材料介電強度測試儀

材料介電強度測試儀—電容器介電強度試驗

介電強度是電容器的主要技術指標之一，它直接影響電容器的質量。

構成電容器的介質的質量決定了電容器的介電強度的高低，電容器的結構、生產工藝、極板面積的大小、工人的操作水平、電容器的散熱等因素也影響電容器的介電強度。

為了提高電容器的介電強度，解決生產過程中出現的問題，我們做了一些工作，總結了一些經驗，與大家共享。

1、電容器的介電強度概念

電容器的介電強度就是它承受加于兩引出端上的電壓而不致被擊穿（損壞）的能力。它主要取決于介質的介電強度和性質，此外也與電容器的結構特點、極板面積及散熱情況等因素有關。

2、電容器的電壓參數

在評定電容器的介電強度時，一般用擊穿電壓、試驗電壓和工作電壓來表征電容器的電壓參數。

2.1電容器的擊穿電壓U_b

當電容器上施加的電壓達到U_b時，其漏導的穩定狀態被破壞，引起電子電流的急劇增加，電容器在短時間內（幾秒鐘）產生的擊穿往往是電擊穿，而在長期工作后也可能產生其他形式的擊穿。例如，熱擊穿（高頻高壓作用下）和老化擊穿（電解性和電離性）等。

雖然電容器擊穿與介質擊穿有密切的關系，但由于電容器結構與工藝的影響，其擊穿強度與介質有很大的差別。首先，介質的擊穿是表示介質在均勻電場的作用下，介質的微觀本質（承受電場強度的能力）。而電容器的擊穿在很大程度上取決于它的宏觀結構和工藝條件，以及由此而引起的不均勻電場和不均勻介質，電容器的擊穿往往就發生在這些弱點處。其次，介質擊穿一般是在特定條件下進行的。例如，采用均勻介質，均勻電場，周圍環境的溫度、濕度、低氣壓、震動和沖擊等。在工作條件方面也會遇到高頻電壓、瞬時過電壓或重復脈沖等情況。同時，介質的擊穿是在短時間內施加電壓下測得的數據，而電容器擊穿是在長期工作負荷下產生的。電容器在長期工作和負荷之后，由于人工老化和自然老化，其介質的擊穿強度有逐漸下降的趨勢。由于上述原因，電容器的擊穿強度遠遠低于介質的擊穿強度。

采用相同材料和工藝制成的電容器 ，其擊穿電壓往往也有較大的分散性，這是由于工藝條件和材料不均勻性造成的。為了進行比較，通常采用電容器擊穿電壓的算術平均值即電容器的平均擊穿電壓U_ha，來表示電容器的擊穿強度。

2.2電容器的試驗電壓 U_t

在生產中 ，為了保證電容器的質量 ，必須經過一定的 測試電壓 ，剔除那些有明顯缺陷因而擊穿強度顯著降低的產品。這種測試性的電壓稱為試驗電壓U_t，一般為直流 ，施加電壓的時間為 10s。

2.3電容器的工作電壓 U_w

電容器的工作電壓是指電容器在一定期限內能可靠工作的電壓 ，又稱為額定電壓 ，它與電容器的工作期限(壽命)有關 。如果要延長電容器的工作期限，則必須降低工作電壓。

電容器的工作電壓與許多因素有關 ，除了決定于所用介質外 ，還決定于電容器的結構以及使用的環境條件。當溫度超過一定的數值后，則必須降低工作電壓。

電容器的工作電壓系列以直流為基礎 ，如果電容器施加的電壓為脈動電壓 ，一般規定交流分量不超過直流電壓的百分之幾到百分之幾十 ，隨交流分量頻率的增高而遞減。考慮到功率損耗增大會影響電容器的壽命 ，交流分量的允許值一般都選擇較低 ，同時還規定交流分量與直流分量的總和不得超過額定電壓。

2.4擊穿電壓、試驗電壓 、工作電壓之間的關系

為了保證電容器可靠地工作，既保證在瞬時過電壓作用下不發生擊穿 ，同時又保證在長期工作條件下不發生擊穿 ，就必須正確選擇電容器的擊穿電壓 、工作電壓和試驗電壓等值 ，并確定它們之間的關系。一般電容器的各種電壓的關系是 ：擊穿電壓 >試驗電壓 >工作電壓。

3、電容器的擊穿

電容器中存在三種擊穿形式 ，即電擊穿 、熱擊穿和老化擊穿。

3.1瞬時電壓作用下電容器的擊穿——電擊穿

電容器在電場作用下瞬時發生的擊穿稱為電擊穿。其機理為電容器介質中的自由電子 ，在強電場的作用下 ，碰撞中性分子，使之電離產生正離子和新的自由電子。電離過程的急劇發展形成雪崩式的電子流，導致介質擊穿。

3.1.1介質厚度的影響

電容器的工作電壓較低時，可以選擇較薄的介質 ，而工作電壓較高時，介質的厚度必須相應增加。但這并不意味著低電壓時電容器的工作場強就低，而高電壓時其工作場強就高。為了充分發揮介質的功能 ，使其能在較大的場強下工作而又不致于損壞 ，必須正確選擇介質厚度。

3.1.2極板面積的影響

在極板面積不大時(即小容量電容器)得出的結果。在計算大容量電容器時，必須考慮到隨著極板面積的增大 ，介質的瞬時擊穿強度將降低。這時由于在電場作用下的薄弱點增加 ，其擊穿的可能性也增加。

3.1.3電容器的邊緣擊穿

在瞬時過電壓的作用下 ，電容器不僅可能通過介質內部發生擊穿 ，當極板邊緣電場顯著不均勻時 ，還有可能沿極板邊緣發生擊穿。這稱為表面式擊穿或 “表面飛弧”，有時也稱為表面放電。

（1）電容器的邊緣放電過程

在 電容器極板邊緣電場畸變的情況下 ，可把電場強度看成是兩個相互垂直的分量 Et和 En的矢量和。Et為切線分量 ，是與介質表面平行且通過極板邊緣附近媒質的電場 。En為與介質表面垂直的法線分量 。如果極板邊緣有空氣存在 ，因為空氣的擊穿場強較固體介質低 ，而此時電場又集中在極板邊緣jian端處 ，故在不高的電壓下 ，該處空氣就開始電離并產生電暈現象 ，此時的電壓稱為電暈起始電壓 Uc。外加電壓如果繼續上升，電暈范圍逐漸向對面電極延伸。在電暈范圍的邊緣部分 ，產生樹枝狀的輝光現象 ，此時的電壓稱為輝光放電電壓Ug. 若電壓繼續增大 ，使輝光放電延伸到對面電極邊緣 ，則形成整個介質的邊緣放電，此時氣體已wan全擊穿，相應的電壓稱為表面放電電壓Us。

實際電容器在試驗電壓下決不允許發生表面擊穿 ，同時也不允許出現輝光和電暈現象 ，通常選取 Ut<Us。對無機介質而言 ，雖然有較高的耐電暈能力 ，但在測試時也應盡可能避免發生電暈。介質電容器中則應嚴格控制電暈的出現 ，這是因為介質產生電暈時 ，自由離子或電離過程中產生的電子直接轟擊介質，使介質老化。因此，必須選取這類電容器的 Ut<Uc，以保證電容器長期可靠地工作。

通過實驗證實，電容器的Uc, Ug和Us不僅與電場均勻性、電壓頻率、氣壓、濕度等因素有關，而且與邊緣放電路徑的大小有關。

(2)留邊量

金屬化薄膜電容器所采用的結構是一極板伸出于另一極板之外。

高壓介質電容器在介質邊緣較大的情況下 ，已知表面放電電壓不與△L成正比。在設計制造此類電容器時 ，應采用串聯芯子結構 ，要求每個芯子的電壓U在與△L成比例的范 圍之內，從而計算出△L的值 。

3.2電容器的熱擊穿

電容器在使用過程中，局部過熱使熱平衡破壞發生的短路現象 ，稱為電容器的熱擊穿。

產生熱擊穿的根本原因在于電容器的熱平衡狀態受到破壞 ，在外加電壓的作用下 ，電容器中的損耗使介質發熱 ，當達到熱平衡時 ，單位時間內因損耗產生的熱量等于沿電容器表面向四周環境中散發的熱量 ，電容器中沒有熱量的積累，不會發生熱擊穿。但是，當電容器產生的熱量來不及向外散發時 ，電容器內部的溫度將會愈來愈高，損耗也愈來愈大 ，如此循環下去 ，介質局部燒裂 ，燒熔 ，wan全喪失絕緣性能。

3.3在長期電壓作用下電容器的擊穿——老化擊穿

電容器在瞬時電壓作用下的電擊穿和表面放電，如果我們采用正確的結構和工藝 ，這種擊穿是可以避免的。但是 ，電容器在長期工作電壓的作用下 ，無論是有機介質還是無機介質 ，其擊穿強度都將隨時間的增加而逐漸降低， 以致到最后某一時刻被擊穿 ，這種過程稱為電容器的老化 。老化現象引起的擊穿稱為老化擊穿 ，其機理是電容器介質在電壓長期的作用下 ，發生物理 、化學的變化 ，使介質受到損害 ，性能逐漸惡化 ，導致產生熱擊穿或電擊穿。

電容器是否有可能產生擊穿 ，取決于其中是否存在氣隙。電容器中產生氣隙的原因是多方面的。首先，由于浸漬工藝、設備等原因，使介質層間以及介質與極板之間仍留有氣隙，或因為固體浸漬料冷卻后收縮等。其次，是因為某些介質本身有封閉氣隙。同時，電容器在使用過程中也可能產生新的氣隙 ，例如，浸漬料的放氣以及潮氣浸入 ，水分子在電場作用下的電離、分解，等等。

當氣隙上的電壓達到氣體擊穿電壓時，氣隙開始電離 ，此時電容器上放加的電壓稱為電離電壓Ui，相應的場強稱為電離場強Ei。

電容器中氣隙發生電離 ，不一定導致立即失效，但是在長期積累下 ，隨著電離的發展 ，就產生了老化擊穿。

在實際的生產過程中，可采用下列措施 ，以提高電容器的Ei：

(1)采用真空浸漬 ，電容器芯子經浸漬后 ，其Ei可顯著提高。這是因為浸漬后由浸漬料代替了空氣氣隙。當選用液體浸漬料時，應盡可能采用在電場作用下不分解出氣體的材料 ，否則會影響電離電壓。

(2)以金屬化電極代替箔電極，可消除介質層間以及介質與電極間的氣隙。

(3低壓薄膜電容器可采用熱聚合的方法消除氣隙。

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