直流電壓介電強度試驗儀

一、  試驗設備與裝置

試驗設備與裝置：高壓試驗變壓器、調壓器以及控制線路和保護裝置。

（1）高壓試驗變壓器：

要求：具有足夠的額定電壓和容量，且輸出電壓的波形沒有畸變。

A.變壓器的容量

指變壓器在額定電壓電流的情況下的視在功率。

（視在功率：交流電路中，電壓和電流的乘積，或者說有功功率和無功功率的矢量和，單位為V?A或KV?A。)

S=UI=U²ωC_X

絕緣材料擊穿試驗通常選取容量為10kV?A的變壓器。

對與大電容試樣的耐壓試驗，采用超低頻正弦電壓，可以大大降低變壓器的容量。（如采用0.1Hz超低頻電壓，變壓器容量可減小到50Hz時的1/500。）

B.變壓器的電壓

額定電壓等級是根據(jù)試樣的試驗電壓等級來選定，通常選取50~100kV。采用多臺變壓器串接可獲得更高的試驗電壓。

串接變壓器原理圖

兩臺變壓器串接輸出的視在功率：S=2UI

設備容量的利用率：2UI/3UI=2/3

注意：串接的級數(shù)增加，輸出的電壓增高，但設備容量的利用率降低。

對于電容量較大的試樣，可以通過串聯(lián)諧振回路獲得比試驗變壓器更高的電壓。

串聯(lián)諧振回路原理圖

調節(jié)電抗器的電感L或改變試驗電壓的頻率，達到諧振：

ωL=1/ωC_X        →    U_X=QU₀

Q為諧振回路的品質因素，一般為20~80。

C.電壓的波形

工頻電壓的波形：正弦波。

波形畸變影響介電強度試驗結果：

ü  高次諧波會降低擊穿場強；

ü  擊穿決定于電壓的峰值，而測量的電壓是有效值，若波形畸變，則同一峰值電壓測得的有效值就不同了。

波形因素：正弦波電壓的峰值與有效值之比。U幅值=√2U有效

通常要求波形因素不超過：√2（1±5%）

波形畸變的原因：變壓器的非線性激磁電流造成的。

變壓器的磁化曲線：a)磁通與激磁電流的關系；b)磁通及激磁電流的波形

試驗變壓器的輸入電壓為：U₁=K(U_S-U₂)

k為調壓器的電壓比；

U_s為電源電壓；

U₂為激磁電流流經(jīng)調壓器產生的電壓降。

調壓器的漏抗越大，波形畸變越嚴重。在調壓器和試驗變壓器之間接入濾波器可改善電壓波形。

（2）調壓器

用來調節(jié)電壓上升的方式和速度，接在試驗變壓器和電源之間。

常用調壓器：自耦調壓器和移圈調壓器。   

A.    自耦調壓器

原理：借助于一個滑動觸點沿著繞組移動來改變輸出電壓。

優(yōu)點：結構簡單、體積小、漏抗小、價格便宜。

缺點：輸出電流較大時，觸點在移動過程中因接觸不好會產生火花。

B.    移圈調壓器（容量較大）

原理：靠移動短路線圈改變其他兩個線圈的漏磁通，從而改變在這兩個線圈上的電壓分配來實現(xiàn)調節(jié)輸出電壓。

優(yōu)點：調壓過程靠電磁耦合，不會出現(xiàn)火花，容量可做得很大。

缺點：漏抗較大，波形易產生畸變。

移圈調壓器結構圖                    移圈調壓器原理圖

（3）控制線路

滿足要求：

只有在試驗人員撤離高壓試驗區(qū)，并關好安全門之后，才能加上電壓進行試驗。

升壓必須從零開始，以一定方式和速度上升。

在試樣發(fā)生擊穿時，能自動切斷電源；在自動控制線路中，能自動是電壓下降到零。

計算機在介電強度試驗的控制系統(tǒng)中應用：采用單片機或微機控制步進電動機帶動調壓器實現(xiàn)升壓、降壓過程。

（4）保護和接地

在試驗回路的低壓部分可能出現(xiàn)高電壓的地方接上放電間隙。  

在高壓測試回路中應接保護電阻。

接地點和接地體的連接線應采用盡量短的多股線，以減小電阻和電感。

高壓試驗區(qū)應裝有保護圍欄，并備有接地棒。

二、工頻高電壓的測量

測量方法：靜電電壓表法、球隙測量法、互感器測量法、分壓器法、測量繞組法。

（要求測量誤差不超過3%，測量用儀表一般要求為0.5級）

固體電介質擊穿的形式：電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿。

（1）電擊穿：

由碰撞游離形成電子崩，當電子崩足夠強時，破壞介質晶格結構導致?lián)舸?/span>

主要特征：擊穿電壓高、擊穿過程極快、擊穿前發(fā)熱不顯著、擊穿場強與電場均勻程度密切相關而與周圍環(huán)境溫度無關。

影響介電強度的因素

影響因素：電壓波形及頻率、電壓作用時間、電場的均勻性及電壓的極性、試樣的厚度與不均勻性、環(huán)境條件等。

（1）電壓波形及頻率

直流電壓下的E_B高于工頻交流電壓下的E_B。（因直流下只有電導損耗）

沖擊電壓下因作用時間短，熱的積累效應和局部放電造成的破壞還來不及形成，其E_B高于直流和和工頻交流下的E_B。

電壓頻率越高，介質損耗越大， E_B越低。

工程上絕緣材料的擊穿場強通常是指工頻電壓下的擊穿場強。

（2）電壓作用時間

電擊穿的時間很短，可以在10^-7~10^-9s內發(fā)生。熱擊穿因熱的累積需要較長時間，隨著時間增長，E_B明顯下降。E_T=E_∞（1+a/√t）

聚乙烯的擊穿場強與電壓作用時間的關系

E_∞為加壓時間足夠長擊穿電壓達到穩(wěn)定時的最小擊穿場強

a為常數(shù)，t為加壓時間， E_t為加壓時間t時的擊穿場強。

（3）電場的均勻性及電壓的極性

不均勻電場下的擊穿場強低于均勻電場下的本征擊穿場強。

在不均勻電場下，直流和沖擊電壓的極性對擊穿電壓有明顯影響。

針尖對平板電極系統(tǒng)

當針尖電極為正極性時，擊穿電壓要比針尖電極為負極性時低。

（4）試樣的厚度與不均勻性

試樣的厚度增加，會增加材料散熱的困難，也會增加電場的不均勻度，試樣內部含有缺陷的幾率增大，從而使E_B下降。E_B=U_B/d=Ad^n-1

絕緣紙的E_B與厚度的關系

A為常數(shù)，d為試樣厚度，n隨材料性質、電壓波形、及厚度范圍在0.3~1.0范圍內取值。

對于薄膜試樣，E_B將隨厚度減小而顯著增加。

（5）環(huán)境條件

A.溫度的影響

聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的E_B與溫度關系

溫度升高，通常會使E_B下降。（尤其在材料的?；瘻囟确秶?，因發(fā)生熱擊穿E_B下降明顯。）

在低溫區(qū)某些材料的E_B隨溫度升高而增加，這是溫度對電擊穿電壓的影響。

聚異丁烯的E_B與溫度關系

B.濕度的影響

變壓器油的擊穿電壓與含有水分的關系

濕度增大，會使擊穿場強下降。（對液體電介質尤為明顯，因為水分的電導和介質損耗較大，會改變電場分布。）

C.氣壓的影響

巴申曲線圖

巴申定律：U_B=f(ps)（p為氣壓，S為電極間距離）

S固定，改變p時：

氣壓較低時，氣體密度較小，碰撞幾率減少，則E_B隨氣壓降低而提高。

氣壓較高時，氣體密度較大，碰撞過程的自由行程短，則E_B隨氣壓升高而提高。p固定，改變S時：距離過大，只有提高電壓才能使氣體發(fā)生碰撞游離。

工程上應用：空氣斷路器和真空斷路器用此規(guī)律來提高擊穿電壓和減小體積尺寸。

（6）其它因素

NaCl晶體的擊穿場強受輻射的影響

?  輻射的影響

X射線照射離子型晶體，會使晶格缺陷產生變化，從而使E_B發(fā)生變化。

?  機械應力的影響

機械應力增大，擊穿場強降低。

?  雜質、缺陷的影響

工程上用的絕緣材料中的雜質、缺陷會明顯地降低擊穿場強。

 直流電壓介電強度試驗儀