擊穿耐壓裝置指標(biāo)

1、1影響絕緣材料擊穿的主要原因?qū)τ诮^緣材料，在不損壞其絕緣性能的情況下施加高電壓的過程稱為耐壓(抗電)試驗(yàn)；在破壞其絕緣時(shí)施加高電壓的過程稱為擊穿試驗(yàn)，擊穿時(shí)的電壓值稱為擊穿電壓。電氣設(shè)備的質(zhì)量檢查是靠耐壓試驗(yàn)完成的。若用連續(xù)均勻升壓或逐級(jí)升壓方法對(duì)厚度為d(mm)的絕緣材料試件施加高電壓，當(dāng)試件擊穿時(shí)的電壓值V(kV)就是擊穿電壓。試件在擊穿時(shí)每單位厚度上所承受的電壓值，或試件的擊穿電壓值與兩個(gè)電極間試件的平均厚度之比稱為擊穿強(qiáng)度：E=*/d(kV/mm),有的也稱為絕緣強(qiáng)度或介質(zhì)強(qiáng)度。影響介質(zhì)擊穿的主要客觀因素有12:1.1 施加電壓的時(shí)間多數(shù)絕緣材料的擊穿電壓與加電壓的時(shí)間有關(guān)系，擊穿電壓

2、隨加電壓的時(shí)間加長而明顯下降，見圖1,基本遵循下述經(jīng)驗(yàn)公式：«=Vi(l+式中，V加電壓時(shí)間視為無窮長時(shí)的最小擊穿電壓；V加電壓后t時(shí)刻的擊穿電壓；a與材料和試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)；t加電壓的時(shí)間。圖1擊穿電壓與加電壓時(shí)間的關(guān)系1.2 溫度和濕度在低溫范圍，擊穿電壓隨溫度的升降變化不大；在較高的溫度范圍，不管是絕緣材料本身還是周圍環(huán)境溫度升高和濕度增加，擊穿電壓都下降。對(duì)厚材料更為顯著，見圖2和圖3。圖2擊穿電壓與溫度的關(guān)系圖2擊穿電壓與溫度的關(guān)系圖3擊穿電壓與濕度的關(guān)系1.3 電壓頻率交流電壓對(duì)絕緣材料的考驗(yàn)最嚴(yán)格。隨著交頻率的增加，擊穿電壓值下降見圖4，這是因?yàn)轭l率增加時(shí)介質(zhì)的熱效應(yīng)

3、也增加，而且加速了局部放電的流破壞過程。圖4擊穿電壓與交流頻率的關(guān)系在直流電壓作用下，試件內(nèi)部的局部放電過程容易自行衰減，而且介質(zhì)損耗一般要比在交流電場(chǎng)中小，所以直流擊穿電壓要比交流擊穿電壓高。在脈沖電壓作用下，由于電壓有效作用時(shí)間很短，熱的積累效應(yīng)和局部放電造成的破壞來不及形成，因而其擊穿電壓要比直流擊穿電壓高施加電壓的速度及其他因素升壓的速度越快，擊穿電壓值越低。在高空條件下（相當(dāng)抽氣時(shí)的“真空”狀態(tài)），空氣密度減小，單位容積的熱容量減小，冷卻條件惡化。根據(jù)巴中定律可知空氣擊穿電壓減小了，因而介質(zhì)擊穿電壓明顯降低。被試樣件的擊穿電壓值可按下式校正：V0=M/A式中：Vo標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的試驗(yàn)電壓

4、：Vn在空中某高度（或抽氣狀態(tài)）的試驗(yàn)電壓：A隨高度改變的絕緣強(qiáng)度系數(shù)，A<1,其值見表1。表1隨高度改變的絕緣強(qiáng)度系數(shù)咼度H/m1000120015001800210024002700系數(shù)A10.980.950.920.890.860.83咼度H/m30003600420048005700600016000系數(shù)A0.80.750.70.650.610.560.23此外，擊穿電壓還受空氣間隙、試件本身厚度、放射線的照射、機(jī)械外力的作用、電極材料及其極性等原因的影響。2耐壓擊穿裝置的指標(biāo)外加電壓的量值及其波形失真度是公認(rèn)的指標(biāo)，擊穿裝置的容量也是不可缺少的指標(biāo)。2.1 容量定義目前我國所用

5、的交流耐壓擊穿裝置可簡(jiǎn)化成圖5的原理。其中T1是自耦變壓器；T2是高壓變壓器；R為保護(hù)電阻；J是過流繼電器。直流擊穿裝置一般是在高壓變壓器的高壓端增加一整流器。當(dāng)按規(guī)定的程序調(diào)節(jié)Ti時(shí)，在高壓變壓器的輸出端可得到要求的高電壓。所謂耐壓擊穿裝置的容量就是該裝置能夠輸出的最大容量或最大功率。圖5交流耐壓擊穿裝置原理2.1.1 確定容量的依據(jù)國內(nèi)參考文獻(xiàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)試件的電容量確定耐壓擊穿裝置的容量指標(biāo)。這樣不夠全面，還應(yīng)考慮試件的擊穿電流問題。為了系統(tǒng)起見，在此一并加以說明。.試件的電容一般認(rèn)為，在絕緣材料的擊穿試驗(yàn)和大量絕緣結(jié)構(gòu)的耐壓試驗(yàn)中，試件都呈現(xiàn)容性阻抗，而且試件在擊穿前的絕緣電阻均

6、很高，因此對(duì)交流的耐壓和擊穿試驗(yàn)，裝置的容量可按照試件在試驗(yàn)電壓作用下所流過的交流漏電流確定，所以規(guī)定其容量指標(biāo)不應(yīng)小于37P=wCV2式中：V施加在試件上的有效電壓；w角頻率,w=2nf,f為電源頻率；C試件呈現(xiàn)的等效電容值。做擊穿試驗(yàn)的絕緣材料試件的電容量一般為幾十到幾百pF,而擊穿電壓不超過100kV,所以一般技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擊穿裝置容量應(yīng)是保證其輸電流小于0.1A;而在絕緣結(jié)構(gòu)的耐壓試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于電容量較大的器件，如發(fā)電機(jī)，電力電容器和電纜等，另有專門規(guī)定，需用較大容量的擊穿裝置。這樣，對(duì)于不同的最高額定工作電壓，擊穿裝置的容量可取表2的數(shù)值。表2擊穿裝置容量數(shù)值最高額定輸出電壓U/kV5

7、以下5101020205050100擊穿裝置的容量P規(guī)/kVA0.51.02.55.010.0對(duì)于直流耐壓擊穿裝置，因?yàn)閣=2nf=0故不存在電容電流。即使當(dāng)高電壓施加在試件兩端面時(shí)能產(chǎn)生充電電流，吸收電流和電導(dǎo)電流等，但總的直流漏電流之和也不會(huì)超過幾毫安，所以核算到擊穿裝置上的容量可忽略不計(jì)。由于絕緣試件表面無顯著電壓降，所以不管離接地點(diǎn)多遠(yuǎn)，試件的絕緣表面與電極間的電位都相當(dāng)高，這樣就能使遠(yuǎn)離接地處的絕緣弱點(diǎn)也能擊穿，這便是直流耐壓擊穿裝置的獨(dú)到之處。.擊穿電流根據(jù)固體材料的擊穿理論，在高電壓作用下絕緣材料的擊穿原因有：電擊穿：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某臨界值時(shí)，電子從電場(chǎng)中獲得的能量超過損耗能量，

8、致使電子不斷加速而產(chǎn)生擊穿。熱擊穿：在電場(chǎng)作用下，除了絕緣材料本身介質(zhì)損耗而發(fā)熱外，還有因電流通過導(dǎo)體而產(chǎn)生的大量熱量傳到介質(zhì)中來，因此，雖然介質(zhì)所處的電場(chǎng)強(qiáng)度并不足以發(fā)生電擊穿，但由于熱量的積累，致使介質(zhì)內(nèi)部溫度升到某一臨界值，造成破壞。局部放電擊穿：若絕緣體內(nèi)存在氣隙，固體材料和氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度與介電系數(shù)成反比，而氣體的介電系數(shù)一般比固體小，所以氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度大于固體材料中的場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)氣體的擊穿強(qiáng)度總比固體低，因此當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，則氣隙先開始放電（擊穿），而固體材料一般仍保持完好，擊穿只發(fā)生在氣隙這一局部，有時(shí)會(huì)擴(kuò)展到兩極。流過介質(zhì)的電流隨外加電壓的變化規(guī)律如圖6所示。在低電壓時(shí)，電

9、流隨外加電壓而線性變化，當(dāng)外加電壓接近擊穿電壓值時(shí)，其變化關(guān)系不再符合歐姆定律，電流突然增加，直至介質(zhì)擊穿。擊穿電流的大小隨材料、試件和擊穿擴(kuò)展程度的不同而差異很大。由圖5可知，如果擊穿裝置的容量（輸出電流）不夠大，即過流繼電器調(diào)整得太靈敏（自保電流太小），就有可能出現(xiàn)假擊穿現(xiàn)象，在接近或達(dá)到擊穿電壓卻尚未完全擊穿的情況提前斷開高壓以示擊穿，因而可能增加產(chǎn)品的不合格率或降低了擊穿電壓的指標(biāo)。圖6電流隨外加電壓的變化規(guī)律在貴重電子設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，有的人希望把耐壓裝置的輸出電流調(diào)得很小，以期達(dá)到保護(hù)設(shè)備及元器件的目的。其實(shí)這樣做并不合理，其原因在于：耐壓試驗(yàn)是在施加高于設(shè)備額定工作電壓36倍的

10、情況下檢查設(shè)備的絕緣性能及發(fā)掘早期隱患、薄弱環(huán)節(jié)和潛伏故障，進(jìn)而加以預(yù)防，實(shí)質(zhì)規(guī)上這帶有一定的破壞性質(zhì)。而試件在擊穿過程總是伴有發(fā)聲、打火和冒煙等現(xiàn)象出現(xiàn)；擊穿后，在試件施加電壓的方向和位置出現(xiàn)貫穿小孔、開裂或燒焦的痕跡，如果耐壓裝置的過流繼電器輸出電流太小，可能出現(xiàn)假擊穿或隱擊穿，此時(shí)沒有上述現(xiàn)象。這樣，在正常情況下即使花費(fèi)很長的時(shí)間也難找出故障準(zhǔn)確位置；若不更換隱擊穿已遭強(qiáng)烈破壞的元器件，無疑是更大的隱患。在對(duì)貴重設(shè)備進(jìn)行耐壓檢查時(shí)，應(yīng)采用不太高的試驗(yàn)電壓，最大兩倍于其額定工作電壓，并進(jìn)行較長時(shí)間的耐壓（1小時(shí)或數(shù)小時(shí)）。這樣既能考核產(chǎn)品的絕緣強(qiáng)度又不致于損壞產(chǎn)品。可能有人要問，幾十年來我

11、國都是按照公式P=wCV計(jì)算工頻擊穿裝置的容量，為什么其結(jié)果都能滿足實(shí)際的需要呢？其實(shí)只有進(jìn)一步分析一下實(shí)際情況就會(huì)一目了然。為此選取絕緣材料的電容量為C=300pF一般在幾十到幾百pF的量級(jí)）,而低壓電器的總電容量有時(shí)較大，可選取C=3000pF,電源頻率f=50Hz,計(jì)算結(jié)果如表3所示。如果將表3和表2相比較，貝U可明顯看出，P規(guī)>>p計(jì),即標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定的擊穿裝置容量值要比P=wCV2計(jì)算的容量值大十幾倍甚至幾百倍。不管怎么說，實(shí)際上有意無意地為擊穿電流保留了很大余地，客觀上解決了需用電流問題。表3按P=wCV計(jì)算的容量值U/kV5102050100300pFIip/mA0.47

12、0.941.884.79.42Pp/VA2.369.437.7235.6942.53000pFIip/mA4.7Pp/VA23.6對(duì)于直流耐壓擊穿裝置，雖然不論什么容性試件都不考慮裝置的容量指標(biāo)問題，但是多數(shù)都規(guī)定了其容量值，一般規(guī)定直流耐壓擊穿裝置的輸出電流為2050mA實(shí)質(zhì)上這是考慮了擊穿電流的原因。直流擊穿裝置小于交流擊穿裝置容量的原因是，在直流電壓作用下，容性試件無電容電流；局部放電時(shí)的空間電荷形成反電場(chǎng)，降低了放電間隙的內(nèi)電場(chǎng)，從而熄滅了局部放電；在直流電場(chǎng)中的介質(zhì)損耗一般要比交流電場(chǎng)小。2.1.2 容量的保證措施.高壓變壓器：一般說來，高壓變壓器次級(jí)輸出的最大容量就是該裝置的容量。

13、所以在選用高壓變壓器時(shí)，首先保證其次初級(jí)繞組和矽鋼片橫截面積滿足所規(guī)定的容量要求。其次當(dāng)高壓變壓器的額定次級(jí)輸出電壓在5kV100k范圍時(shí)，應(yīng)保證其次級(jí)額定輸出電流不小于0.1A。.自耦變壓器：它處在高壓變壓器的輸入端，其容量應(yīng)大于或等于高壓變壓器的容量。2.1.3 耐壓擊穿裝置的容量在研制或生產(chǎn)低壓電器時(shí)，產(chǎn)生一般要進(jìn)行5kVV以下的耐壓試驗(yàn)。因低壓電器各點(diǎn)間的電容量有時(shí)較大，交流漏電流越大，而且各試驗(yàn)電壓的額定值各不相同，所以耐壓擊穿裝置的輸出電流不能仍保持0.1A不變；其輸出電流的大小應(yīng)能使耐壓擊穿裝置在額定耐壓V。下達(dá)到0.5kVA的容量，即10=0.5kVA/V。，例如，儀表、元器件

14、、傳感器的耐壓試驗(yàn)電壓額定值V0為3000V,則10=0.17A;吸塵器電機(jī)耐壓試驗(yàn)電壓額定值為1250V,則10=0.4A;半導(dǎo)體儀器、設(shè)備耐壓試驗(yàn)電壓額定值為500V,則I0=1A,等等。.過流繼電器：由此控制高壓變壓器輸入電流的大小。當(dāng)擊穿電流超過額定值1°時(shí)，則斷開高壓，以保證擊穿裝置不被燒壞；其次還起到阻止介質(zhì)故障區(qū)域不繼續(xù)擴(kuò)大的作用，選定了擊穿裝置之后，過流繼電器是調(diào)整其輸出功率的關(guān)鍵器件，它直接決定著裝置的實(shí)際容量大小。過流繼電器串接在高壓變壓器的初級(jí)線圈上，此時(shí)其電流值應(yīng)調(diào)整為lR=li=l°n°/ni（n°/m是高壓變壓器次，初線線圈的

15、匝數(shù)比，Io為規(guī)定的額定輸出電流）;有的過流繼電器串接在高壓變壓器的次級(jí)線圈上，此時(shí)過流繼電器的電流就等于規(guī)定的電流，即Ir=Io。.保護(hù)電阻：當(dāng)介質(zhì)或構(gòu)件擊穿或閃絡(luò)時(shí)，高壓突然降低，相當(dāng)一個(gè)沖擊電壓施加在高壓變壓器線圈上，可能將高壓線圈層間或匝間擊穿。所以當(dāng)試驗(yàn)電壓較高時(shí)（一般高于20kV），應(yīng)在高壓變壓器次級(jí)線圈上串聯(lián)一只（0.2Q/kV且其功率足夠大的）線繞限流電阻，以保護(hù)高壓變壓器；當(dāng)試驗(yàn)電壓較低時(shí)（一般低于20kV）而且試件的電容量較大時(shí)，限流電阻可能產(chǎn)生較大的電壓降，此電壓會(huì)影響有效實(shí)驗(yàn)電壓的高低，故不必串聯(lián)保護(hù)電阻。2.2其他指標(biāo)漏電流和擊穿電流不管是交流還是直流耐壓擊穿裝置，都應(yīng)具備測(cè)量這兩種參數(shù)的功能。由于不同介質(zhì)的擊穿電流大小相差懸殊，有的即使介質(zhì)已經(jīng)擊穿了但保護(hù)機(jī)構(gòu)仍不斷升高壓，所以更有必要測(cè)量擊穿電流。漏電流和擊穿電流的動(dòng)態(tài)范圍很寬，應(yīng)按對(duì)數(shù)方式顯承。2.2.1 電壓升降速度與高電壓保持時(shí)間各種耐壓擊穿試驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范都明確規(guī)定了這兩個(gè)參數(shù)的具體量值。目前，在某些產(chǎn)品的生產(chǎn)線上，為了提高批生產(chǎn)的試驗(yàn)速度，國內(nèi)外有的廠家采用了加速耐壓試驗(yàn)法，即所謂的“秒試驗(yàn)法”。就是按照一定的百分比（20%-30%把正常的額定電壓值提高，而將額定電壓的保持時(shí)間縮短一秒。不過應(yīng)當(dāng)注意到，該百分比的大小隨產(chǎn)品介質(zhì)及其周圍的散熱條件不同而異，一