电解质强度及测试

中国医疗器械杂志07.第4期发表电介质强度及测试李雨明张宜川潘全亮本文从电介质的性质、电介质强度、电介质强度的测试及测试设备的角度对比叙述，并从理论上和实际操作上分析，提出了符合目前实际情况的测试方法和测试判定。电介质强度的测试过程中，由于国家标准规定的测试方法与要求及合格与否的判定不具体，造成电介质强度测试方法和判定的不同，并且形成一定的争议。在此，根据我们工作中所碰到的情况在此提出，供大家参考。一、电介质及强度什么是电介质：其基本电磁性能是受电场作用而极化的物质。有称：一切绝缘体统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。例如空气、云母、陶瓷、玻璃纸、塑料、油等都是电介质。从极化过程可以看到，电介质分子中正、负电荷在外电场中受电场力的作用有被分离的趋势。如果外电场足够强大，有可能使一些电子在电场力作用下脱离原子核束缚而成为自由电子，这些自由电子在外电场作用下又获得加速，具有很大的动能。它们在遇到其它分子时。可能使被碰撞的分子又释放出电子来，这种连续反应使电介质中的自由电子愈来愈多，可使介质失去绝缘性能成为导体，这种情况叫做电介质的“击穿”。各种电介质材料都有一定的能承受而不致遭到破坏而击穿的最高电场强度,又称绝缘场强。电介质中的场强超过击穿场强会引起介质中出现大量自由电子，导致流过介质的电流急剧增加，介质温度也迅速上升，最后介质被烧坏。这类在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力的现象，导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。均匀电场中，击穿电压与介质厚度之比称为击穿电场强度（或称电介质强度、击穿强度、介电强度、电气强度、耐电压强度、抗电强度等）。它反映电介质自身的耐电强度。固体电介质击穿有3种形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电质点而导致电介质失去绝缘性能。热击穿是因在电场作用下，电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。电化学击穿是在电场、温度等因素作用下，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最终丧失绝缘能力。电介质的化学变化通常使其电导增加，这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。影响电介质强度的因素很多，包括电压，温度，湿度，时间，频率，波形等。二、电介质强度测试方法与要求电介质强度测试方法在不同的电气行业中基本上相同，但是，被测设备电介质强度合格与否的判定存在不同，并且，在判定的具体操作上也很难一致，如：1、GB9706.1-1995《医用电气设备第一部分：安全通用要求》规定：20.4试验a）单相设备和按单相设备来试验的三相设备的试验电压，必须按表5规定加在如20.1和20.2条所述的绝缘部分上历时1min：开始，必须加上不超过一半规定值的电压，然后必须在10s内将电压逐渐增加到规定值，必须保持此值达1min，之后必须在10s内将电压逐渐降至一半规定值以下。b）试验电压必须有的波形和涉率，应使绝缘体上受的电介质应力至少等于在正常使用时以相同波形和频率的电压加于各部分上时所产生的电介质应力。f）试验时不得发生闪络或击穿。如发生轻微的电晕放电，但当试验电压暂时降高于基准电压（U）的较低值时，放电现象停止。且这种放电现象不会引起试验电压的下降，则这种电晕放电可以不考虑。2、GB4793.1-1995《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求第一部分：通用要求》规定：6.8.4电压试验用附录D规定的电压值进行电压试验，不应出现击穿或重复飞弧，电晕放电效应和类似现象忽略不计。在进行交流或直流电压试验时，为避免瞬态跳变，电压应在10s或10s以内逐渐升到规定值，然后保持1min。3、GB4943-2001《信息技术设备的安全》规定：5.2抗电强度5.2.1一般要求设备中使用的固体绝缘应具有足够的抗电强度。5.2.2试验程序``加到被试绝缘上的试验电压应从零逐渐升高到规定的电压值，然后在该电压值上保持60s。当由于加上试验电压而引起的电流以失控的方式迅速增大，即绝缘无法限制电流时，则认为已发生绝缘击穿。电晕放电或单次瞬间闪络不认为是绝缘击穿。4、GB15579.1-2004《弧焊设备第一部分：焊接电源》规定：6.1.4介电强度绝缘应能承受下述试验电压而无闪络或击穿现象发生。过载断路的最大值可设定在100mA。高压变压器断路前应能提供规定的电压，过流检测断路装置的动作应视为闪络或击穿。试验电压可按制造厂要求随意缓慢上升至满值。5、GB7251.1--1997《低压成套设备和控制设备第一部分：型式试验和部分型式试验成套设备》规定：8.2.2介电性能验证8.2.2.4试验电压值与施加部位开始施加试验电压时不应超过本条中给出的50%。然后在几秒钟之内将试验电压稳定增加至本条规定的最大值并保持1min。试验电源应具有足够的容量以使在出现允许的漏电流的情况下亦能维持试验电压。8.2.2.5试验结果如果没有击穿或放电现象，则此项试验可认为通过。6、GB4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全要求确第一部分：通用要求》规定：宣贯材料（1）关于电压施加的时间和速度的问题②电压应该按一个普通的试验员正常操作的速度升高。如过快，则由于人员及设备的因素，可能会产生过冲；如过慢，则有可能产生额外的电压承受累积。从这个角度来讲，初始电压一般接近规定的电压的一半较好，这样可以缩小额外的电压承受累积。③电压应该在达到规定的电压后再保持1min，-----。（9）本标准对击穿没有作出明确的定义，在实际的操作中要注意以下几点：①短时的闪络和连续的闪络都不能算击穿；②如果仪器的过载释放器的跳闸电流Ir设定比较小的时候动作了，可以将设定值设定得大一点再看。如果释放器在测试电压规定的未达到或刚达到时迅速地动作了，一般是击穿了。如果没有动作，但电流比较大，监控测试仪的输出电压有明显的降低，同时，被测器具上出现了烧焦的迹象，一般来说，也属于击穿了。如果没有出现烧焦的迹象，应该检查是否还有保护电阻之类的装置没有断开。7、GB8898-2001《音频、视频及类似电子设备安全要求》宣贯材料耐压仪的试验电压应由合适的电源提供，该电源的设计应保证当试验电压调节到相应的等级后短路输出端子时，输出电流应至少为200mA。当输出电流小于100mA时，过流装置不应断开。5）抗电强度试验：将耐压仪的输出端接到被测的电极上。开始时施加的起始电压U。不大于规定电压值Ut的一半，然后迅速将试验电压升高到全值并在该电压值上保持1min。如果在1min后测得的绝缘电阻不小于表4.6-6的规定值，而且在抗电强度试验期间，没有出现飞弧或击穿，则认为该设备符合要求。注：击穿是被测绝缘由于试验电压引起的电流以失控的方式迅速增大，也就是绝缘无法限制电流时，就认为绝缘已被击穿。三、电介质强度测试设备目前，市场上电介质强度测试仪的品种很多，归纳起来有下列几种形式：1、调压器升压型电介质强度测试装置A、大型调压器升压型电介质强度测试装置这类电介质强度试验装置的结构简单，抗干扰能力强，输出功率大，输出电压高（数十千伏甚至数百千伏），但对被试品有电弧、爬电、闪络等绝缘性能方面的潜在隐患不敏感，升压变压器常用油浸式，体积大，全套装置很难形成一体，多为人工操作进行控制，不便于对多个被试品连续测试，多用于电力系统的电介质强度试验。B、小型调压器升压型电介质强度测试仪这类电介质强度测试仪的结构较前一类复杂，测试源输出功率较大，输出电压较高（数十千伏），输出电压设置必须在电压输出的情况下进行，在功率范围内，输出电压会随负载电流的变化而变化。漏电流显示值有时会受测试电压高低的影响。升压变压器常用干式，全套装置可形成一体，其体积取决于功率的大小，有自动切断功能，可对被试品连续、多次进行立即升压测试，但对有分时分压试验标准或缓慢升压标准的被试品，不便于进行连续自动测试。又被称作“传统机型”，价格较低。2、程控型电介质强度测试仪电压调节高压变压器输出控制器电流检出启动复位定时报警电源继电器这种电介质强度测试仪的结构较复杂，通过脉宽调制方式变频输出，输出波形失真稍大，输出频率可变（50Hz/60Hz），输出电压精度和输出电压调整范围较前者低，在功率范围内输出电压稳定，不受负载变化的影响，测试源输出功率容易达到数千瓦，超功率输出时仪器能自动保护，输出电压设置在无电压输出的情况下进行，安全性好。对被试品有电弧、爬电、闪络等绝缘性能方面敏感。电压输出方式可通过软件满足多种标准要求，击穿保护速度快，工作时对电网干扰较大，仪器的校准通过按键或通信接口进行，便于和计算机联网完成测试统计、分选工作，可对被试品连续进行测试，价格略高。四、电介质强度测试思考电介质强度测试是企业对电气产品的电气安全性能最基本的出厂检验，由于电介质强度测试是破坏性的测试，因此，一般在电气产品的正常使用寿命内，均不再做电介质强度测试，为了保证电气产品在正常使用寿命的若干年内，保持电介质的绝缘性能，要求电气产品必须进行电介质强度测试。目前的电介质强度测试方法和要求上，均是要求先给一半的额定测试电压，然后在几秒内逐步升到额定测试电压，并保持60秒。在市场上提供的电介质强度测试仪也能够达到。但是，在测试结果的判定上存在较大差别：1、击穿是绝缘材料在电场的作用下丧失绝缘性能，至少是暂时地丧失。由于绝缘材料（电介质）的材质，加工工艺，使用环境，使用条件的不同，绝缘性能存在很大差别，就是同一块绝缘材料，其不同部位的绝缘性能也存在很大差别，所以，绝缘材料的击穿性能差别也很大，如果按照被测绝缘材料由于试验电压引起的电流以失控的方式迅速增大，绝缘无法限制电流时，就认为绝缘已被击穿。那么，绝缘材料失控电流的大小决定了绝缘材料的绝缘性能是否丧失话,如有的绝缘材料失控电流很大,势必使用的测试设备功率就应该很大，这在实际测试中很难实施。2、闪络是在气体或液体内沿着固体的表面发生的两极间的击穿。在GB9706.1---1995标准中规定：出现闪络定为不合格。而有一些标准规定单次瞬间闪络是允许的，甚至于规定短时的闪络和连续的闪络都不能算击穿。如果规定闪络算击穿，那么，闪络的电流有大有小，微安级的闪络电流、或不引起试验电压的下降是否也算击穿？3、电晕是发生在不均匀的、场强很高的辉光放电。在GB9706.1----1995规定：“如发生轻微的电晕放电，但当试验电压暂时降高于基准电压（U）的较低值时，放电现象停止。且这种放电现象不会引起试验电压的下降，则这种电晕放电可以不考虑。”辉光放电为电介质击穿前的一种发光放电，放电电流较为稳定，并且电介质还是呈现绝缘的高阻状态。所谓轻微的电晕放电与引起试验电压的下降的电晕放电判定，在实际的测试中无法确定。一是在测电压调节高压变压器输出单片机控制器通讯接口按键盘显示器报警交直流频率变换电源电弧信号处理试时电晕很难发现，这和测试时环境的光线强弱有关,和被测设备结构有关；电压多高放电现象停止，很难确定。二是引起试验电压的下降的电晕放电和测试设备输出功率大小有关，如测试设备输出功率小，轻微电晕放电就有可能引起试验电压的下降。三是电晕与闪络的判别掌握，它们都以光的形式出现，电流都可能有大有小，如果闪络不明显，电流又不大，与电晕如何判别？以上只是我们在电介质强度的测试过程中碰到的一些问题，建议电介质强度的测试应综合以上各行业电介质强度的测试判定方法，规定一些可操作的测试判定，如：A、过载断路的最大值可设定在100mA。高压变压器断路前应能提供规定的电压，过流检测断路装置的动作应视为闪络或击穿。B、测试仪的输出电压有明显的降低，同时，被测器具上出现了烧焦的迹象，一般来说，也属于击穿了。C、测试仪的试验电压应由合适的电源提供，该电源的设计应保证当试验电压调节到相应的等级后短路输出端子时，输出电流应至少为200mA。当输出电流小于100mA时，过流装置不应断开。以上这些，首先对电介质强度测试仪的容量作了统一规定；其次对容易发生误判电晕与闪络的判别也以电流的方式进行了可操作的统一。至于过载断路的最大值设定在多少毫安，电介质强度测试仪的容量如何具体规定可以根据医用电气设备