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一文读懂绝缘体介电强度(击穿强度)实验设备

发布时间:2022-11-22      点击次数:172

一、基本概念:

1、电击穿:

高分子材料在一定电压范围内是绝缘体,但随着施加电压的升高,性能会逐渐下降。当电压升到一定值时变成局部导电,此时称材料被击穿。

2、介电强度(击穿强度):

指造成聚合物材料介电破坏时所需的最大电压,一般以单位厚度的试样被击穿时的电压数表示。     

                              E=V/d

式中:E——介电强度,KV/mm

          V击穿——击穿电压,KV

          d——试样厚度,mm

二、基本原理:

通常介电强度越高,材料的绝缘质量越好。

塑料击穿的主要表现:

绝缘性能破坏,击穿点上产生电弧,材料穿孔熔化、变焦、烧毁等。

固体介质中,总有一些自由电子存在,在外电场作用下被加速而撞击中性原子,致使原子电离,最终造成材料击穿。

高分子的击穿通常与温度有关:

当低于某一温度时,界电强度与温度无关——电击穿

高于这一温度时,随温度升高而界电强度降低。

高分子材料在发生电击穿时,常伴随有热击穿。

热击穿,介电强度随温度增加而迅速降低。

塑料击穿的特点:

塑料材料的击穿过程,通常伴随着热击穿与电击穿,很难说界定是某种击穿。

一般来说,工作温度高,散热条件差,介质电导及损耗大的材料,发生热击穿的几率高。

热击穿的原理:

塑料介质在电场中发生的热量大于它能散发的热量,使其内部温度不断升高。

温度升高导致其电阻下降,流经试样电流增大,产生的热量更多,如此循环不已,致使介质转变为另一种聚集态,失去了耐电压能力、材料被破坏。

热击穿的外部表现:

介电强度随温度升高而迅速下降;

热击穿与电压作用的长短有关;

与电场畸变及周围介质的电性能关系不大;

击穿点多发生在电极内部。

三、试验方法:

短时法 (连续均匀升压)

   施加于试样的电压从零开始,以均匀速率逐渐增加到材料发生介电破坏。

低速升压法 (逐级升压)

   将预测击穿电压值的一半作为起始电压,然后以均匀速率增加电压直到发生击穿。

   每级升压值大约为V击穿的5~10%。测试的试样厚度一般是1.59mm

四、介电强度试验方法有:

GB/T1408.1-2016

IEC60243-12013

GB/T1408.2-2016

IEC60243-22013

ASTM D149

GB/T1695-2005

 

五、试样制备与处理:

根据测试产品规格及测试要求,采用模塑成型或机械加工方法制备试样。与电极接触的试样两表面要平行,并且应尽可能平整光滑,试样厚度一般不大于3mm,当厚度大于3mm时,单面成(3±0.2mm,未加工面应与高压电极接触。

         注意:不同厚度的试样其结果不能进行比较。

对于垂直于材料表面的试验,要求试样有足够大的面积以防止试验过程中发生闪络。

(注:闪络:试样和电极周围的气体或液体煤质承受电应力作用时,其绝缘性能损失,由此引起的试验回路电流促使相应的回路断路器动作)

试样的几何形状见下表,每组试样数量不得少于3个:

项目

试样

尺寸/mm

适用范围

一般试验

板状

方形:边长100

圆形:直径100

包括薄片、漆片、漆布、板材及型材试样

型材

管材

100-300


带材

150,宽≥5


沿层试验

板状

100,宽25

板对板电极

60,宽25

针销对板电极及锥销电ji

管棒状

25±0.2的一段管

板对板电极

100

追销电ji

30

针销对板电极

表面耐压试验

管棒状

150±5


 

试样预处理应遵循测试材料的产品规格进行。如果没有特殊要求,则试样在温度为(23±2)℃,相对湿度为(50±5)%的条件下不少于24h

六、试样条件:

1)常态实验环境条件:温度为20±5℃,相对湿度为65±5%。

2)热态实验或潮湿环境实验条件由产品标准予以规定。

3)实验煤质:介电强度试验应尽量在接近测试材料的实际使用环境的煤质中进行,同时应避免测试中发生闪络。选用的煤质不应与被测试试样发生反应。通常选用的液体煤质应符合IEC 60296:2003的变压器油,当在矿物油会发生膨胀的材料,也可以采用其他液体(如硅油)。对击穿电压值相对较低的试样,可以直接在空气中试验。

七、实验步骤:

1)选择试样,并根据产品要求对试样进行预处理。

2)调节环境的温湿度并选好试验煤质。试验环境的调节:常态温度为20±5℃,相对湿度为65±5%。热态或潮湿环境的试验条件按产品标准规定调节。试验煤质:气体煤质一般采用空气,液体煤质用变压器油或耐高温的气缸油。

3)测量试样厚度。用厚度测量仪在试样测量电极面积下,沿直径测量试样厚度不少于3点,取其算术平均值作为试样厚度,测量误差为±0.01mm

4)试样经测厚和预处理后,再用绸布蘸上对材料无任何作用的溶剂擦净表面,装入仪器内两电极之间,保持良好的接触,开始试验。

5)测试介电强度。

6)耐电压实验。

八、实验结果:

1)击穿的判断:在电击穿时,回路中的电流增加和试样两端电压下降,使断路器跳开或熔丝烧断。试样沿施加电压方向及位置有贯穿小孔、开裂或烧焦等痕迹。如果痕迹不清,可用重复施加试验电压来判断。

2)介电强度计算:按式(5-15)计算

EbUbd

式中: Eb-击穿强度,KV/mm

       Ub-击穿电压,KV,以各次实验的算术平均    值作为实验结果,取三位有效数字;

       d-试样厚度,mm

 5次实验的平均值作为实验结果,取三位有效数字。

      如个别实验值对平均值的相对误差超过15%,则另取样进行5次实验,实验结果由10次实验的算术平均值计算。

九、实验设备:

ZJC-50KV介电强度测试仪

ZJC-100KV介电强度测试仪

试验主机由高压变压器、调压变压器、保护电路等部件组成:

十、介电强度测试装置(高压试验变压器)的维护:

(1)要经常检查仪器室外及室内接地是否可靠。

(2)参加试验人员必须遵守试验装置使用操作规程,确保试验安全。

(3)试验电压通常应不大于仪器最高工作电压的80(如≤80kV)

(4)随时保持工作环境的清洁,应避免仪器工作媒质受到脏物污染。

十一、影响因素

(一)试样的厚度

随试样厚度增加,介电强度减小:

在击穿中,既有电击穿,也有热击穿。

从热击穿理论来讲:

试样厚度增加,散热条件变坏,促使单位厚度的击穿电压降低。

从电击穿理论讲:

当试样较薄时,电子加速时间相应地减小,电子不易从电极上逸出,其介电强度也相应增加。

(二)升压速度

以电击穿为主的试样,升压速度的影响不大;

以热击穿为主的试样,随升压速度提高而增大。

试样

升压速度KV/S

0.51.01.52.02.53.04.05.0

介电强度 E  KV/mm

聚氟乙烯电缆料

25.6       27.3          26.8

26.8       26.0          25.7

酚醛纸基层压板

15.6             16.8         19.2

16.9        16.6       18.5      21.9

 

3)电极倒角r

电极与试样接触平面边缘形成的半径r的角称为倒角。

当电极面积变化不大时,介电强度变化不大,

当电极变成半圆球状(r很大),介电强度变化较大。

 

边缘效应,靠边缘处场强非常大的现象。

由于边缘效应,电极边缘间的介质容易已被击穿。

而边缘处场强的大小与倒角r有关系,

一般r小,场强变大,所以,标准方法中规定r=2.5mm

 

电极倒角r的影响:

电极倒角半径

 r

介电强度kv/mm

PVC电缆料

酚醛压塑料

酚醛基层压板

1.75

2.00

2.50

3.00

12.5

24.8

25.9

26.0

26.0

30.4

14.0

13.7

13.3

13.3

15.2

20.0

19.0

19.4

19.4

21.8

 

(4)试验环境

多数材料在低温下,介电强度与温度无关,

当温度升高至某个高度,介电强度随着温度升高而下降。

湿度增加,介电强度也下降。

水分进入试样,电导变大之故。

5)试样加工

不良的加工方法会在材料中形成缺陷,

例如弱的熔接缝、气泡流线和杂质颗粒,都会使介电强度降低3060%,降低程度随缺陷的严重程度而异。

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