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一文讀懂絕緣體介電強度（擊穿強度）實驗設備
一、基本概念：
1、電擊穿：
高分子材料在一定電壓范圍內(nèi)是絕緣體，但隨著施加電壓的升高，性能會逐漸下降。當電壓升到一定值時變成局部導電，此時稱材料被擊穿。
2、介電強度（擊穿強度）：
指造成聚合物材料介電破壞時所需的最大電壓，一般以單位厚度的試樣被擊穿時的電壓數(shù)表示。
E=V/d
式中：E——介電強度，KV/mm
V擊穿——擊穿電壓，KV
d——試樣厚度，mm
二、基本原理：
通常介電強度越高，材料的絕緣質(zhì)量越好。
塑料擊穿的主要表現(xiàn)：
絕緣性能破壞，擊穿點上產(chǎn)生電弧，材料穿孔熔化、變焦、燒毀等。
固體介質(zhì)中，總有一些自由電子存在，在外電場作用下被加速而撞擊中性原子，致使原子電離，最終造成材料擊穿。
高分子的擊穿通常與溫度有關：
當?shù)陀谀骋粶囟葧r，界電強度與溫度無關——電擊穿
高于這一溫度時，隨溫度升高而界電強度降低。
高分子材料在發(fā)生電擊穿時，常伴隨有熱擊穿。
熱擊穿，介電強度隨溫度增加而迅速降低。
塑料擊穿的特點：
塑料材料的擊穿過程，通常伴隨著熱擊穿與電擊穿，很難說界定是某種擊穿。
一般來說，工作溫度高，散熱條件差，介質(zhì)電導及損耗大的材料，發(fā)生熱擊穿的幾率高。
熱擊穿的原理：
塑料介質(zhì)在電場中發(fā)生的熱量大于它能散發(fā)的熱量，使其內(nèi)部溫度不斷升高。
溫度升高導致其電阻下降，流經(jīng)試樣電流增大，產(chǎn)生的熱量更多，如此循環(huán)不已，致使介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N聚集態(tài)，失去了耐電壓能力、材料被破壞。
熱擊穿的外部表現(xiàn)：
介電強度隨溫度升高而迅速下降；
熱擊穿與電壓作用的長短有關；
與電場畸變及周圍介質(zhì)的電性能關系不大；
擊穿點多發(fā)生在電極內(nèi)部。
三、試驗方法：
短時法 （連續(xù)均勻升壓）
施加于試樣的電壓從零開始，以均勻速率逐漸增加到材料發(fā)生介電破壞。
低速升壓法 （逐級升壓）
將預測擊穿電壓值的一半作為起始電壓，然后以均勻速率增加電壓直到發(fā)生擊穿。
每級升壓值大約為V擊穿的5~10%。測試的試樣厚度一般是1.59mm
四、介電強度試驗方法有：
GB/T1408.1-2016；
IEC60243-1：2013
GB/T1408.2-2016；
IEC60243-2：2013
ASTM D149；
GB/T1695-2005；
五、試樣制備與處理：
根據(jù)測試產(chǎn)品規(guī)格及測試要求，采用模塑成型或機械加工方法制備試樣。與電極接觸的試樣兩表面要平行，并且應盡可能平整光滑，試樣厚度一般不大于3mm，當厚度大于3mm時，單面成（3±0.2）mm，未加工面應與高壓電極接觸。
注意：不同厚度的試樣其結果不能進行比較。
對于垂直于材料表面的試驗，要求試樣有足夠大的面積以防止試驗過程中發(fā)生閃絡。
（注：閃絡：試樣和電極周圍的氣體或液體煤質(zhì)承受電應力作用時，其絕緣性能損失，由此引起的試驗回路電流促使相應的回路斷路器動作）
試樣的幾何形狀見下表，每組試樣數(shù)量不得少于3個：
項目 | 試樣 | 尺寸/mm | 適用范圍 |
一般試驗 | 板狀 | 方形：邊長≥100 圓形：直徑≥100 | 包括薄片、漆片、漆布、板材及型材試樣 |
型材 | |||
管材 | 長100-300 | ||
帶材 | 長≥150，寬≥5 | ||
沿層試驗 | 板狀 | 長100，寬25 | 板對板電極 |
長60，寬25 | 針銷對板電極及錐銷電ji | ||
管棒狀 | 高25±0.2的一段管 | 板對板電極 | |
長100 | 追銷電ji | ||
高30 | 針銷對板電極 | ||
表面耐壓試驗 | 管棒狀 | 長150±5 |
試樣預處理應遵循測試材料的產(chǎn)品規(guī)格進行。如果沒有特殊要求，則試樣在溫度為（23±2）℃，相對濕度為（50±5）％的條件下不少于24h。
六、試樣條件：
（1）常態(tài)實驗環(huán)境條件：溫度為20±5℃，相對濕度為65±5％。
（2）熱態(tài)實驗或潮濕環(huán)境實驗條件由產(chǎn)品標準予以規(guī)定。
（3）實驗煤質(zhì)：介電強度試驗應盡量在接近測試材料的實際使用環(huán)境的煤質(zhì)中進行，同時應避免測試中發(fā)生閃絡。選用的煤質(zhì)不應與被測試試樣發(fā)生反應。通常選用的液體煤質(zhì)應符合IEC 60296:2003的變壓器油，當在礦物油會發(fā)生膨脹的材料，也可以采用其他液體（如硅油）。對擊穿電壓值相對較低的試樣，可以直接在空氣中試驗。
七、實驗步驟：
（1）選擇試樣，并根據(jù)產(chǎn)品要求對試樣進行預處理。
（2）調(diào)節(jié)環(huán)境的溫濕度并選好試驗煤質(zhì)。試驗環(huán)境的調(diào)節(jié)：常態(tài)溫度為20±5℃，相對濕度為65±5％。熱態(tài)或潮濕環(huán)境的試驗條件按產(chǎn)品標準規(guī)定調(diào)節(jié)。試驗煤質(zhì)：氣體煤質(zhì)一般采用空氣，液體煤質(zhì)用變壓器油或耐高溫的氣缸油。
（3）測量試樣厚度。用厚度測量儀在試樣測量電極面積下，沿直徑測量試樣厚度不少于3點，取其算術平均值作為試樣厚度，測量誤差為±0.01mm。
（4）試樣經(jīng)測厚和預處理后，再用綢布蘸上對材料無任何作用的溶劑擦凈表面，裝入儀器內(nèi)兩電極之間，保持良好的接觸，開始試驗。
（5）測試介電強度。
（6）耐電壓實驗。
八、實驗結果：
（1）擊穿的判斷：在電擊穿時，回路中的電流增加和試樣兩端電壓下降，使斷路器跳開或熔絲燒斷。試樣沿施加電壓方向及位置有貫穿小孔、開裂或燒焦等痕跡。如果痕跡不清，可用重復施加試驗電壓來判斷。
（2）介電強度計算：按式（5-15）計算
Eb＝Ub／d
式中： Eb－擊穿強度，KV/mm；
Ub－擊穿電壓，KV，以各次實驗的算術平均 值作為實驗結果，取三位有效數(shù)字；
d－試樣厚度，mm。
以5次實驗的平均值作為實驗結果，取三位有效數(shù)字。
如個別實驗值對平均值的相對誤差超過15%，則另取樣進行5次實驗，實驗結果由10次實驗的算術平均值計算。
九、實驗設備：
ZJC-50KV介電強度測試儀
ZJC-100KV介電強度測試儀
試驗主機由高壓變壓器、調(diào)壓變壓器、保護電路等部件組成：
十、介電強度測試裝置(高壓試驗變壓器)的維護：
(1)要經(jīng)常檢查儀器室外及室內(nèi)接地是否可靠。
(2)參加試驗人員必須遵守試驗裝置使用操作規(guī)程，確保試驗安全。
(3)試驗電壓通常應不大于儀器最高工作電壓的80％(如≤80kV)。
(4)隨時保持工作環(huán)境的清潔，應避免儀器工作媒質(zhì)受到臟物污染。
十一、影響因素
（一）試樣的厚度
隨試樣厚度增加，介電強度減小：
在擊穿中，既有電擊穿，也有熱擊穿。
從熱擊穿理論來講：
試樣厚度增加，散熱條件變壞，促使單位厚度的擊穿電壓降低。
從電擊穿理論講：
當試樣較薄時，電子加速時間相應地減小，電子不易從電極上逸出，其介電強度也相應增加。
（二）升壓速度
以電擊穿為主的試樣，升壓速度的影響不大；
以熱擊穿為主的試樣，隨升壓速度提高而增大。
試樣 | 升壓速度KV/S |
0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 | |
介電強度 E KV/mm | |
聚氟乙烯電纜料 | 25.6 27.3 26.8 26.8 26.0 25.7 |
酚醛紙基層壓板 | 15.6 16.8 19.2 16.9 16.6 18.5 21.9 |
（3）電極倒角r：
電極與試樣接觸平面邊緣形成的半徑r的角稱為倒角。
當電極面積變化不大時，介電強度變化不大，
當電極變成半圓球狀（r很大），介電強度變化較大。
邊緣效應，靠邊緣處場強非常大的現(xiàn)象。
由于邊緣效應，電極邊緣間的介質(zhì)容易已被擊穿。
而邊緣處場強的大小與倒角r有關系，
一般r小，場強變大，所以，標準方法中規(guī)定ｒ＝2.5mm。
電極倒角r的影響：
電極倒角半徑 r | 介電強度kv/mm | ||
PVC電纜料 | 酚醛壓塑料 | 酚醛基層壓板 | |
1.75 2.00 2.50 3.00 12.5 | 24.8 25.9 26.0 26.0 30.4 | 14.0 13.7 13.3 13.3 15.2 | 20.0 19.0 19.4 19.4 21.8 |
(4)試驗環(huán)境
多數(shù)材料在低溫下，介電強度與溫度無關，
當溫度升高至某個高度，介電強度隨著溫度升高而下降。
濕度增加，介電強度也下降。
水分進入試樣，電導變大之故。
（5）試樣加工
不良的加工方法會在材料中形成缺陷，
例如弱的熔接縫、氣泡流線和雜質(zhì)顆粒，都會使介電強度降低30～60%，降低程度隨缺陷的嚴重程度而異。
