電氣擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀/高壓擊穿/擊穿場強(qiáng)

介電強(qiáng)度試驗(yàn)電氣可靠性

電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備的穩(wěn)定與可靠性在很大程 度上取決于其絕緣，隨著電力系統(tǒng)額定電壓的提高， 對系統(tǒng)供電可靠性的要求也愈高，系統(tǒng)絕緣在高場 強(qiáng)下正常工作是非常重要的。 中壓電力電纜作為電 力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備之一，其損壞的大部分原因是 絕緣層擊穿，如常見的熱擊穿、電擊穿和局部放電引 起的擊穿等。 而選擇電氣穩(wěn)定性可靠的優(yōu)質(zhì)絕緣材 料是解決方案之一。

擊穿是絕緣材料的基本電性能之一，它決定了 絕緣材料在電場作用下保持絕緣性能的極限能力。 與電纜不同，絕緣材料通常只考慮電擊穿。 在較低 溫度下，采用消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制 條件下得到的電擊穿場強(qiáng)，稱為介電強(qiáng)度 。 介電強(qiáng)度僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，是材料的特 性參數(shù)之一，反映了絕緣材料耐受電場作用能力的 最大限度，因此可以選擇介電強(qiáng)度作為評價交聯(lián)聚 乙烯（XLPE）絕緣料電氣可靠性的試驗(yàn)參數(shù)。

1 樣品選擇

XLPE 絕緣料的耐溫等級通常為 90℃ ，電性能 和機(jī)械性能優(yōu)異。 對于沒有柔軟要求的中壓電纜， 絕緣主要采用 XLPE 料。 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB ／ T 10437— 2004規(guī)定了 35 kV 及以下的 XLPE 絕緣料的型式 試驗(yàn)要求。

35 kV 及以下的交聯(lián)電纜絕緣料已全實(shí)現(xiàn)國 產(chǎn)化，但是業(yè)內(nèi)實(shí)際使用的絕緣料有相當(dāng)一部分仍 采用進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)料。 為了選取有行業(yè)代表性的樣 品，作者采用來自 6 個不同的生產(chǎn)廠家的 10 kV 及 以下化學(xué)交聯(lián)聚乙烯絕緣料（YJ-10）。 按行業(yè)內(nèi)口 碑分為進(jìn)口優(yōu)質(zhì) YJ-

10 料兩家（A1，A2），國產(chǎn)優(yōu)質(zhì) YJ-10 料兩家 （ B1， B2）， 國產(chǎn)廉價 YJ-10 料 兩 家 （C1，C2）。 對 6 個樣品按 JB ／ T 10437—2004 標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行了型式試驗(yàn)，結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 試驗(yàn)程序

絕 緣 材 料 的 介 電 強(qiáng) 度 試 驗(yàn) 通 常 按 GB ／ T 1408. 1—2016《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第 1 部 分：工頻下的試驗(yàn)》 ［3］ 進(jìn)行。 此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用變 壓器油作為媒質(zhì)時測試絕緣材料短時介電強(qiáng)度的試 驗(yàn)方法。 例行的質(zhì)量控制試驗(yàn)通常取 5 次試驗(yàn)的中 值作為介電強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。 然而盡管介電強(qiáng)度是 絕緣材料的特性參數(shù)，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)總帶有一定的隨 機(jī)性和分散性，進(jìn)行電氣可靠性研究時，確定最小樣 本容量以及對試驗(yàn)結(jié)果的分析評定應(yīng)當(dāng)用統(tǒng)計學(xué)的 方法進(jìn)行。

同型 式 試 驗(yàn) 的 要 求 一 致， 本 試 驗(yàn) 按 GB ／ T 1408. 1—2016 在室溫下進(jìn)行，采用厚度（1±0. 1）mm 的已交聯(lián)試片，垂直放置的上下等直徑 25 mm 圓柱 電極，周圍媒質(zhì)選擇新鮮的變壓器油，連續(xù)升壓速率 為 2 000 V／ s。 按大樣本里面最小樣品數(shù)量，試驗(yàn) 擊穿點(diǎn)選擇 60～70 個之間。 得到了 6 個 YJ-10 絕緣 料的介電強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

3 估計 Weibull 分布參數(shù)

Weibull 分 布 是 瑞 典 科 學(xué) 家 Weibull （ W. Weibull）1951 年在分析材料強(qiáng)度及鏈條強(qiáng)度時推導(dǎo) 出的一種分布函數(shù)。 由于 Weibull 分布對于各種 類型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合能力很強(qiáng)，例如指數(shù)分布只能 適用于偶然失效期，而 Weibull 分布對于浴盆曲線 的三個失效期都能適用，適用性廣、覆蓋性強(qiáng)。 在疲 勞可靠性分析方面有著廣泛應(yīng)用。

Weibull 分布具有三個分布參數(shù)，通過三個分 布參數(shù)的不同組合，可以得到各種形狀的曲線，能 描述各種不同的分布類型。 如形狀參數(shù) α＜ 1 時， Weibull 分布可描述伽瑪分布；當(dāng) α ＝ 1 時，可描述 指數(shù)分布；當(dāng) α ＝ 2 時，可描述瑞利（ Rayleigh） 分 布；當(dāng) α ＝ 3. 6 時，Weibull 分布的概率密度函數(shù)是 嚴(yán)格的對稱圖形，可描述正態(tài)分布曲線。 因此一 般認(rèn)為大多數(shù)隨機(jī)變量或?qū)嶒?yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)都服從 Weibull 分布。

Weibull 分布在描述失效模式方面具有更大的 靈活性，形狀參數(shù) α 可給出失效機(jī)理［7］ 。 當(dāng)形狀參 數(shù) α＜1 時，產(chǎn)品的失效率隨時間逐漸減小，為早期 失效；當(dāng) α＝ 1 時，產(chǎn)品的失效率不隨時間變化，等于 常數(shù)，為偶然失效；當(dāng) α＞1 時，產(chǎn)品的失效率隨時間 逐

漸增大，為耗損失效。 其中當(dāng) 1. 0＜α＜4. 0 時，失 效原因可描述為侵蝕失效或大多數(shù)樣品失效；α ＞ 4. 0 時，為快速耗損失效，可懷疑材料存在固有屬性 限制、宏觀制造過程缺陷、制造過程和／ 或材料中的 微小易變性等問題。 在設(shè)計壽命期如果出現(xiàn)大的 α 值應(yīng)給予重視，因?yàn)樗硎敬藭r整個系統(tǒng)存在全 失效的風(fēng)險。

絕緣材料的電擊穿可看做電應(yīng)力集中源導(dǎo)致的 材料疲勞失效，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總帶有一定的隨機(jī)性和分 散性。 經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，絕緣材料的電擊 穿用 Weibull 分布規(guī)律來描述是比較合適的。

若電場強(qiáng)度 E 是一個非負(fù)的隨機(jī)變量，F（E）為 單位體積絕緣材料在電場強(qiáng)度升到 E 時發(fā)生擊穿 的概率［2］ ，則電場強(qiáng)度升到 E 時不發(fā)生擊穿的概率 為 1－ F（E），記作 P（E）＝ 1－ F（E）。 F（E）和 P（E） 用三參數(shù) Weibull 分布函數(shù)表示為

函數(shù) F（E） 對 E 的變化率 f（E），稱為 Weibull 分布概率密度，其表達(dá)式為

式中：α 為形狀參數(shù)，或 Weibull 斜率；E0 為位置參 數(shù)；β 為比例參數(shù)，或尺度參數(shù)。

參數(shù) α 和 β 表示 Weibull 分布的分布特征。 α 為形狀參數(shù)，決定了分布曲線的形狀，α 又被稱為 Weibull 斜率，是材料內(nèi)在的表征參數(shù)，與材料的質(zhì) 量有關(guān)，可以描述產(chǎn)品的失效機(jī)理，表征材料性能， 描述試驗(yàn)材料的性能優(yōu)劣。 參數(shù) β 不能改變曲線的 變化趨勢，但能使曲線的“跨度” 改變，因此決定了 分布的比例或者說尺度，稱為比例參數(shù)或尺度參數(shù)。 E0 取不同數(shù)值，f（E） 曲線的形狀不會改變，僅位置 在平移，故 E0 稱為位置參數(shù)。 E0 是擊穿的閾值，是 材料的最小壽命，表示電場強(qiáng)度升到 E0 之前，絕緣 材料不會擊穿，由于絕緣材料的擊穿機(jī)理為最小值 失效，所以 E0 值應(yīng)超過“安全裕度×設(shè)計壽命”。

三參數(shù) Weibull 分布的參數(shù)估計比較復(fù)雜，大 多數(shù)估計方法都需要編程計算。 本試驗(yàn)采用了 EXCEL 估計 Weibull 分布參數(shù)的方法［8］ ，失效概率采 用中位秩算法，先給出用相關(guān)系數(shù)優(yōu)化法求解三參 數(shù) Weibull 分布位置參數(shù)的公式，再將該公式利用 MS EXCEL 中的規(guī)劃求解功能進(jìn)行求解，求得位置 參數(shù) E0 ，同時利用圖表功能求解了形狀參數(shù) α 和尺 度參數(shù) β。

4 解析試驗(yàn)結(jié)果———Weibull 分布圖形

根據(jù)表 2 的參數(shù)得到了 6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率圖（見圖 1）、Weibull 分布 失效概率圖（見圖 2）和 Weibull 分布失效概率密度 函數(shù)圖（見圖 3）。 圖 1 中所有絕緣材料的數(shù)據(jù)點(diǎn)均 擬合成一條由上向下，從右側(cè)漸近于橫軸的光滑曲 線，它們與橫軸交點(diǎn)的可靠性為 0，即全失效時的 介電強(qiáng)度值 Ef。 圖 2 中所有絕緣材料的數(shù)據(jù)點(diǎn)均 擬合成一條由下向上，從左側(cè)漸近于橫軸的光滑曲 線，它們與橫軸交點(diǎn)的可靠性為 100％，即失效性為 0 時的介電強(qiáng)度值 E0 。 圖 3 中所有絕緣材料的數(shù)據(jù) 點(diǎn)均擬合成或肥頭或肥尾的光滑單峰曲線，這些曲 線近似對稱分布，從左右兩側(cè)漸近于橫軸，它們與橫 軸的左側(cè)交點(diǎn)就是 E0 值，右側(cè)交點(diǎn)就是 Ef 值。

5 解析試驗(yàn)結(jié)果

5. 1 形狀參數(shù) α

由表 2 可知，6 個 YJ-10 絕緣料 Weibull 分布的 形狀參數(shù) α 在 2～10 之間，從 A1 到 C2 依次遞增，最 小 2. 14，最大 8. 97。 不同的形狀參數(shù) α，不僅描述 了絕緣料的不同 Weibull 分布曲線形狀，也可分析描述絕緣料失效機(jī)理的不同，由此可以區(qū)分絕緣料 介電強(qiáng)度性能的優(yōu)劣。

不同的形狀參數(shù) α，使得 6 個絕緣料呈現(xiàn)出不 同的 Weibull 分布曲線形狀，將圖 3 中 6 個 YJ-10 絕 緣料的 Weibull 分布失效概率密

度曲線圖以 A1 的 介電強(qiáng)度峰值 EW中為基準(zhǔn)移動，則得到圖 4 中峰頂 值重合的 6 條曲線。 可以看出 2≤α≤3 的 A1、A2 和 B1 絕緣料的 Weibull 分布曲線呈峰值偏左的單 峰肥尾形，α 為 4. 56 的 B2 絕緣料的 Weibull 分布曲 線呈近似對稱分布，而 6≤α≤9 的 C1 和 C2 絕緣料 的 Weibull 分布曲線呈峰值偏右的單峰肥頭形。 這 些不同的曲線形狀，體現(xiàn)了介電強(qiáng)度分布的概率密 度區(qū)域不同。

不同的形狀參數(shù) α，也可分析描述絕緣料失效 機(jī)理的不同。 由于 6 個絕緣料的 α＞1，絕緣料的介 電強(qiáng)度失效均可描述為耗損失效，這與實(shí)際情況相 符。 其中 A1、A2 和 B1 絕緣料的 1. 0＜α＜4. 0，失效 原因可描述為侵蝕失效或大多數(shù)樣品失效，意即失 效是擊穿電壓侵蝕外因引起的大多數(shù)樣品失效。 B2、C1 和 C2 的 α＞4. 0，除了描述失效原因是耗損失 效外，還暗示為快速耗損失效，可懷疑材料存在固有 屬性限制、宏觀制造過程、制造過程和／ 或材料中的 微小易變性等問題。 在設(shè)計壽命期如果出現(xiàn)大的 α 值應(yīng)給予重視，因?yàn)樗硎敬藭r整個系統(tǒng)存在全 失效的風(fēng)險。

因此，給出了介電強(qiáng)度 Weibull 分布的形狀參數(shù) α，就確定了 Weibull 分布曲線形狀，也就確定了介電 強(qiáng)度分布的概率密度區(qū)域。 形狀參數(shù) α 的大小描述 了樣品的失效機(jī)理，即絕緣料介電強(qiáng)度失效為損耗失 效。 其中，1. 0＜α＜4. 0 的 A1、A2 和 B1 絕緣料的介電 強(qiáng)度失效為大多數(shù)樣品失效，而 α＞4. 0 的 B2、C1 和 C2 絕緣料的介電強(qiáng)度失效就暗示了是由材料綜合性 能較差引起的快速耗損失效，需要給予重視，看其是 否會增大整個系統(tǒng)全失效的風(fēng)險。 由此可以得出 結(jié)論，相對于 A1、A2 和 B1，絕緣料 B2、C1 和 C2 的介 電強(qiáng)度失效機(jī)理更多是由材料較劣質(zhì)引起的。5. 2 尺度參數(shù) β

由表 2 和圖 4 可知，6 個 YJ-10 絕緣料 Weibull 分布的尺度參數(shù) β 在 10～40 之間，從 A1 到 C2 依次 遞增，最小 11. 52，最大 36. 16。 一般來說，尺度參數(shù) β 不能改變 Weibull 分布的形狀，只能影響曲線的尺 度，β 越大，曲線越平坦。 從圖 4 可見，6 個 YJ-10 絕 緣料的 Weibull 分布失效概率曲線的寬度隨 β 的增 大而增大，但曲線的高度并未單純隨 β 的增大而降 低。 仔細(xì)觀察圖 4 中曲線的形狀，可以發(fā)現(xiàn)峰的高 度和曲線的寬度與 β ／ α 比值有關(guān)（見表 3）。 β ／ α 比 值較小的 B1 和 C2 峰最高最窄，β ／ a 比值最大的 C1 峰低最寬。 這說明，在形狀參數(shù) α 不變的情況 下，

尺度參數(shù) β 僅能影響曲線的尺度，而對不同樣品 的 Weibull 分布來說，形狀參數(shù) α 和尺度參數(shù) β 共 同影響了曲線的分布。 而一旦形狀參數(shù) α 確定，分 布的寬度越小，說明 Weibull 分布失效概率區(qū)域越 集中，這時就希望有較小的尺度參數(shù) β。5. 3 位置參數(shù) E₀

6 個 YJ-10 絕緣料的位置參數(shù) E0 ，也即擊穿電 場強(qiáng)度的最小閾值，有 4 個分布在 30 ～ 40 kV／ mm 之間，有 2 個分布在 14 ～ 16 kV／ mm 之間。 如果行 業(yè)各方能確定中壓電纜絕緣料 YJ-10 的低工頻電 壓破壞強(qiáng)度 EL（ac） ，譬如，JB ／ T 10437—2004 標(biāo)準(zhǔn)中 介電強(qiáng)度要求不小于 25 MV／ m， GB ／ T 1408. 1— 2006 標(biāo)準(zhǔn)中要求任何一次試驗(yàn)結(jié)果不能偏離中值 15％以上。 如果某 YJ-10 絕緣料的介電強(qiáng)度中值為 25 MV／ m，則試驗(yàn)結(jié)果中最小值應(yīng)不小于 25 ×（1 － 15％） ＝ 21. 25 MV／ m。 如果將 21. 25 MV／ m 作為 YJ-10 絕緣料的低工頻電壓破壞強(qiáng)度 EL（ac） ，那么 EL（ac）應(yīng)該為最小閾值 E0 的下限值，則有 E0≥21. 25 MV／ m，那么 6 個 YJ-10 絕緣料中只有 A1、A2、B1 和 B2 滿足要求，而 C1 和 C2 不滿足要求。 當(dāng)然此處 的 21. 25 MV／ m 僅為舉例，實(shí)際使用中最小閾值 E0 的下限值 EL（ac）應(yīng)由行業(yè)各方共同確定。

由于電纜擊穿模式是最薄弱環(huán)節(jié)失效，不管所 用絕緣料介電強(qiáng)度的中值或平均值是多少，擊穿發(fā) 生時的介電強(qiáng)度值總是該絕緣料的最小介電強(qiáng)度 值。 從這個意義上講，電纜的電氣可靠性評估與絕 緣料 Weibull 分布參數(shù)中介電強(qiáng)度最小閾值 E0 的 大小密切相關(guān)。 由圖 1 也可以看到， A1 和 A2、B1 和 B2 與 C1 和 C2 絕緣料電氣可靠性概率為 100％ （失效概率為 0％） 時對應(yīng)的介電強(qiáng)度是依次遞減 的，如果相應(yīng)的介電強(qiáng)度遞減到最小閾值 E0 以下， 則可判定該絕緣料電氣可靠性較差。 由此，可用最 小閾值 E0 評估 YJ-10 絕緣料在電氣可靠性方面的 優(yōu)劣。

6 描述絕緣料介電強(qiáng)度試驗(yàn)的參數(shù)

根據(jù)估計的分布參數(shù)，得到 6 個 YJ-10 絕緣料 介電強(qiáng)度試驗(yàn)的 Weibull 分布可靠性概率曲線圖 （圖 1）、 Weibull 分布失效概率曲線圖 （ 圖 2） 和 Weibull 分布失效概率密度曲線圖（圖 3）。 從圖中 可見，6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率 是隨著電壓升高遞減的，同時失效概率是隨著電壓 升高遞增的。 這與絕緣料實(shí)際失效情況是吻合的， 說明絕緣材料介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從 Weibull 分布，絕緣材料的電擊穿用 Weibull 分布規(guī)律來描 述是比較合適的。

圖 3 中的 6 條曲線，根據(jù)自身的形狀參數(shù) α、尺 度參數(shù) β、位置參數(shù) E0 ，呈現(xiàn)出以各自峰值 EW峰為峰 頂?shù)膯畏逍螤睢?由于 EW

峰 值不同，6 條曲線幾乎都 不全重疊。 其中以 B1 的 EW峰 值最小，所以 B1 曲線在圖 3 中 6 條曲線的最左邊，其失效概率密度的 分布區(qū)域 E 值總體最小，而 B2、C1 和 C2 由于峰值 EW峰較大，其曲線在圖 3 中 6 條曲線的最右邊，相對 而言，盡管其形狀參數(shù) α 和尺度參數(shù) β 較大、位置參 數(shù) E0 較小，其失效概率密度的分布區(qū)域 E 值總體 并不小。 也就是說僅用 EW峰值來表述 YJ-10 絕緣料 的介電強(qiáng)度試驗(yàn)是不完整的，但如果忽略掉參數(shù) EW峰值，僅用 Weibull 分布的三參數(shù)來表述也是有失 偏頗的。 因此我們建議用 Weibull 分布的三參數(shù)形 狀參數(shù) α、尺度參數(shù) β、位置參數(shù) E0 和峰值 EW峰共同 描述絕緣料的介電強(qiáng)度試驗(yàn)比較合適。

7 結(jié) 論

試驗(yàn)所用的樣品很有代表性，基本上覆蓋了業(yè) 內(nèi)絕緣料的質(zhì)量分布區(qū)間。 樣品分別來自 6 個不同的生產(chǎn)廠家，進(jìn)口優(yōu)質(zhì)料有兩家，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)料 有兩家，國產(chǎn)廉價料有兩家。 其中，進(jìn)口優(yōu)質(zhì)料和國 產(chǎn)廉價料購自市場，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)料由筆者在生產(chǎn)現(xiàn)場 監(jiān)制并封樣。 這些樣品采用介電強(qiáng)度試驗(yàn) Weibull 分布參數(shù)評估的電氣可靠性優(yōu)劣情況與業(yè)內(nèi)實(shí)際使 用情況相符。 因此， “采用介電強(qiáng)度試驗(yàn) Weibull 分 布參數(shù)評估絕緣料電氣可靠性的方法”能夠 反映當(dāng)前國內(nèi)的實(shí)際情況，研究結(jié)果具有代表性。 對 6 個絕緣料的型式試驗(yàn)結(jié)果和 Weibull 分 布的參數(shù)和圖形進(jìn)行了分析，得出了以下分析結(jié)論：

（1） 6 個 YJ-10 絕緣料型式試驗(yàn)的結(jié)果都符合 JB ／ T 10437—2004 標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2） 從 6 個 YJ-10 絕緣料介電強(qiáng)度的 Weibull 分布圖中可見，6 個 YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可 靠性概率是隨著電壓升高遞減的，同時失效概率是 隨著電壓升高遞增的。 這與絕緣料實(shí)際失效情況是 吻合的，說明絕緣材料介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從 Weibull 分布，絕緣材料的電擊穿用 Weibull 分布規(guī) 律來描述是比較合適的。

（3） 6 個 YJ-10 絕緣料介電強(qiáng)度的 Weibull 分 布形狀參數(shù) α＞1，說明 6 個 YJ-10 絕緣料介電強(qiáng)度 失效為損耗失效。 其中，1. 0 ＜α＜ 4. 0 的 A1、A2 和 B1 絕緣料的介電強(qiáng)度失效為大多數(shù)樣品失效，而 α＞4. 0 的 B2、C1 和 C2 的絕緣料介電強(qiáng)度失效就暗 示了是由材料綜合性能較差引起的快速耗損失效， 需要重視其是否會增大整個系統(tǒng)全失效的風(fēng)險。 由此可以得出結(jié)論，相對于 A1、A2 和 B1，絕緣料 B2、C1 和 C2 的介電強(qiáng)度失效機(jī)理更多是由材料較 劣質(zhì)引起的。

（4） 形狀參數(shù) α 不變的情況下，尺度參數(shù) β 僅能影響曲線的尺度，而對不同樣品的 Weibull 分布 來說，形狀參數(shù) α 和尺度參數(shù) β 共同影響了曲線的 分布。 而一旦形狀參數(shù) α 確定，分布的寬度越小， 說明 Weibull 分布失效概率區(qū)域越集中，這時就希 望有較小的尺度參數(shù) β。

（5） 由于電纜擊穿模式是最薄弱環(huán)節(jié)失效，不 管所用絕緣料介電強(qiáng)度的中值或平均值是多少，擊 穿發(fā)生時的介電強(qiáng)度值總是該絕緣料

的最小介電強(qiáng) 度值。 從這個意義上講，電纜的電氣可靠性評估與 絕緣料的 Weibull 分布參數(shù)中介電強(qiáng)度最小閾值 E0 的大小密切相關(guān)。 由圖 1 也可見， A1 和 A2、B1 和 B2 與 C1 和 C2 絕緣料電氣可靠性概率為 100％（失 效概率為 0％）時對應(yīng)的介電強(qiáng)度是依次遞減的，若 相應(yīng)的介電強(qiáng)度遞減到最小閾值 E0 以下，則可判定 該絕緣料電氣可靠性較差。 由此，可用最小閾值 E0 評估 YJ-10 絕緣料在電氣可靠性方面的優(yōu)劣。

（6） 用 Weibull 分布的三參數(shù)即形狀參數(shù) α、尺 度參數(shù) β、位置參數(shù) E0 和峰值 EW峰 共同描述 YJ-10 絕緣料的介電強(qiáng)度試驗(yàn)是合適的。

以上分析表明，我們得到了一種快速檢測 YJ10 絕緣料電氣可靠性的方法，可用以下程序按此方 法評估和鑒別原材料優(yōu)劣：對目標(biāo) YJ-10 絕緣料進(jìn) 行介電強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)用 Weibull 分布對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn) 行擬合計算，得到 Weibull 分布的三參數(shù)即形狀參 數(shù) α、尺度參數(shù) β、位置參數(shù) E0 和 Weibull 分布的介 電強(qiáng)度峰值 EW峰。 期望的較優(yōu)質(zhì)中壓電纜 YJ-10 絕 緣料介電強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)滿足如下要求：

（1） 形狀參數(shù) α 在 1. 0＜α＜4. 0 區(qū)間內(nèi)；

（2） 尺度參數(shù) β 較?。ū敬?span> 6 個樣品 β 的中間 值為 16，平均值為 21）；

（3） 位置參數(shù) E0 應(yīng)大于限定值，該限定值應(yīng)為 低工頻電壓破壞強(qiáng)度 EL（ac）（按 JB ／ T 10437—2004 標(biāo)準(zhǔn) EL（ac） 可為 21. 25 MV／ m，作為參考，電線電纜 手冊（第一冊 2008 版） 表 3-3-10 列出了額定電壓 66～500 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜通過 Weibull 曲線求出 的 EL（ac） ）；

（4） 介電強(qiáng)度峰值 EW峰 大于限定值（本次 6 個 樣品 Weibull 分布的平均值 EW平為 47. 4 MV／ m）。

電氣擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀/高壓擊穿/擊穿場強(qiáng)主要技術(shù)指標(biāo)：

電擊穿：

電擊穿是指固體介質(zhì)在強(qiáng)電場的作用下，內(nèi)部少量可自由移動的載流子劇烈運(yùn)動，與晶格上的原子發(fā)生碰撞使之游離，并迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致?lián)舸?。特點(diǎn)是：電壓作用時間短，擊穿電壓高，與電場均勻度密切相關(guān)，但與環(huán)境溫度及電壓作用時間幾乎無關(guān)。

簡介：

固體電介質(zhì)的純粹電破壞過程稱為電擊穿。電擊穿是因?yàn)楣腆w電介質(zhì)中的自由電子在強(qiáng)電場中作加速運(yùn)動，累積較大的動能，這些動能足以破壞介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)生碰撞游離的連鎖反應(yīng)時，會在電介質(zhì)中產(chǎn)生貫穿的導(dǎo)電通道，而使固體介質(zhì)喪失絕緣性能，導(dǎo)致電擊穿。

電擊穿的特點(diǎn)是：電壓作用時間短，擊穿場強(qiáng)與電場均勻程度有密切關(guān)系，與周圍環(huán)境溫度幾乎無關(guān)。

擊穿形式：

固體電介質(zhì)的擊穿過程及其擊穿電壓的大小不但取決于電介質(zhì)的性能，而且還與電場分布、周同溫度、散熱條件、周同介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)、加壓速度和電壓作用的持續(xù)性等有關(guān)。固體電介質(zhì)根據(jù)其擊穿發(fā)展的過程小同，可分為電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿二種形式。發(fā)生哪種擊穿形式，取決于介質(zhì)的性能和工作條件。

擊穿機(jī)制：

在強(qiáng)電場下，固體導(dǎo)帶中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在一些電子。這些電子一方面在外電場作用下被加速，獲得動能；另一方面與晶格振動相互作用，把電場能量傳遞給晶格。當(dāng)兩個過程在一定的溫度和場強(qiáng)下平衡，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)：當(dāng)電子從電場中得到的能量大于傳遞給品格振動的能量時，電子的動能就越來越大，至電子能量大到一定值時，電子與晶格振動的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。

本征電擊穿機(jī)制

實(shí)驗(yàn)上，本征電擊穿表現(xiàn)的擊穿主要是由所加電場決定的，在所使用的電場條件下，使電子溫度達(dá)到擊穿的臨界水平。觀察發(fā)現(xiàn)，本征擊穿發(fā)生在室溫或室溫以下。發(fā)生的時間間隔很短，在微秒或微秒以下。本征擊穿所以稱之為“本征”，是因?yàn)檫@種擊穿機(jī)制與樣品或電極幾何形狀無關(guān)，或者與所加電場的波形無關(guān)。因此在給定溫度下，產(chǎn)生本征擊穿的電場值僅與材料有關(guān)。

這種擊穿與介質(zhì)中的自由電子有關(guān)。介質(zhì)中自由電子的來源為雜質(zhì)或缺陷能級、價帶。

雪崩式電擊穿機(jī)制

熱擊穿機(jī)制對于許多陶瓷材料是適用的。如果材料尺寸可看成是薄膜時，則雪崩式擊穿機(jī)制更為有效。

雪崩式電擊穿機(jī)制是把本征電擊穿機(jī)制和熱擊穿機(jī)制結(jié)合起來。因?yàn)楫?dāng)電子的分布不穩(wěn)定時，必然產(chǎn)生熱的結(jié)果。因此，這種理論是用本征電擊穿理論描述電子行為，而擊穿的判據(jù)采用的是熱擊穿性質(zhì)。

雪崩式理論認(rèn)為：電荷是逐漸或者相繼積聚，而不是電導(dǎo)率的突然改變，盡管電荷集聚在很短時間內(nèi)發(fā)生。

雪崩式電擊穿最初的機(jī)制是場發(fā)射或離子碰撞。場發(fā)射假設(shè)由隧道效應(yīng)來自價帶的電子進(jìn)入缺陷能級或進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)致傳導(dǎo)電子密度增加。

局部放電擊穿

局部放電就是在電場作用下，在電介質(zhì)局部區(qū)域中所發(fā)生的放電現(xiàn)象，這種放電沒有電極之間形成貫穿的通道，整個試樣并沒有被擊穿。例如氣體的電暈放電、液體中的氣泡放電都是局部放電。對于固體電介質(zhì)來說，電極與介質(zhì)之間常常存在著一層環(huán)境媒質(zhì)：氣隙或油膜。就固體電介質(zhì)本身來說，實(shí)際上也是不均勻的，往往存在著氣泡、液珠或其他雜質(zhì)和不均勻的組分等。例如陶瓷就是一種多孔性的不均勻材料。由于氣體和液體介電常數(shù)較小，因此承受的電場強(qiáng)度較高。同

時氣體和液體的擊穿電場強(qiáng)度又比較低，于是當(dāng)外施電壓達(dá)到一定數(shù)值時，在這薄弱的區(qū)域，就發(fā)生局部放電。

局部放電是脈沖性的，其過程與電暈放電相同。放電結(jié)果產(chǎn)生大量的正、負(fù)離子，形成空間電荷，建立反電場，使氣隙中的總電場強(qiáng)度下降，放電熄滅。這樣的放電持續(xù)時間很短，為10-8～10-9s。在直流電壓作用時，放電熄滅后直到空間電荷通過表面泄漏，使反電場削弱到一定程度，才能開始第二次放電。因此在直流電壓作用下，放電次數(shù)甚少。在交流電壓作用時，情況就有所不同。由于電壓的大小與方向是變動的，放電將反復(fù)出現(xiàn)，以上表明局部放電是脈沖性的。

工程介質(zhì)，從材料本身來說，其本征擊穿電場強(qiáng)度一般較高，但由于介質(zhì)的不均勻性和各種影響，實(shí)際擊穿強(qiáng)度往往并不很高，有時甚至要降低一、二個數(shù)量級，其中重要原因之一就是局部放電。

熱擊穿的特點(diǎn)是：擊穿電壓隨溫度的升高而下降，擊穿電壓與散熱條件有關(guān)，如電介質(zhì)厚度大，則散熱困難，因此擊穿電壓并不隨電介質(zhì)厚度成正比增加；當(dāng)外施電壓頻率增高時，擊穿電壓將下降。

電化學(xué)擊穿

固體電介質(zhì)受到電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的長期作用時，其物理和化學(xué)性能會發(fā)生不可逆的老化，擊穿電壓逐漸下降，長時間擊穿電壓常常只有短時擊穿電壓的幾分之一，這種絕緣擊穿成為電化學(xué)擊穿。

液體電介質(zhì)

純凈液體電介質(zhì)與含雜質(zhì)的工程液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理不同。對前者主要有電擊穿理論和氣泡擊穿理論，對后者有氣體橋擊穿理論。沿液體和固體電介質(zhì)分界面的放電現(xiàn)象稱為液體電介質(zhì)中的沿面放電。這種放電不僅使液體變質(zhì)，而且放電產(chǎn)生的熱作用和劇烈的壓力變化可能使固體介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生氣泡。經(jīng)多次作用會使固體介質(zhì)出現(xiàn)分層、開裂現(xiàn)象，放電有可能在固體介質(zhì)內(nèi)發(fā)展，絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿電壓因此下降。脈沖電壓下液體電介質(zhì)擊穿時，常出現(xiàn)強(qiáng)力氣體沖擊波（即電水錘），可用于水下探礦、橋墩探傷及人體內(nèi)臟結(jié)石的體外破碎。

氣體電介質(zhì)

在電場作用下氣體分子發(fā)生碰撞電離而導(dǎo)致電極間的貫穿性放電。其影響因素很多，主要有作用電壓、電板形狀、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)等。氣體介質(zhì)擊穿常見的有直流電壓擊穿、工頻電壓擊穿、高氣壓電擊穿、沖擊電壓擊穿、高真空電擊穿、負(fù)電性氣體擊穿等?？諝馐呛芎玫?/span>氣體絕緣材料，電離場強(qiáng)和擊穿場強(qiáng)高，擊穿后能迅速恢復(fù)絕緣性能，且不燃、不爆、不老化、無腐蝕性，因而得到廣泛應(yīng)用。為提供高電壓輸電線或變電所的空氣間隙距離的設(shè)計依據(jù)（高壓輸電線應(yīng)離地面多高等），需進(jìn)行長空氣間隙的工頻擊穿試驗(yàn)。