環氧樹脂耐電壓介電強度測試設備

環氧樹脂耐電壓介電強度測試設備

標簽：電壓擊穿試驗儀、介電強度試驗機、擊穿強度測試儀、電氣強度試驗儀、高壓擊穿測試設備、耐電壓電氣介電強度測定儀、工頻電壓擊穿試驗機、交直流耐壓強度測試儀………

環氧樹脂耐電壓介電強度測試設備有關實驗介紹如下：

p  介電強度概述：

1、定義：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。絕緣材料或結構發生擊穿時所加的電壓稱為擊穿電壓，擊穿點的場強稱為擊穿場強。

式中：EB—擊穿場強（MV/mm）;UB—在規定試驗條件下，兩極間的擊穿電壓(MV或KV);d—兩電極間擊穿部位的距離，即試樣在擊穿部位的厚度（m或mm）

閃絡：--指高壓電器(如高壓絕緣子)在絕緣表面發生的放電現象,稱為表面閃絡,簡稱閃絡.

絕緣閃絡： 絕緣材料在電場作用下，尚未發生絕緣結構的擊穿時，在  其表面或與電極接觸的空氣(離子化氣體)中發生的放電現象，稱為絕緣閃絡。

p  影響介電強度的因素：

1、電壓波形 直流、工頻正弦及沖擊電壓下，擊穿機理不同，所測的擊穿場強也不同，工頻交流電壓下的擊穿場強比直流和沖擊電壓下的低得多。

2、電壓作用時間，無論電擊穿還是熱擊穿都需要時間，隨著加壓時   間的增長，擊穿電壓明顯下降。

3、電場的均勻性及電壓的極性，電場不均勻往往測得的電壓比本征擊 穿值低。

4、試樣的厚度與不均勻性 試樣的厚度增加，電極邊緣電場就更不均勻，試樣內部的熱量更不易散發，試樣內部的含有缺陷的幾率增大，這些都會使擊穿場強下降。

5、環境條件  試樣周圍的環境條件，如溫度、濕度以及壓力等都會影  響試樣的擊穿場強；溫度升高，通常會使擊穿場強下降；濕度增大，會使擊穿場強下降；氣壓對擊穿場強的影響，主要是對氣體而言。氣壓高，擊穿場強升高；但接近真空時，也會使擊穿場強升高。另外還有：時間、輻射、機械力、電極材料及極性效應。

p  擊穿機理：

?  氣體介質擊穿

1）撞擊游離：氣體介質在電場中，由于受輻照、電能、熱能等因素的作用，總會存在少量的離子和電子。

這些帶電質點在電場中運動過程中必然和氣體的分子或原子相撞，如果帶電粒子的能量大于分子或原子的電離能，則可能由于碰撞時能量的交換而使分子或原子產生電離（即使帶電粒子的能量小于電離能，經過多次碰撞也可能使分子發生電離）。氣體分子電離之后，放出的電子又在電場中加速碰撞其它的分子或原子使之產生電離，因此電子 的總數越來越多形成電子崩。同時由于離子的質點大，速度慢，而集聚在陰極的附近，造成陰極附近的電場強度增高，使電子 不斷從陰極被拉出，源源不斷地投入氣體中，這就形成 了自持放電即氣體擊穿。這種擊穿理論是符合低氣壓短間隙（電極間的距離近）的氣體擊穿。

2）流柱理論：在長間隙、高氣壓中的放電，除了撞擊之外，形成放電    發展的主要因素是光游離。在電子崩發展到一定階段后，電子崩的前部的離子復合增強，而復合時放出的光子又引起周圍氣體電離，于是又形成新的電子崩，這樣在電子崩之間呈成為電子離子的混合通道，這個混合通道稱為流柱。

3）在均勻和不均勻電場中氣體的擊穿電壓，在均勻電場中，氣體擊穿電 壓與氣體起始電離電壓相近。擊穿電壓與氣體壓力和電極間的距離的乘積成相關。這種關系規律稱巴申定律。在不均勻電場中，氣體的擊穿電壓將高于氣體起始電離擊穿電壓，因電場zui強的地方總首先開始局部電離放電，之后才逐漸擴大放電范圍，直到放電貫穿兩電極時才發生擊穿。

?  液體介質的擊穿

1）小橋理論：在液體介質中，含有的各種雜質，如灰塵、纖維、水分等， 這些雜質在電場的作用下產生極化并沿著電場方向排列起來，移向電場強度高的地方連成小橋，而使電場發生畸變。造成擊穿電場下降。2）撞擊游離 和氣體電離的理論類似。不過由于液體中分子間的距離比氣體小得多，電子在兩次碰撞間的自由行程也短得多，因此，要獲得足夠的能量就要需要更高的電場強度，這說明液體的擊穿場強比氣體高的多。

?  固體材料的電擊穿理論 固體材料的本征擊穿場強比液體材料高得多，一般在50-150兆伏/米由于固體材料聚集很緊，電子在其中的運動就不能簡單地看作單個電子與單個分子或原子相碰撞，而是受周圍許多分子或原子對它的制約。如電子通過晶格時，受晶格質點振動的影響，使運動狀態發生變化，同時也發生能量的轉移，這過程稱散射。當電子的獲得的能量大于損失的能量時，電子就不斷被加速，就會導致擊穿發生。從這點出發提出兩種最主要的電擊穿理論：其一，弗羅利赫（Frohlich）理論，另一個是希伯爾理論。此外，還有許多電擊穿理論，如場致發射擊穿理論，電機械應力破壞理論。

?  固體介質的熱擊穿理論   介質的擊穿因熱因素起決定作用的引起的破壞稱為熱擊穿。

?  局部放電導致擊穿  材料擊穿發生在局部，而沒有貫穿到兩電極之間，這種現象稱為局部放電。

p  試樣、電極、媒質以及升壓方式的選擇：

?  試樣與電極

試樣與電極的大小影響擊穿試驗結果

1）固體材料的試樣

GB1408有規定，如表

一般試樣厚度不要超過3mm，厚度測量誤差最好不要超過1%

2）測量固體材料用電極：

電極必需是良好的導電、導熱性能；電極表面光滑并與試樣良好的接觸；板材或薄膜試樣一般用圓柱形銅或不銹鋼電極；管狀或型材試樣，一般要采用金屬箔或沉積金屬層，管狀試樣內徑小時，可用彈性金屬片、金屬粉末以及導電液體等作為內電極。電極尺寸見表

                     3）液體材料取樣及電極：

液體介質擊穿試驗用電極有平板和球型兩種。我國現行標準用是平板型電極，電極直徑為25mm，間距為2.5mm，邊緣的曲率半徑2mm,表面光潔度▽7.液面離電極的最高點距離不少于22mm.電極距容器內壁各點不少于13mm，電極軸心應對準并保持水平，電極間隙應均勻。電極及容器所用材料應不會和試樣作用，一般用陶瓷或玻璃制成容器，用銅或不銹鋼做電極。

?  媒質：

為防止材料發生表面閃絡，同時也為了避免擊穿發生在電極的邊緣，必須選用相對介電常數（或電導率）比較大的，而且擊穿場強也比較高的材料做媒質。如變壓器油、礦物油和硅油.選用的媒質必須與試樣不會發生相互作用

?  升壓方式：

擊穿場強隨施加電壓的時間的增長而下降；在交流或直流電壓的擊穿試驗中，電壓作用時間體現在升壓方式和升壓速度；而在耐壓試驗中，電壓的作用除與升壓速度有關外，主要還決定于耐壓時間。顯然，電壓作用時間越長對試樣考驗就越嚴格。擊穿試驗升壓方式分三種：連續升壓、逐級升壓和慢升壓。

?  連續升壓升壓速度

?  逐級升壓：

?  慢速升壓：

幾點說明：逐級升壓是讓施加于試樣的電壓先以連續升壓的速度上升到擊穿電壓的50%，之后，按每級升壓值（大約為擊穿電壓的5-10%）逐級升壓，每級停留1分鐘，直到擊穿為止。最后一級的電壓為擊穿電壓。級與級之間升壓時間要盡可能的短，一般不會超過10秒，這一時間應計入后一級的停留時間內。如果擊穿發生在前一級，則應取前一級電壓。慢升壓是先讓施加于試樣的電壓以連續升壓阿的速度上升到擊穿電壓的50%，以后降低升壓速度，但電壓仍然以勻速上升直到擊穿為止。而耐壓試驗先以任何升壓速度使施加于試樣的電壓由零上升到試驗電壓的40%，以后以每秒升高試驗電壓3%的速度升到試樣電壓為止；在試驗電壓下保持一定的耐壓時間（1-5min），之后要在5分鐘內將電壓降到試驗電壓的25%，最后切斷電源。

p  工頻電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗：

工頻電壓下絕緣強度和耐壓試驗裝置：高壓試驗變壓器、調壓器、電壓測量系統以及控制和保護裝置等。

?  高壓試驗變壓器：

包括容量、電壓及其波形。容量--根據試樣在試驗電壓下流過的電容電流來計算即：

P=U2ωCx(伏.安)  式中：U--施加電壓有效值（伏）， ω--角頻率，Cx—試樣電容；一般電容量高壓側電流1安以上。

電壓－一般根據試樣電壓來選，單臺變壓器最高電壓等級為750千伏；如果再高實驗電壓就用多臺串聯。實驗電壓波形，一般為正弦波，波形畸變將會影響電壓測量。Um=√2U有效

?  調壓、控制及保護：

1）調壓器 －調節通過接在實驗變壓器和電源之間的調壓器來實現，分：自耦調壓器（通過滑動觸點沿繞阻移動來改變輸出電壓，其特點是體積小、漏抗小、價格也便宜，但由于滑動觸點在電流比較大時會出現火花，因此，一般容量只用于幾千伏安以下，油浸式的可達幾十千伏安）和移圈式調壓器。

2）控制電路 控制線路要實現下列各點要求

（1）只有在試驗人員撤離高壓危險區，并關好安全門之后才能加壓；

（2）升壓必需從零開始；

（3）在試樣發生擊穿時能自動切斷電源；

（4）在自動升壓裝置中還要能控制升壓、降壓及停止等動作。

3）保護和接地（除過電流保護器、安全門開關、調壓器限位開關等外，其他在線路的低壓部分都要接上保護放電器，還需接保護電阻、此外，還要有圍欄、連鎖裝置和信號燈并備有接地棒以保證人身安全）

?  工頻電壓的測量：

工頻高電壓的測量方法分：直接測量高電壓（如利用球隙放電、靜電電壓表、旋轉伏特計等）；將高電壓變換為低電壓測量（互感器、分壓器）；通過測量試驗變壓器本身低壓繞組的電壓來換算出高壓端的試驗電壓。

1）靜電電壓表法－用于試驗電壓不高的情況（200KV）。

2）球隙測量法－此法試驗電壓可以高，但測量麻煩，影響因素較多，裝置的占地面積較大。3）互感器測量法－通過互感器將高壓變低壓進行測量，精度高，但較貴。

4）電容分壓器法－通過串聯電容分壓測出其中低阻抗的電容器上的電壓，可以推算出試驗電壓。

5)測量繞組法－通過變壓器內部繞組，可以按比例把測量電壓算出來。

?  直流電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗：

由于有很多電氣設備是在直流電壓下運行的，有些雖在交流下運行，但由于其電容量很大，工頻試驗變壓器的容量不能滿足要求而又沒有補償電抗器時，采用直流電壓下測定其絕緣強度以替代工頻下的絕緣強度試驗。其測量裝置必需要有一套直流高壓裝置和直流電壓測量系統。直流高電壓可以通過各種方法獲得。一般是通過高壓整流，即先通過變壓器把工頻電壓升高。而后，在利用高壓整流器把工頻高壓變為直流高壓。工頻的升壓及有關的控制、保護裝置與上節所述相同。

?  高壓整流：

絕緣強度試驗用的直流高壓設備應滿足一下要求：

1）電壓等級應滿足試驗電壓要求，我國已有百萬伏以上的直流高壓裝置

2）設備容量應能輸出電流10-20毫安

3）電壓脈動系數小于或等于5%

?  倍壓線路

簡單的整流線路不論是半波還是全波，最高輸出電壓只能接近于變壓器輸出電壓的峰值。如果要獲得更高的直流電壓，可以采用倍壓線路。

?  直流高壓的測量

測量方法很多，可用儀表直接測量，也可用分壓器等間接測量。測量的誤差小于3%。對于電壓脈動系數小于或等于5%，可用靜電伏特計和球隙法。旋轉伏特計也可測直流高壓。

p  有機硅凝膠的耐電特性

      絕緣材料擊穿是在電應力作用下導致材料內部絕緣性能嚴重損失，發生穿孔或出現碳化通道，并引起回路電流的現象。材料的電擊穿特性直觀反映了材料的電絕緣能力。本文搭建了有機硅凝膠工頻耐電特性實驗平臺，研究溫度對有機硅凝膠耐電特性的影響規律。
1.1 實驗設計

       依據 IEC 60243標準設計實驗平臺如圖 10 所示，交流電壓源輸出電壓 0～100kV，電壓畸變率小于 2%，升壓速率 2kV/s，升壓曲線如圖 10 所示。被測試品的模具容積為 200mL，電極為銅制球球電極，電極直徑 13mm，電極間距 1mm。基于實驗室內制備的有機硅凝膠樣品，測試了不同溫度下有機硅凝膠的工頻耐電特性。

球球電極結構下，擊穿場強近似計算公式為：E_bd=U_bd/sη

式中，Ebd 為擊穿場強峰值；Ubd 為擊穿電壓最大值；s 為氣隙間距；h 為 Schwaiger 系數，對于較均勻場，n取值為 0.9。

1.2 實驗結果

      圖 11 展示了有機硅凝膠的擊穿現象及擊穿通道。Ⅰ展示了發生擊穿瞬間，有機硅凝膠產生強烈的光信號；Ⅱ展示了放電發生后瞬間，球球電極間產生了氣泡，并且在顯微鏡下觀察了氣泡形態；擊穿后的樣品放置一段時間后，將進入Ⅲ狀態，球球電極間的氣泡變小；最終形成圖 11 中Ⅳ所示的電樹枝通道，此時硅凝膠喪失耐壓能力。

絕緣材料的擊穿起始于材料內部絕緣弱點，而聚合物中的缺陷是隨機分布的，因此聚合物的擊

穿事件符合一定的統計規律，一般采用多個樣本，可通過概率分布統計法評估聚合物的擊穿電壓。Weibull 分布基于弱點擊穿理論構建，雙參數 Weibull分布廣泛應用于分析絕緣材料的擊穿電壓。根據Weibull 分布函數特征，有機硅凝膠的擊穿電壓對應于 63%累積概率處的擊穿電壓。Weibull 分布的累積概率函數（Cumulative Probability Function, CDF）可表示為：

式中，P 為累積概率密度分布函數；a 為 63%對應的分位數，也稱為尺度參數，表示發生概率為 63%的擊穿電壓值；b 為度量分散程度的 Weibull 指數，也稱為形狀參數，表示擊穿電壓的變化幅度，b 越大，其擊穿場強變化幅度越小；U 為有機硅凝膠的擊穿電壓。測試了傳統脫氣曲線與改進脫氣曲線制備的有機硅凝膠樣品在 200℃的恒溫箱中處理后的擊穿電壓值，通過式（3）計算 Weibull 分布得出累計概率密度曲線，200℃下制備工藝對有機硅凝膠擊穿電壓的影響如圖 12 所示。

       200℃下，原始制備工藝得到的有機硅凝膠樣品內出現氣泡，依據 Weibull 分布統計得到工頻耐受電壓為 31.30kV；而改進的制備工藝得到的有機硅凝膠樣品在 200℃下未見氣泡，工頻耐受電壓為35.34kV。對比兩種制備工藝獲得的有機硅凝膠樣品，改進的制備工藝使得有機硅凝膠樣品在 200℃下耐壓能力提升了 12.9%。

     為獲得溫度對有機硅凝膠耐壓特性的影響規律，測試了不同溫度下有機硅凝膠的工頻擊穿電壓，依據式（3）計算 Weibull 分布，得出每個溫度點下的累計概率密度曲線如圖 13 所示。不同溫度下有機凝膠的 Weibull 分布參數見表 2。

     根據 Weibull 分布統計結果，獲得了不同溫度下，有機硅凝膠的擊穿場強，如圖 14 所示。從圖14 可知，溫度對有機硅凝膠的絕緣性能有重要影響，隨著溫度升高，23～80℃之間，有機硅凝膠的擊穿場強有所降低，但降低程度較小；當溫度達到120℃左右時，有機硅凝膠的擊穿場強明顯下降；當溫度達到 200℃時，有機硅凝膠的擊穿場強只有約常溫下的一半。

絕緣介電強度試驗是在相互絕緣的部件之間或絕緣的部件與地之間，在規定時間內施加規定的電壓，以此來確定 電機在額定電壓下能否安全工作,能否耐 受由于開關、浪涌及其它類似現象所導致的過電壓的能力，從而評定電機絕緣 材料或絕緣間隙是否合適。如果電機有缺陷，則在施加試驗電壓后，會產生擊穿放電或損壞。擊穿放電表現為飛弧(表 面放電)、火花放電(空氣放電)或擊穿(擊穿放電)現象。過大的漏電流可能引起電參數或物理性能的改變 。 

介電強度試驗與絕緣電阻測試是不能等同的。清潔、干燥的絕緣體盡管具有高的絕緣電阻,但卻可能發生不能經受 絕緣介電強度試驗的故障；反之，一個 臟的、損傷的絕緣體，其絕緣電阻雖然低,但在高電壓下也可能不會被擊穿。由 于絕緣部件是由不同材料制成或是由不同材料合成的，它們的絕緣電阻各不相同。因 此,絕緣電阻的測試不能wan全代表 對清潔度或無損傷程度的直接量度。但是，這種測試對確定高溫、潮濕、污物、氧化或揮發性材料等對絕緣特性影響 程度是極為有 益的。 　　

事實上，一臺由于過熱而使絕緣材料已經老化變脆的電機，其絕緣電阻仍可高達100MΩ,但卻無法通過絕緣介電強 度試驗。絕緣電阻測試對絕緣材料受潮特別敏感,對絕緣材料老化則顯得力不從心。 　　

絕緣介電強度試驗一般采用50Hz正弦波交流電，而絕緣電阻測試均采用直流電。