电介质的击穿.

第三章介电强度试验电子材料测量技术电介质的击穿试样和电极工频电压下的介电强度试验直流电压下的介电强度试验冲击电压下的介电强度试验叠加电压下的介电强度试验高电压试验室本节课内容工频电压下的介电强度试验直流电压下的介电强度试验试验设备与装置工频高电压的测量直流高电压试验装置直流高电压的测量一、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。)2xSUIUC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。两台变压器串接输出的视在功率：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。我国目前最高工频试验电压达2250kV（采用三台变压器串接）串接变压器原理图2SUI设备容量的利用率：2/32/3UIUI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1XLC调节电抗器的电感L或改变试验电压的频率，达到谐振：0XUQUQ为谐振回路的品质因素，一般为20~80。C.电压的波形波形畸变影响介电强度试验结果：工频电压的波形：正弦波。波形因素：正弦波电压的峰值与有效值之比。高次谐波会降低击穿场强；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。2UU幅值有效通常要求波形因素不超过：2（15%）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：12()sUkUUk为调压器的电压比；Us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。自耦调压器原理优点：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。移圈调压器结构图移圈调压器原理图优点：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。（3）控制线路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。满足要求：了解：非自动和自动调压介电强度试验原理（见P79~80）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。二、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。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。（要求测量误差不超过3%，测量用仪表一般要求为0.5级）本节课内容概述气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿影响介电强度的因素试样、电极和升压方式的选择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。击穿场强与频率的关系（1）电压波形及频率直流电压下的EB高于工频交流电压下的EB。（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EB高于直流和和工频交流下的EB。电压频率越高，介质损耗越大，EB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，EB明显下降。(1)4taEEt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，Et为加压时间t时的击穿场强。聚乙烯的击穿场强与电压作用时间的关系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。（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正极性负极性（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EB下降。1nBBUEAdd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。绝缘纸的EB与厚度的关系对于薄膜试样，EB将随厚度减小而显著增加。聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的EB与温度关系（5）环境条件A.温度的影响温度升高，通常会使EB下降。（尤其在材料的玻化温度范围，因发生热击穿EB下降最明显。）聚异丁烯的EB与温度关系在低温区某些材料的EB随温度升高而增加，这是温度对电击穿电压的影响。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：()BUfpS（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EB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EB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。距离太小，必须提高电压增加电子能量，使碰撞游离机会增多。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。NaCl晶体的击穿场强受辐射的影响（6）其它因素辐射的影响机械应力的影响X射线照射离子型晶体，会使晶格缺陷产生变化，从而使EB发生变化。机械应力增大，击穿场强降低。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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。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。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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。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。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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。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)。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)。本节课内容概述气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿影响介电强度的因素试样、电极和升压方式的选择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。均匀电场下击穿试验用型材与电极rδ模压材料或板材各类试样的尺寸（GB1408-78）试样的面积要比电极面积大，使之在击穿前不会发生闪络。为了能暴露材料中存在的弱点，一般选取电极直径为25mm或50mm。沿试样表面击穿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。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%）注：试验标准中一般规定至少要测5个试样，取其算术平均值作为试验结果。如果其中一个数值偏离平均值超过15%，则必须另取5个试样，以10个试样平均值作为试验结果。（2）固体材料的电极要求：电极必须具有良好的导电、导热性能。电极表面要平整光沿并与试样保持良好接触。在试验过程中电极与试样不会有相互作用。对于平整光滑的板材或薄膜试样，一般采用圆柱形铜或不锈钢电极；对于管状材料或型材试样，电极要用金属箔或沉积金属层。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。电极的形状和尺寸选用：如果在空气中进行击穿试验：电极边缘的电场分布（把空气和试样看作双层介质）221tan1tanrxXarxXraraaEE1）在交流电场下，电极边缘空气中场强Ea与试样中相邻点的场强EX之比：2）在直流电场下：axXaEE由于εraεrx，γaγx，则EaEX;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。（我国现行标准用平板型电极）电极的形式：平板型和球型。电极的尺寸要求：如图所示注意事项：电极的轴心要对准并保持水平，电极间隙应均匀。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。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。液体材料的试样与电极液体击穿试验用电极介电强度试验：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。升压方式的选择（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12