工頻耐電壓擊穿|電擊穿|電氣強度試驗機

一、工頻耐電壓擊穿|電擊穿|電氣強度試驗機主要技術要求：

u  型    號：ZJC-50E

u  試驗電壓：交流 0--50 KV， 直流 0--50 KV ;

u  電器容量：3 KVA；

u  高壓分級：50kV（全量程不分檔）；

u  擊穿電壓：0-50kV；

u  升壓速率：0.1kV/s、0.2 kV/s、0.5  kV/s、1.0  kV/s、2.0  kV/s；

u  電壓測量精度（10%-100%FS）：≤2％；

u  升壓方式：勻速升壓、耐壓試驗；

u  過電流保護裝置：試樣擊穿時在0.1S內切斷電源；

u  試驗電極：￠25兩個，￠75一個，r3圓角；

u  軟件控制：簡潔的人機操作界面，簡單易學；可方便設置試驗電壓、選擇升壓速率。

u  外形尺寸：1100×800×1500mm；

u  電源：AC220V 50/60Hz  16A。

u  測試材料：絕緣材料類；

u  符合標準：GB/T1408.1-2016；IEC60243-1：2013；GB/T1408.2-2016；IEC60243-2：2013；ASTM D149；GB/T1695-2005；

u  可選配：高溫空氣中測試；高溫油中測試；

二、工頻耐電壓擊穿|電擊穿|電氣強度試驗機設備標準配置

三、概述：

?特點：所有的絕緣材料都只能在一定的電場強度下保持其絕緣特性，當電場強度超過一定限度時，絕緣材料便會瞬時失去絕緣特性，使整個設備破壞。

?特征：介電強度是最基本的絕緣特性參數。

?應用：不管是在電氣產品的生產中，還是在使用中，都要經常做介電強度的試驗。

1.1定義；

1.1.1電氣擊穿；

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。

1.1.2擊穿電壓、擊穿場強；

在試驗或使用中，絕緣材料或結構發生擊穿時所施加的電壓，稱為擊穿電壓；擊穿點的場強稱為擊穿場強。

E_B＝U_B/d

1.1.3介電強度；

絕緣材料的介電強度是指材料能承受而不致遭到破壞的最高電場場強，對于平板試樣

1.1.4閃絡、閃絡電壓；

在氣體或液體中，電極之間發生放電，當放電至少有一部分是沿著固體材料表面時，稱為閃絡。通常試樣表面閃絡后，還可以恢復絕緣特性。閃絡時試樣上施加的電壓稱為閃絡電壓。

1.1.5擊穿或閃絡的判別：

?試樣上電壓突然降落；

?通過試樣上的電流突然增大；

?有時會發出光或聲；

?試樣上有貫穿的小孔、裂紋以及碳化的痕跡；

1.2介電強度試驗分類；

1.2.1擊穿試驗：

     在一定試驗條件下，升高電壓直到試樣發生擊穿為止，測得擊穿場強或擊穿電壓，測量試樣的介電強度，用來測量絕緣材料的介電強度。不能作為選定應用于工作場強的依據，而只能作為選用材料的參考。

1.2.2耐電壓試驗：

     在一定試驗條件下，對試樣施加一定電壓，經歷一定時間，若在此時間內試樣不發生擊穿，即認為試樣是合格的。只能說明試樣的介電強度不低于該試驗電壓的水平，但不能說明究竟有多高。

對于電氣設備使用，施加電壓略高于工作電壓，經歷時間1min、5min或更長

1.3影響介電強度的因素；

1.3.1電壓波形：

?直流、工頻正弦以及沖擊電壓下擊穿機理不同，擊穿場強也不同

?工頻交流電壓下的擊穿場強低的多

?根據使用條件及試驗目的，選擇電壓或疊加電壓

1.3.2電壓作用時間

?電擊穿所需時間短，小于微秒級

?熱擊穿需要較長時間的熱的積累，在直流或工頻電壓下，隨著施加電壓的時間增長，擊穿電壓明顯下降。

?施加電壓時間很長時，由于試樣內存在局部放電或其他原因，試樣老化，降低擊穿電壓

?有機材料，一般在小于幾微秒和大于幾秒時，擊穿電壓隨時間增長而明顯下降，在幾微秒至幾秒范圍內，擊穿電壓變化不大

1.3.3電場的均勻性及電壓的極性

?材料的本征擊穿場強是在均勻電場下測得的。但不均勻電場中，如電極邊緣電場強度比較高，會首先出現局部放電，擴展到試樣擊穿，測得的擊穿電壓偏低

?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的影響。由于空間電荷的效應改變了電極間介質的電場分布，從而影響了擊穿電壓。

1.3.4試樣的厚度與不均勻性

?試樣厚度增加，電極邊緣電場就更不均勻，試樣內部的熱量更不容易散發，試樣內部含有缺陷的幾率增大，使得擊穿場強下降

?薄膜試樣，厚度減小，電子碰撞電離的幾率減小，也會使擊穿場強提高

?工業上絕緣材料含有雜質和缺陷，使得試樣擊穿場強降低

?材料中殘留的機械應力，使得擊穿場強降低

1.3.5環境條件

?溫度升高，會使擊穿場強下降。在材料的玻化溫度范圍，擊穿場強下降zui明顯，對于某些材料，在低溫區可能出現相反的溫度效應。

?濕度增大，會使擊穿場強下降。材料吸濕后會增大電導和介質損耗，會改變電場分布，從而影響擊穿場強。

?氣壓對擊穿場強的影響，主要是對氣體而言。氣壓高，電子在碰撞過程的自由行程就短，擊穿場強會升高。但在接近真空時，由于碰撞的幾率減少，也會使擊穿場強升高，可用巴申曲線闡明

                                                          擊穿場強與溫度              擊穿場強與水分               巴申曲線（氣壓）

二、試樣與電極：

2.1均勻電場下擊穿試驗用的試樣與電極

?材料的本征介電強度，是以均勻電場下的擊穿場強來表征的

?為了能使試樣的擊穿發生在均勻的電場中，必須把試樣做成各種型材。

2.1.1例行試驗中用的試樣與電極

例行試驗，不能要求試樣擊穿都發生在均勻電場中，試樣的形狀決定與材料原有的形狀，試樣的厚度，一般也決定于試樣本身；

?試樣太厚，擊穿電壓超過試驗變壓器的額定電壓，或表面閃絡無法解決，可將試樣削薄，并保持試樣表面光潔；

?試樣太薄，如紙或薄膜材料，可多層疊加在一起，施加一定壓力壓緊；

2.1.2試樣厚度測量

?均勻的厚度，沿通過擊穿點的直徑上測三點取平均值。

?如果厚度不均勻，以擊穿點的厚度計算擊穿場強。

2.1.3試樣的面積

試樣的面積要比電極面積大，使之在擊穿前不會發生閃絡；

?為節省材料，電極面積不能太大；

?為暴露材料中存在的缺點，電極不能太小；

?一般直徑取25mm或50mm；

2.2試樣要求：

2.2.1試樣的個數

?擊穿場強分散性較大，要多用一些試樣；

?工程材料的擊穿場強很大程度上決定于存在的弱點；

?擊穿場強受很多因素的影響；

2.2.2一般最少取5個

?取平均值作為實驗結果；

?若有一個數值偏離平均值15%以上，必須再取5個試樣；

2.3電極要求：

試樣的正常化處理

電極的要求

?良好的導電、導熱性能，由銅或不銹鋼制成；

?表面要平整光滑，使之與試樣表面接觸良好；

?對稱電極：電極邊緣電場較均勻，但上下電極必須對準中心線；

2.4電極效應：

電極邊緣效應

?空氣a擊穿場強比固體材料x低，場強E_a/E_x=γ_x/γ_a＞1

?總是在電極邊緣的空氣中先出現局部放電，這種放電會腐蝕試樣，會使試樣的溫度升高，最終導致試樣在較低的電壓下發生擊穿

電極效應消除措施

消除辦法：

?電極的邊緣要做成圓角；

?將試樣和電極浸入相對介電常數大、擊穿場強比較高的液體媒質中，如變壓器油，硅油；

?采用的媒質若具有很高的相對介電常數或電導，必須注意由此而引起的測試回路電流增大、試驗變壓器過載、保護電阻上電壓降增大以及媒質本身嚴重發熱等問題。

液體材料用的電極

結構：

?直徑25mm、間距2.5mm、邊緣曲率半徑2mm；

?電極表面應光滑，液面離電極的最高點距離不少于22mm，電極距容器的內壁最近處不少于13mm，兩個電極的軸心要對準并保持在同一水平線上，兩個電極的表面要保持平行；

?容器與液體材料不會相互破壞，容器可使用電瓷或玻璃，電極用銅或不銹鋼；

使用：

?清洗、烘干，再用被測液體洗滌兩次；

?注入被測液體，不要混入雜質與水分；

?注入被測液體后靜止片刻，避免電極間有氣泡；

三、工頻電壓下的介電強度試驗

?工頻電源應用zui廣，且材料的工頻擊穿場強比直流和沖擊電壓下的都低，對于絕緣材料，通常都是做工頻下的擊穿試驗。

?絕緣材料的介電強度，一般都是指在工頻下的介電強度。

?電工設備的例行試驗中，一般也是做工頻耐壓試驗。

3.1工頻耐壓試驗：

3.2升壓方式

定義：

      ?電壓從零按照一定方式和速度上升到規定的試驗電壓或擊穿電壓；

升壓方式

      ?快速升壓、20s逐漸升壓、 慢速升壓、60s逐級升壓、極慢速升壓；

快速升壓

?電壓從零上升到擊穿電壓所經歷的時間約為10~20s，常用500V/s；

20s逐漸升壓

?電壓逐級升高，每級停留20s；

?第一級電壓約為快速升壓擊穿值的40%的電壓，在此電壓下，經受20s，若試樣不擊穿，再加高一級，直至試樣擊穿為止；

?升壓過程要盡量快，升壓的時間計算在下一級的20s之內；

?擊穿應發生在第級或更高的電壓等級上，否則應降低第一級電壓重新進行試驗；

?逐級加壓比快速加壓作用的時間長，測得的擊穿電壓比較低；

慢速升壓

?從快速升壓的擊穿電壓的20%開始，以較慢的速度升壓，使擊穿發生在120~240s內；

60s逐級升壓

?與20s逐級升壓類似，只是每級停留的時間為60s；

極慢速升壓

?從快速升壓擊穿電壓的40%開始，以極慢速的速度升壓，使擊穿發生在300~600s內。

?升壓速度慢，電壓作用時間更長，測得的擊穿電壓更低，試驗結果比較可靠。

 3.3試驗設備與裝置

試驗系統：包括高壓試驗變壓器、調壓器，以及控制和保 護裝置等。

高壓試驗變壓器

?工頻高電壓一般都通過試驗變壓器升壓獲得。試驗變壓器要求；

?具有足夠的額定電壓和容量；

?輸出的電壓波形沒有畸變；

試驗變壓器的電壓

電壓等級，根據試樣的試驗電壓等級來選定：

?絕緣材料50~100kV

?絕緣結構>1000kV

試驗變壓器單臺容量：

?國內：750kV

?國外：1000kV

超過單臺變壓器額定電壓，采用多臺變壓器串接以獲得更高的試驗電壓。

高壓試驗變壓器                                     調壓器

                                                        測控卡

3.3.1試驗變壓器的串接

?串接的級數增加，輸出的電壓增高，但設備的利用率降低，而且內阻抗增大，因此也不宜采用過多的級數，目前最多的是采用三級串接。

?對于電容較大的試樣，可以通過串聯諧振回路獲得比試驗變壓器更高的電壓。

3.3.2串聯諧振

?諧振回路中，電抗器上的電壓與試樣上的電壓大小相等，相位相反；

?當試驗電壓很高時，要制作單臺高壓調諧電抗器是不經濟的，可將調諧電感接在調諧變壓器的低壓側，組成一臺高壓調諧電抗器，并可將多臺這樣的電抗器串接起來，使之能夠承受超高壓試驗電壓；

?串聯諧振回路，不但能提高試驗電壓，而且電壓波形好，又比較安全。

3.3.3變壓器的容量

試樣都是容性阻抗。試驗變壓器的容量，可以根據試樣在試驗電壓下通過的容性電流來計算S=U²ωC_x

?一般試樣電容為幾十到幾百pF，擊穿電壓不超過100kV，選擇容量為10kVA；

?電工設備耐壓試驗變壓器容量一般要大一些，高壓側電流為1A或更大；

?對于電容量特別大的試樣，必須采用電抗器與試樣并聯，補償容性電流，以減小變壓器的容量；

?采用超低頻正弦電壓對大容量試樣做耐壓試驗，可以大大降低變壓器的容量。

3.3.4電壓波形

     工頻電壓的波形應為正弦波，正弦波的峰值與有效值之比稱為波形因數。要求波形因數不超過根號2倍(1±5%)

波形畸變會影響介電強度的試驗結果

?高次諧波會降低擊穿場強；

?試樣的擊穿是決定于電壓的峰值，而一般測量電壓的儀表都是測量有效值；

?波形畸變，同一峰值的電壓測得有效值不同；

產生波形畸變的原因

?電源本身有3次或5次高次諧波；

?變壓器的非線性激磁電流：激磁電流決定于磁化曲線（非線性）；

               圖3-12 變壓器的磁化曲線

        a)     磁通Φ與激磁電流l的關系

         b)    磁通及激磁電流的波形

改善電壓波形

?在調壓器和試驗變壓器之間接入濾波器，電感與電容根據濾波頻率選擇電容不宜太小，以免調壓器過載。

?電網中常為3次諧波，線電壓不含3次諧波，調壓器一次側接線電壓。

3.3.5調壓器

自耦調壓器

結構

?鐵心上只繞一個線圈

?線圈的兩端為一次側，接電源

?一次側與二次側有一個公共連接端頭，必須接中線或接地

?二次側另一頭為滑動觸點，觸點與公共端距離增大時，電壓升高

優缺點

?結構簡單、體積小、漏抗小、價格便宜

?輸出電流較大時，觸點在移動過程中會因接觸不好而出現火花。

適用

?容量為幾千伏安以下，油浸式的容量可達幾十千伏安。

3.3.6移圈調壓器(容量大的調壓器均采用)

結構

?由三個線圈套在一個鐵心上組成

?I和II匝數相等，繞向相反，串接

?III為短路線圈，緊套在I、II外邊

原理

?靠移動短路線圈改變其他兩個線圈的漏磁通

?改變I、II上的電壓分配實現調節輸出電壓

?III從低位置向高位置移動，輸出電壓逐步升高

特點

?靠電磁耦合而不用機械觸點，因此調壓過程

?不會出現火花，容量可以做的很大

?漏抗比較大，使用中應注意畸變

3.3.7控制線路應滿足要求

?只有在實驗人員撤離高壓試驗區，并關好安全門(S1限位開關)，才能加上電壓進行試驗

?升壓必須從零開始(S2零限位)，以一定方式和速度上升

?在試樣發生擊穿時，能自動切斷電源(KA1過載釋放器)。在自動控制線路中，能自動使電壓下降到0。

3.3.8保護球隙

4.1保護和接地

?在控制回路中采用過載釋放器、安全門開關、調壓器限位開關

?低壓部分可能出現高電壓的各點，都要接上放電間隙

?高壓測試回路中接保護電阻，限制試樣擊穿或閃絡時流過變壓器的電流并使變壓器高壓端點位變化緩慢，以改善由此產生的脈沖在高壓繞組間的分布和消除可能出現的振蕩，并保護測量銅球和電極在擊穿時不會燒壞。

?試樣擊穿或間隙放電，將有很大的電流流過接地線。接地電阻過大會顯著升高接地線的電位。各接地點與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。

?高壓試驗區應裝有保護圍欄，圍欄的入口處應裝有聯鎖開關和信號燈，并備有接地棒。

4.1.2工頻高電壓的測量

測量方法

直接測量試樣兩端的電壓；

?靜電電壓表、球隙放電測量法等；

把高電壓變換為低電壓進行測量；

?分壓器、電壓互感器等；

通過測量變壓器低壓繞組或特別繞制的測量繞組的電壓換算高壓端的電壓；

要求

?測量誤差不超過3%；

?測量用儀表一般要求為0.5級；

4.1.3靜電電壓表

?由兩個極板組成，一個極板固定，一個由彈簧連接，可以移動；

?通過極板間受力的大小，可以測定極板間的電壓，但分度是非線性的；

?內阻很大，決定于電極間的絕緣電阻；

?電容很小，約5~50pF；

?交流電壓下測得的是有效值；

?目前最高電壓等級為500kV；

?依靠電場力工作，因此空間電場、電荷對它的影響很明顯，在使用中應予以注意；

4.1.4球隙測量法

◆在確定條件下，球隙間空氣的放電電壓與球隙的距離有一定的關系，

◆利用球隙放電時的距離來測量電壓

需滿足條件

?保證球隙間電場均勻

?球隙中的空氣要符合規定的標準狀態

◆測量時，先讓球隙放電幾次，當放電比較穩定后重復測3次，每次間隔不少于1min，取3次試驗平均值

◆GB311-64規定：在工頻下測得的是電壓峰值

◆測量結果可靠，但裝置占地面積較大，測量比較麻煩，一般只用于校準其他測試儀器。

4.1.5互感器測量法

◆電壓互感器是變比和角差都很精確的降壓變壓器，它將高電壓變換為低電壓進行測量。

◆電壓互感器的電壓比k為已知，則在二次側測得的電壓乘以k就得到一次側的高電壓值

◆測量方法非常方便、可靠，在電網上普遍應用，但造價比較高

電壓互感器

4.1.6分壓器法

◆分壓器由一個高阻抗與低阻抗串接而成。

◆被測的高電壓絕大部分降落在高阻抗上，可以從低阻抗兩端測得低電壓，通過分壓比換算得到被測的高電壓

◆對于工頻交流電壓

?電壓較低時，用電阻分壓器

?電壓很高時，電阻分壓器功率損耗大，發熱嚴重，同時體積大、分布電容的影響嚴重，采用電容分壓器更合適。

分壓器測量原理圖

4.1.7測量繞組法

◆試驗變壓器本身帶有測量繞組

?測量繞組與高壓繞組匝數比為k1，則高壓端電壓U2=此繞組電壓U1*k1

◆試驗變壓器的低壓繞組

?低壓側電壓*高低壓繞組匝數比

?高低壓側電壓不wan全決定于匝數比，準確度比測量繞組的低

測量線路圖

測量誤差

◆繞組法測得高壓端開路電壓

◆試驗回路接試樣，試樣兩端電壓由試樣電容，保護電阻及變壓器內阻抗決定。

?UL較大，Ur較小時，可能使測量值小于實際試樣上承受電壓值

?UL很小，Ur較大時，可能出現測量值偏大

?測量誤差隨著試樣電容量的改變而變化