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介電強(qiáng)度|擊穿電壓|電氣強(qiáng)度測(cè)定儀

介電強(qiáng)度|擊穿電壓|電氣強(qiáng)度測(cè)定儀參數(shù):

介電強(qiáng)度：

一、概述：

1、定義：絕緣材料或結(jié)構(gòu)，在電場(chǎng)作用下瞬間失去絕緣特性，造成電極間短路，稱為電氣擊穿。絕緣材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生擊穿時(shí)所加的電壓稱為擊穿電壓，擊穿點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

式中：EB—擊穿場(chǎng)強(qiáng)（MV/mm）;UB—在規(guī)定試驗(yàn)條件下，兩極間的擊穿電壓(MV或KV);d—兩電極間擊穿部位的距離，即試樣在擊穿部位的厚度（m或mm）

閃絡(luò)：--指高壓電器(如高壓絕緣子)在絕緣表面發(fā)生的放電現(xiàn)象,稱為表面閃絡(luò),簡(jiǎn)稱閃絡(luò).

絕緣閃絡(luò)： 絕緣材料在電場(chǎng)作用下，尚未發(fā)生絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿時(shí)，在其表面或與電極接觸的空氣(離子化氣體)中發(fā)生的放電現(xiàn)象，稱為絕緣閃絡(luò)。

二、影響介電強(qiáng)度的因素：

1、電壓波形 直流、工頻正弦及沖擊電壓下，擊穿機(jī)理不同，所測(cè)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)也不同，工頻交流電壓下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比直流和沖擊電壓下的低得多。

2、電壓作用時(shí)間，無(wú)論電擊穿還是熱擊穿都需要時(shí)間，隨著加壓時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓明顯下降。

3、電場(chǎng)的均勻性及電壓的極性，電場(chǎng)不均勻往往測(cè)得的電壓比本征擊穿值低。

4、試樣的厚度與不均勻性 試樣的厚度增加，電極邊緣電場(chǎng)就更不均勻，試樣內(nèi)部的熱量更不易散發(fā)，試樣內(nèi)部的含有缺陷的幾率增大，這些都會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。

5、環(huán)境條件  試樣周?chē)沫h(huán)境條件，如溫度、濕度以及壓力等都會(huì)影響試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；溫度升高，通常會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；濕度增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；氣壓對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響，主要是對(duì)氣體而言。氣壓高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高；但接近真空時(shí)，也會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高。另外還有：時(shí)間、輻射、機(jī)械力、電極材料及極性效應(yīng)。

三、擊穿機(jī)理：

1氣體介質(zhì)擊穿

1）撞擊游離：氣體介質(zhì)在電場(chǎng)中，由于受輻照、電能、熱能等因素的作用，總會(huì)存在少量的離子和電子。

這些帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然和氣體的分子或原子相撞，如果帶電粒子的能量大于分子或原子的電離能，則可能由于碰撞時(shí)能量的交換而使分子或原子產(chǎn)生電離（即使帶電粒子的能量小于電離能，經(jīng)過(guò)多次碰撞也可能使分子發(fā)生電離）。氣體分子電離之后，放出的電子又在電場(chǎng)中加速碰撞其它的分子或原子使之產(chǎn)生電離，因此電子 的總數(shù)越來(lái)越多形成電子崩。同時(shí)由于離子的質(zhì)點(diǎn)大，速度慢，而集聚在陰極的附近，造成陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度增高，使電子 不斷從陰極被拉出，源源不斷地投入氣體中，這就形成 了自持放電即氣體擊穿。這種擊穿理論是符合低氣壓短間隙（電極間的距離近）的氣體擊穿。

2）流柱理論：在長(zhǎng)間隙、高氣壓中的放電，除了撞擊之外，形成放電發(fā)展的主要因素是光游離。在電子崩發(fā)展到一定階段后，電子崩的前部的離子復(fù)合增強(qiáng)，而復(fù)合時(shí)放出的光子又引起周?chē)鷼怏w電離，于是又形成新的電子崩，這樣在電子崩之間呈成為電子離子的混合通道，這個(gè)混合通道稱為流柱。

3）在均勻和不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓，在均勻電場(chǎng)中，氣體擊穿電壓與氣體起始電離電壓相近。擊穿電壓與氣體壓力和電極間的距離的乘積成相關(guān)。這種關(guān)系規(guī)律稱巴申定律。在不均勻電場(chǎng)中，氣體的擊穿電壓將高于氣體起始電離擊穿電壓，因電場(chǎng)強(qiáng)的地方總首先開(kāi)始局部電離放電，之后才逐漸擴(kuò)大放電范圍，直到放電貫穿兩電極時(shí)才發(fā)生擊穿。

2、液體介質(zhì)的擊穿

1）小橋理論：在液體介質(zhì)中，含有的各種雜質(zhì)，如灰塵、纖維、水分等，這些雜質(zhì)在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化并沿著電場(chǎng)方向排列起來(lái)，移向電場(chǎng)強(qiáng)度高的地方連成小橋，而使電場(chǎng)發(fā)生畸變。造成擊穿電場(chǎng)下降。2）撞擊游離 和氣體電離的理論類似。不過(guò)由于液體中分子間的距離比氣體小得多，電子在兩次碰撞間的自由行程也短得多，因此，要獲得足夠的能量就要需要更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，這說(shuō)明液體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比氣體高的多。

3、固體材料的電擊穿理論 固體材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)比液體材料高得多，一般在50-150兆伏/米由于固體材料聚集很緊，電子在其中的運(yùn)動(dòng)就不能簡(jiǎn)單地看作單個(gè)電子與單個(gè)分子或原子相碰撞，而是受周?chē)S多分子或原子對(duì)它的制約。如電子通過(guò)晶格時(shí)，受晶格質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的影響，使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)也發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，這過(guò)程稱散射。當(dāng)電子的獲得的能量大于損失的能量時(shí)，電子就不斷被加速，就會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生。從這點(diǎn)出發(fā)提出兩種最主要的電擊穿理論：其一，弗羅利赫（Frohlich）理論，另一個(gè)是希伯爾理論。此外，還有許多電擊穿理論，如場(chǎng)致發(fā)射擊穿理論，電機(jī)械應(yīng)力破壞理論。

4、固體介質(zhì)的熱擊穿理論   介質(zhì)的擊穿因熱因素起決定作用的引起的破壞稱為熱擊穿。

5、局部放電導(dǎo)致?lián)舸?nbsp; 材料擊穿發(fā)生在局部，而沒(méi)有貫穿到兩電極之間，這種現(xiàn)象稱為局部放電。

四、試樣、電極、媒質(zhì)以及升壓方式的選擇：

1、試樣與電極

試樣與電極的大小影響擊穿試驗(yàn)結(jié)果

1）固體材料的試樣

GB1408有規(guī)定，如表

一般試樣厚度不要超過(guò)3mm，厚度測(cè)量誤差最好不要超過(guò)1%

2） 測(cè)量固體材料用電極：

電極必需是良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；電極表面光滑并與試樣良好的接觸；板材或薄膜試樣一般用圓柱形銅或不銹鋼電極；管狀或型材試樣，一般要采用金屬箔或沉積金屬層，管狀試樣內(nèi)徑小時(shí)，可用彈性金屬片、金屬粉末以及導(dǎo)電液體等作為內(nèi)電極。電極尺寸見(jiàn)表

3）液體材料取樣及電極：

液體介質(zhì)擊穿試驗(yàn)用電極有平板和球型兩種。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)用是平板型電極，電極直徑為25mm，間距為2.5mm，邊緣的曲率半徑2mm,表面光潔度▽7.液面離電極的最高點(diǎn)距離不少于22mm.電極距容器內(nèi)壁各點(diǎn)不少于13mm，電極軸心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)并保持水平，電極間隙應(yīng)均勻。電極及容器所用材料應(yīng)不會(huì)和試樣作用，一般用陶瓷或玻璃制成容器，用銅或不銹鋼做電極。

2、媒質(zhì)：

為防止材料發(fā)生表面閃絡(luò)，同時(shí)也為了避免擊穿發(fā)生在電極的邊緣，必須選用相對(duì)介電常數(shù)（或電導(dǎo)率）比較大的，而且擊穿場(chǎng)強(qiáng)也比較高的材料做媒質(zhì)。如變壓器油、礦物油和硅油.選用的媒質(zhì)必須與試樣不會(huì)發(fā)生相互作用

3、升壓方式：

擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨施加電壓的時(shí)間的增長(zhǎng)而下降；在交流或直流電壓的擊穿試驗(yàn)中，電壓作用時(shí)間體現(xiàn)在升壓方式和升壓速度；而在耐壓試驗(yàn)中，電壓的作用除與升壓速度有關(guān)外，主要還決定于耐壓時(shí)間。顯然，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)試樣考驗(yàn)就越嚴(yán)格。擊穿試驗(yàn)升壓方式分三種：連續(xù)升壓、逐級(jí)升壓和慢升壓。

連續(xù)升壓升壓速度

逐級(jí)升壓：

慢速升壓：

幾點(diǎn)說(shuō)明：逐級(jí)升壓是讓施加于試樣的電壓先以連續(xù)升壓的速度上升到擊穿電壓的50%，之后，按每級(jí)升壓值（大約為擊穿電壓的5-10%）逐級(jí)升壓，每級(jí)停留1分鐘，直到擊穿為止。最后一級(jí)的電壓為擊穿電壓。級(jí)與級(jí)之間升壓時(shí)間要盡可能的短，一般不會(huì)超過(guò)10秒，這一時(shí)間應(yīng)計(jì)入后一級(jí)的停留時(shí)間內(nèi)。如果擊穿發(fā)生在前一級(jí)，則應(yīng)取前一級(jí)電壓。慢升壓是先讓施加于試樣的電壓以連續(xù)升壓阿的速度上升到擊穿電壓的50%，以后降低升壓速度，但電壓仍然以勻速上升直到擊穿為止。而耐壓試驗(yàn)先以任何升壓速度使施加于試樣的電壓由零上升到試驗(yàn)電壓的40%，以后以每秒升高試驗(yàn)電壓3%的速度升到試樣電壓為止；在試驗(yàn)電壓下保持一定的耐壓時(shí)間（1-5min），之后要在5分鐘內(nèi)將電壓降到試驗(yàn)電壓的25%，最后切斷電源。

五、工頻電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗(yàn)：

工頻電壓下絕緣強(qiáng)度和耐壓試驗(yàn)裝置：高壓試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器、電壓測(cè)量系統(tǒng)以及控制和保護(hù)裝置等。

1、高壓試驗(yàn)變壓器：

包括容量、電壓及其波形。容量--根據(jù)試樣在試驗(yàn)電壓下流過(guò)的電容電流來(lái)計(jì)算即：

P=U2ωCx(伏.安)  式中：U--施加電壓有效值（伏）， ω--角頻率，Cx—試樣電容；一般電容量高壓側(cè)電流1安以上。

電壓－一般根據(jù)試樣電壓來(lái)選，單臺(tái)變壓器最高電壓等級(jí)為750千伏；如果再高實(shí)驗(yàn)電壓就用多臺(tái)串聯(lián)。實(shí)驗(yàn)電壓波形，一般為正弦波，波形畸變將會(huì)影響電壓測(cè)量。Um=√2U有效

2、調(diào)壓、控制及保護(hù)：

1）調(diào)壓器 －調(diào)節(jié)通過(guò)接在實(shí)驗(yàn)變壓器和電源之間的調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，分：自耦調(diào)壓器（通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)沿繞阻移動(dòng)來(lái)改變輸出電壓，其特點(diǎn)是體積小、漏抗小、價(jià)格也便宜，但由于滑動(dòng)觸點(diǎn)在電流比較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)火花，因此，一般容量只用于幾千伏安以下，油浸式的可達(dá)幾十千伏安）和移圈式調(diào)壓器。

2）控制電路 控制線路要實(shí)現(xiàn)下列各點(diǎn)要求

（1）只有在試驗(yàn)人員撤離高壓危險(xiǎn)區(qū)，并關(guān)好安全門(mén)之后才能加壓；

（2）升壓必需從零開(kāi)始；

（3）在試樣發(fā)生擊穿時(shí)能自動(dòng)切斷電源；

（4）在自動(dòng)升壓裝置中還要能控制升壓、降壓及停止等動(dòng)作。

3）保護(hù)和接地（除過(guò)電流保護(hù)器、安全門(mén)開(kāi)關(guān)、調(diào)壓器限位開(kāi)關(guān)等外，其他在線路的低壓部分都要接上保護(hù)放電器，還需接保護(hù)電阻、此外，還要有圍欄、連鎖裝置和信號(hào)燈并備有接地棒以保證人身安全）

3、工頻電壓的測(cè)量：

工頻高電壓的測(cè)量方法分：直接測(cè)量高電壓（如利用球隙放電、靜電電壓表、旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)等）；將高電壓變換為低電壓測(cè)量（互感器、分壓器）；通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)變壓器本身低壓繞組的電壓來(lái)?yè)Q算出高壓端的試驗(yàn)電壓。

1）靜電電壓表法－用于試驗(yàn)電壓不高的情況（200KV）。

2）球隙測(cè)量法－此法試驗(yàn)電壓可以高，但測(cè)量麻煩，影響因素較多，裝置的占地面積較大。3）互感器測(cè)量法－通過(guò)互感器將高壓變低壓進(jìn)行測(cè)量，精度高，但較貴。

4）電容分壓器法－通過(guò)串聯(lián)電容分壓測(cè)出其中低阻抗的電容器上的電壓，可以推算出試驗(yàn)電壓。

5)測(cè)量繞組法－通過(guò)變壓器內(nèi)部繞組，可以按比例把測(cè)量電壓算出來(lái)。

4、直流電壓下絕緣的擊穿和耐壓試驗(yàn)：

由于有很多電氣設(shè)備是在直流電壓下運(yùn)行的，有些雖在交流下運(yùn)行，但由于其電容量很大，工頻試驗(yàn)變壓器的容量不能滿足要求而又沒(méi)有補(bǔ)償電抗器時(shí)，采用直流電壓下測(cè)定其絕緣強(qiáng)度以替代工頻下的絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)。其測(cè)量裝置必需要有一套直流高壓裝置和直流電壓測(cè)量系統(tǒng)。直流高電壓可以通過(guò)各種方法獲得。一般是通過(guò)高壓整流，即先通過(guò)變壓器把工頻電壓升高。而后，在利用高壓整流器把工頻高壓變?yōu)橹绷鞲邏?。工頻的升壓及有關(guān)的控制、保護(hù)裝置與上節(jié)所述相同。

5、高壓整流：

絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)用的直流高壓設(shè)備應(yīng)滿足一下要求：

1）電壓等級(jí)應(yīng)滿足試驗(yàn)電壓要求，我國(guó)已有百萬(wàn)伏以上的直流高壓裝置

2）設(shè)備容量應(yīng)能輸出電流10-20毫安

3）電壓脈動(dòng)系數(shù)小于或等于5%

6、倍壓線路

簡(jiǎn)單的整流線路不論是半波還是全波，最高輸出電壓只能接近于變壓器輸出電壓的峰值。如果要獲得更高的直流電壓，可以采用倍壓線路。

7、直流高壓的測(cè)量

測(cè)量方法很多，可用儀表直接測(cè)量，也可用分壓器等間接測(cè)量。測(cè)量的誤差小于3%。對(duì)于電壓脈動(dòng)系數(shù)小于或等于5%，可用靜電伏特計(jì)和球隙法。旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)也可測(cè)直流高壓。

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(duì)系統(tǒng)供電可靠性的要求也愈高，系統(tǒng)絕緣在高場(chǎng) 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(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)作用能力的 最大限度，因此可以選擇介電強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)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(jí)通常為 90℃ ，電性能 和機(jī)械性能優(yōu)異。 對(duì)于沒(méi)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(guó) 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(lái)自 6 個(gè)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(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì) YJ-10 料兩家 （ B1， B2）， 國(guó)產(chǎn)廉價(jià) YJ-10 料 兩 家 （C1，C2）。 對(duì) 6 個(gè)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（見(jiàn)表 1）。

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(shí)測(cè)試絕緣材料短時(shí)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(shí)，確定最小樣 本容量以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析評(píng)定應(yīng)當(dāng)用統(tǒng)計(jì)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?chē)劫|(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(gè)之間。 得到了 6 個(gè) YJ-10 絕緣 料的介電強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

3 估計(jì) 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(shí)推導(dǎo) 出的一種分布函數(shù)。 由于 Weibull 分布對(duì)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(duì)于浴盆曲線 的三個(gè)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(gè)分布參數(shù)，通過(guò)三個(gè)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(shí)， Weibull 分布可描述伽瑪分布；當(dāng) α ＝ 1 時(shí)，可描述 指數(shù)分布；當(dāng) α ＝ 2 時(shí)，可描述瑞利（ Rayleigh） 分 布；當(dāng) α ＝ 3. 6 時(shí)，Weibull 分布的概率密度函數(shù)是 嚴(yán)格的對(duì)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(jì)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(shí)，產(chǎn)品的失效率隨時(shí)間逐漸減小，為早期 失效；當(dāng) α＝ 1 時(shí)，產(chǎn)品的失效率不隨時(shí)間變化，等于 常數(shù)，為偶然失效；當(dāng) α＞1 時(shí)，產(chǎn)品的失效率隨時(shí)間 逐漸增大，為耗損失效。 其中當(dāng) 1. 0＜α＜4. 0 時(shí)，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(shí)，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(guò)程缺陷、制造過(guò)程和／ 或材料中的 微小易變性等問(wèn)題。 在設(shè)計(jì)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(shí)整個(gè)系統(tǒng)存在全失效的風(fēng)險(xiǎn)。

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(guò)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(lái)描述是比較合適的。

若電場(chǎng)強(qiáng)度 E 是一個(gè)非負(fù)的隨機(jī)變量，F(xiàn)（E）為 單位體積絕緣材料在電場(chǎng)強(qiáng)度升到 E 時(shí)發(fā)生擊穿 的概率［2］ ，則電場(chǎng)強(qiáng)度升到 E 時(shí)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(duì) 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(shì)，但能使曲線的“跨度" 改變，因此決定了 分布的比例或者說(shuō)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(huì)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(chǎng)強(qiáng)度升到 E0 之前，絕緣 材料不會(huì)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(guò)“安全裕度×設(shè)計(jì)壽命"。

三參數(shù) Weibull 分布的參數(shù)估計(jì)比較復(fù)雜，大 多數(shù)估計(jì)方法都需要編程計(jì)算。 本試驗(yàn)采用了 EXCEL 估計(jì) 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(shí)利用圖表功能求解了形狀參數(shù) α 和尺 度參數(shù) β（見(jiàn)表 2）。

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(gè) YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率圖（見(jiàn)圖 1）、Weibull 分布 失效概率圖（見(jiàn)圖 2）和 Weibull 分布失效概率密度 函數(shù)圖（見(jiàn)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(shí)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(shí)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(duì)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。

圖 1 6 個(gè) YJ-10 絕緣料的 Weibull 分布可靠性概率曲線圖

5 解析試驗(yàn)結(jié)果

5. 1 形狀參數(shù) α

由表 2 可知，6 個(gè) 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(gè)絕緣料呈現(xiàn)出不 同的 Weibull 分布曲線形狀，將圖 3 中 6 個(gè) 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(dòng)，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(duì)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(gè)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(guò)程、制造過(guò)程和／ 或材料中的 微小易變性等問(wèn)題。 在設(shè)計(jì)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(shí)整個(gè)系統(tǒng)存在全失效的風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)全失效的風(fēng)險(xiǎn)。 由此可以得出 結(jié)論，相對(duì)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(gè) 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(lái)說(shuō)，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(jiàn)，6 個(gè) 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(jiàn)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(shuō)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(duì)不同樣品 的 Weibull 分布來(lái)說(shuō)，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(shuō)明 Weibull 分布失效概率區(qū)域越 集中，這時(shí)就希望有較小的尺度參數(shù) β。

5. 3 位置參數(shù) E₀

6 個(gè) YJ-10 絕緣料的位置參數(shù) E0 ，也即擊穿電 場(chǎng)強(qiáng)度的最小閾值，有 4 個(gè)分布在 30 ～ 40 kV／ mm 之間，有 2 個(gè)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(gè) 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(shí)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(gè)意義上講，電纜的電氣可靠性評(píng)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(shí)對(duì)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(píng)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(jì)的分布參數(shù)，得到 6 個(gè) 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(jiàn)，6 個(gè) 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(shí)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(shuō)明絕緣材料介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(lái)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(duì) 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(shuō)僅用 EW峰值來(lái)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(lái)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(lái)自 6 個(gè)不同的生產(chǎn)廠家，進(jìn)口優(yōu)質(zhì)料有兩家，國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)料 有兩家，國(guó)產(chǎn)廉價(jià)料有兩家。 其中，進(jìn)口優(yōu)質(zhì)料和國(guó) 產(chǎn)廉價(jià)料購(gòu)自市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)料由筆者在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 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(píng)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(píng)估絕緣料電氣可靠性的方法"能夠 反映當(dāng)前國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，研究結(jié)果具有代表性。 對(duì) 6 個(gè)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(gè) 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(gè) YJ-10 絕緣料介電強(qiáng)度的 Weibull 分布圖中可見(jiàn)，6 個(gè) 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(shí)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(shuō)明絕緣材料介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(lái)描述是比較合適的。

（3） 6 個(gè) YJ-10 絕緣料介電強(qiáng)度的 Weibull 分 布形狀參數(shù) α＞1，說(shuō)明 6 個(gè) 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(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)全失效的風(fēng)險(xiǎn)。 由此可以得出結(jié)論，相對(duì)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(duì)不同樣品的 Weibull 分布 來(lái)說(shuō)，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(shuō)明 Weibull 分布失效概率區(qū)域越集中，這時(shí)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(shí)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(gè)意義上講，電纜的電氣可靠性評(píng)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(jiàn)， 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(shí)對(duì)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(píng)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(cè) YJ10 絕緣料電氣可靠性的方法，可用以下程序按此方 法評(píng)估和鑒別原材料優(yōu)劣：對(duì)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn) 行擬合計(jì)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 較小（本次 6 個(gè)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(cè)（第一冊(cè) 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(guò) 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(gè) 樣品 Weibull 分布的平均值 EW平為 47. 4 MV／ m）。