AB)⁺+e

③ 復合——正離子與電子碰撞復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 附著——電子與中性原子、分子碰撞，由于原子有較大的電子親合力而形成負離子，放出能量。A+e→A^-+△u_i          (AB)+e→(AB)^-+ △u_i

外電場使自由電子加速運動，動能增加并與原子（粒子）發(fā)生碰撞，當核外電子所獲能量大于克服原子核束縛所需能量時，引起碰撞電離。

碰撞電離系數(shù)a：一個電子在電場力作用下，走過單位距離所產(chǎn)生的碰撞電離次數(shù)。又稱湯遜第一電離系數(shù) 單位：1/米

電子自由行程x：電子在兩次碰撞間所走過的路程。自由行程愈大®電子獲得能量愈大®碰撞電離次數(shù)增加®碰撞電離系數(shù)a增大

式中：p為 壓力， A、B 為與E、p無關的函數(shù)，E為電場強度。Ap 為a的極限值

離子碰撞電離系數(shù)b——湯遜第二電離系數(shù)，

由于離子質(zhì)量大，b << a ，故b對載流子貢獻小。

光致電離

頻率為n的光照射氣體時，當光子能量大于氣體分子電離能時：hv≥u_i

可引起氣體光致電離：A+hv→A⁺+e

光的來源：

①由外來射線產(chǎn)生，短波射線才有電離氣體能力。

②分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，或異性離子復合時產(chǎn)生光子。

熱電離:按氣體分子能量均分原理，氣體溫度為T時，分子動能：1/2mv2=1/2kT

若兩個粒子碰撞時總能量kT≥ui時，氣體發(fā)生熱電離。

熱電離是ji高溫度下的現(xiàn)象，上萬度以上才有顯著的熱電離發(fā)生。

電極表面發(fā)射

場致發(fā)射：J=AE²e^-B/E

熱電子發(fā)射：J=AT²e^{(βs√E/kT-ΦD)}

光致發(fā)射：hv≥u_i

其他具有足夠能量的粒子撞擊電極表面，引起電極發(fā)射。用系數(shù)g反映電極發(fā)射的能力，稱為湯遜第三電離系數(shù)。

功函數(shù)小的金屬材料作電極，易產(chǎn)生表面發(fā)射。

（2）電子附著效應

p  電子親和力大的元素，吸附電子而形成質(zhì)量大、速度慢的負離子（氧、SF₆）；

p  使自由電子數(shù)減少，電離降低，抑制電流倍增。

p  電子附著系數(shù)h：在電場作用下，電子走過單位距離附著于中性粒子的電子數(shù)，即生成的負離子數(shù)或減少的電子數(shù)。

             電離使電子增加dn=n adx,

             附著使電子數(shù)減少dn_-=n h dx

     故電子凈增為： dn- dn_-= n （a- h ）dx

p  相當于使電離系數(shù)a減小。

(3)碰撞電離理論模型

陰極有n₀個電子，經(jīng)碰撞電離到達陽極產(chǎn)生n_d=n₀e^αd

 工頻電壓擊穿強度試驗機儀器