橡膠塑料電壓擊穿|電氣擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀絕緣材料抗電強(qiáng)度

一、強(qiáng)電場作用下絕緣材料的破壞

在強(qiáng)電場中工作的絕緣材料，當(dāng)所承受的電壓超越一臨界 值V穿時(shí)便喪失了絕緣材料性能而被擊穿，這種現(xiàn)象稱為 電介質(zhì)的擊穿，V穿稱為擊穿電壓。

• 采用相應(yīng)的擊穿場強(qiáng)來比較各種材料的耐擊穿能力，材料所能承受的最大電場強(qiáng)度稱為材料的抗電強(qiáng)度或介電強(qiáng)度， 其數(shù)值等于相應(yīng)的擊穿場強(qiáng)（V/m）：

E穿 =V穿/d

二、影響材料擊穿電壓的因素：

• 材料本身的性質(zhì)：固體介質(zhì)的擊穿同時(shí)伴隨著材料的破壞，而氣體及液體介質(zhì)被擊穿后，隨著外 電場的撤銷仍然能恢復(fù)材料性能。

• 外界因素：試樣和電極的形狀、外界的媒介、溫 度、壓力等。

電介質(zhì)的擊穿形式：介質(zhì)在電場中擊穿現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，一 個(gè)器件的擊穿可能有多種擊穿形式，主要有：

• 電擊穿

• 熱擊穿

• 化學(xué)擊穿

對(duì)于任意一種材料，這3種形式的擊穿都可能發(fā)生，主要 取決于試樣的缺陷情況及電場的特征（交流和直流，高頻 和低頻，脈沖電場等）以及器件的工作條件。

三、擊穿形式：

1、電擊穿

在強(qiáng)電場的作用下原來處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的少數(shù)“自由電子”將沿反電場方向 定向運(yùn)動(dòng)。在其運(yùn)動(dòng)過程中不斷撞擊介質(zhì)內(nèi)的離子，同時(shí)將其部分能量轉(zhuǎn) 給這些離子，當(dāng)外加電壓足夠高是，自由電子定向運(yùn)動(dòng)的速度超過一定臨 界值可使介質(zhì)內(nèi)的離子電離出次級(jí)電子，這些電子都會(huì)從電場中吸取能量 而加速，又撞擊出第三級(jí)電子，連鎖反應(yīng)將造成大量自由電子形成 “雪 崩” ，導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿，這個(gè)過程大概只需要10－7－10－8s的時(shí)間，因此 電擊穿往往是瞬息完成的。

2、熱擊穿

絕緣材料在電場下工作時(shí)由于各種形式的損耗，部分電 能轉(zhuǎn)變成熱能，使介質(zhì)被加熱，若器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量 大于器件散發(fā)出去的熱量，則熱量就在器件內(nèi)部積聚， 使器件溫度升高，升溫的結(jié)果進(jìn)一步增大損耗，使發(fā)熱 量進(jìn)一步增多，這樣惡性循環(huán)的結(jié)果使器件溫度不斷上 升，當(dāng)溫度超過一定限度時(shí)介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)燒裂、熔融等現(xiàn) 象而wan全喪失絕緣能力，這就是介質(zhì)的熱擊穿。

3、化學(xué)擊穿

長期運(yùn)行在高溫、潮濕、高電壓或腐蝕性氣體環(huán)境 下的絕緣材料往往會(huì)發(fā)生化學(xué)擊穿，化學(xué)擊穿和材 料內(nèi)部的電解、腐蝕、氧化、還原、氣孔中氣體電 離等一系列不可逆變化有很大的關(guān)系，而且需要相

當(dāng)長時(shí)間，材料被“老化” ，逐漸喪失絕緣性能， 最后導(dǎo)致被擊穿而破壞。

化學(xué)擊穿的機(jī)理：

（1）在直流和低頻交變電壓下，由于離子式電導(dǎo)引起電解過程，材料中發(fā) 生電還原作用，使材料的電導(dǎo)損耗急劇上升，最后由于強(qiáng)烈發(fā)熱成為熱化 學(xué)擊穿；

（2）當(dāng)材料中存在著封閉氣孔時(shí)，由于氣體的游離放出的熱量使器件溫度 迅速上升，變價(jià)金屬氧化物在高溫下金屬離子加速從高價(jià)還原成低價(jià)離子， 甚至還原成金屬原子，使材料電子式電導(dǎo)大大增加，電導(dǎo)的增加反過來又 使器件強(qiáng)烈發(fā)熱，導(dǎo)致最終擊穿。

四、影響抗電強(qiáng)度的因素：

（1）溫度

• 溫度對(duì)電擊穿影響不大；

• 對(duì)熱擊穿影響較大，溫度升高使材料的漏導(dǎo)電流增大，損耗增大，發(fā)熱量增 加，促進(jìn)了熱擊穿的產(chǎn)生；

• 環(huán)境的溫度升高使器件內(nèi)部的熱量不容易散發(fā)，進(jìn)一步加大了熱擊穿傾向。

• 溫度升高使材料的化學(xué)反應(yīng)加速，促使材料老化，加快了化學(xué)擊穿的進(jìn)程。

（2）頻率

• 頻率對(duì)熱擊穿有很大的影響，在一般情況下，如果其他條件不變，則E穿與 頻率w的平方根成反比，即：

五、抗電強(qiáng)度的測量與應(yīng)用：

在特定的條件下進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)GB/T1408.1-2016；IEC60243-1：2013；GB/T1408.2-2016；IEC60243-2：2013；ASTM D149；GB/T1695-2005；規(guī)定了固體電工材料頻擊穿電壓，擊穿場強(qiáng)，耐電壓的實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)試樣的尺寸，電極的形狀，加壓方式等都做了規(guī)定。

1、擊穿電壓基本概念

a)      擊穿電壓

用連續(xù)均勻升壓的方式對(duì)試樣施加電壓，使試樣發(fā)生擊穿時(shí)的電壓值?；蛞阎?/span>漸升壓的方法進(jìn)行試驗(yàn)，試樣承受住最高電壓，即在該電壓水平下，整個(gè)時(shí)間內(nèi)試樣不發(fā)生擊穿。

b)     介電強(qiáng)度

在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，擊穿電壓與施加電壓的兩電極之間距離的商，單位是KV/mm或者是MV/m.

            E=V/d

 式中：E——介電強(qiáng)度，KV/mm

       V擊穿——擊穿電壓，KV

       d——試樣厚度，mm

2、基本原理

介電強(qiáng)度測試采用連續(xù)升壓或逐級(jí)升壓方式升高電壓。記取試樣被擊穿時(shí)電壓值。如測試耐電壓值，則當(dāng)升壓達(dá)到規(guī)定電壓時(shí)停止升壓，使電壓值恒定在規(guī)定值，測試達(dá)到規(guī)定時(shí)間不被擊穿的電壓值。

3、測試設(shè)備：

a)      介電強(qiáng)度測試儀：

實(shí)驗(yàn)主機(jī)  控制裝置  電極及試驗(yàn)測控分析處理測試軟件等組成，其外形為：

橡膠塑料電壓擊穿|電氣擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀圖片

1）高壓變壓器   次級(jí)額定電流不小于0.03~0.1A，保證在介質(zhì)被擊穿瞬間不被燒壞。

2）調(diào)壓變壓器  本身損耗小，不發(fā)生波形畸變，能均勻的調(diào)節(jié)電壓，其容量與試驗(yàn)變壓器容量相同。

3）保護(hù)電路

4）電壓測量儀器

b)      測試電極

a .電極要求表面保持光滑，清潔，無傷痕，污垢等，常見的電極有黃銅及不銹鋼，退火鋁箔 彈性金屬片 導(dǎo)電粉末。

b.電極的規(guī)格尺寸應(yīng)與測試試樣配對(duì)。

板狀試樣電極D=25mm  H=25 mm  r=3mm

管狀試樣電極L=25mm  L=75mm

4、試驗(yàn)方法：

a)      試樣制備與處理

 a.根據(jù)測試產(chǎn)品規(guī)格及測試要求，采用模塑成型或機(jī)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(yīng)盡可能平整光滑，試樣厚度一般不小于3mm.

b.對(duì)于垂直材料表面的實(shí)驗(yàn)，要求試樣有足夠大的面積以防止試樣過程中發(fā)生閃絡(luò)

c.試樣預(yù)處理應(yīng)遵循測試材料的產(chǎn)品規(guī)定進(jìn)行。

b)      實(shí)驗(yàn)條件

1）常態(tài)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件：溫度為20±5，相對(duì)濕度為65±5%

2）熱態(tài)實(shí)驗(yàn)或潮濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)定。

3）實(shí)驗(yàn)媒介：介電強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)盡量在接近測試材料的實(shí)際使用環(huán)境的媒質(zhì)中進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)避免測試中發(fā)生閃絡(luò)。

如果要求在高溫下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可在任何設(shè)計(jì)合理的烘箱或熱的油浴中進(jìn)行。

c)      實(shí)驗(yàn)步驟：

1）根據(jù)要求選擇試樣，對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理。

2）調(diào)節(jié)環(huán)境的溫濕溫度并選好試驗(yàn)媒介。

3）測量試樣厚度。

4）試樣經(jīng)測厚和預(yù)處理后，再用綢布蘸上對(duì)材料無任何作用的溶劑擦凈表面，裝入儀器內(nèi)兩極之間，保持良好接觸，開始實(shí)驗(yàn)。

5）測試介電強(qiáng)度。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報(bào)告

1）擊穿的判斷  在擊穿時(shí)，回路的電流增加和試樣兩端電壓下降，使斷路器跳開或開熔絲燒斷。

2）介電強(qiáng)度計(jì)算

3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告  包括材料型號(hào)，名稱和規(guī)格，制造廠名稱；試樣形狀，尺寸，數(shù)量和處理條件；電極形式和尺寸；實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度及濕度；測試儀器和外施電壓；測量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果。

6、影響因素與討論

（一）試樣的厚度

a.隨試樣厚度增加，介電強(qiáng)度減小。

在擊穿中，既有電擊穿，也有熱擊穿。

b.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。

c.從電擊穿理論講

當(dāng)試樣較薄時(shí)，電子加速時(shí)間相應(yīng)地減小，電子不易從電極上逸出，其介電強(qiáng)度也相應(yīng)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.

（三）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(dāng)電極面積變化不大時(shí)，介電強(qiáng)度變化不大，

當(dāng)電極變成半圓球狀（r很大），介電強(qiáng)度變化較大。

邊緣效應(yīng)，靠邊緣處場強(qiáng)非常大的現(xiàn)象。

由于邊緣效應(yīng)，電極邊緣間的介質(zhì)容易已被擊穿。

而邊緣處場強(qiáng)的大小與倒角r有關(guān)系，

一般r小，場強(qiáng)變大，所以，標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定ｒ＝2.5mm。

（四）試驗(yàn)環(huán)境

多數(shù)材料在低溫下，介電強(qiáng)度與溫度無關(guān)，

當(dāng)溫度升高至某個(gè)高度，介電強(qiáng)度隨著溫度升高而下降。

濕度增加，介電強(qiáng)度也下降。

水分進(jìn)入試樣，電導(dǎo)變大之故。

（五）試樣加工

不良的加工方法會(huì)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(huì)使介電強(qiáng)度降低30～60%，降低程度隨缺陷的嚴(yán)重程度而異。