电介质的击穿

✓ 覆盖层：在电极表面覆盖的一层很薄的绝缘材料，如电缆纸、黄 蜡布、漆膜等。
✓ 绝缘层：当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称为绝缘层。 ✓ 屏障：在油间隙中放置的尺寸较大的(与电极形状相适应)、厚度在
1~3mm的层压纸板或层压布板。
B.对固体电介质
✓ 改进制造工艺：如尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、 水分等，使介质尽可能均匀致密。这可以通过精选材料、改善工 艺、真空干燥、加强浸渍(油、胶、漆)等方法来达到。
调节电抗器的电感L或改变试 验电压的频率，达到谐振：
串联谐振回路原理图
L 1 CX
U X QU0
Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。
C.电压的波形
工频电压的波形：正弦波。
波形畸变影响介电强度试验结果：
✓ 高次谐波会降低击穿场强； ✓ 击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则
✓ 发生表面闪络； ✓ 边缘电场集中导致试样击穿发生在电极的边缘。
消除措施：
✓ 将电极边缘做成圆角； ✓ 将试样和电极浸入相对介电常数（或电导率）大、击穿场
强较高的液体媒质中。
常用液体媒质有变压器油，温度较高时采用硅油。 不能选用相对介电常数或电导率太大的媒质，以免 造成测量误差和设备损坏。
如引起媒质本身发热严重、保护电阻上电压降增大、以及试验变压器过载等问题。
聚异丁烯的EB与温度关系
B.湿度的影响
湿度增大，会使击穿场强下降。 （对液体电介质尤为明显，因为水分 的电导和介质损耗较大，会改变电场 分布。）
变压器油的击穿电压与含有 水分的关系
C.气压的影响
巴申定律：
U B f ( pS ) （p为气压，S为电极间距离）
S固定，改变p时：
✓ 气压较低时，气体密度较小，碰撞几率减
（4）保护和接地
✓ 在试验回路的低压部分可能出现高电压的地方接上放电间隙。 ✓ 在高压测试回路中应接保护电阻。 ✓ 接地点和接地体的连接线应采用尽量短的多股线，以减小电
阻和电感。 ✓ 高压试验区应装有保护围栏，并备有接地棒。
二、工频高电压的测量
测量方法：静电电压表法、球隙测量法、互感器测量法、 分压器法、测量绕组法。
如果在空气中进行击穿试验：
（把空气和试样看作双层介质）
1）在交流电场下，电极边缘空气中场强 Ea与试样中相邻点的场强EX之比：
Ea rx 1 tan2 X rx EX ra 1 tan2 a ra
电极边缘的电场分布
2）在直流电场下： Ea x EX a
由于εra<εrx，γa<γx，则Ea > EX; 而空气的击穿场强较低，导致电极边缘的空气 中先出现局部放电：
电极中央试样最薄处δ应比 试样厚度小5倍以上；球电极 半径r要比δ大20倍。
沿试样表面击穿
试样的面积要比电极面积大，使之在击穿前不会发生闪络。 为了能暴露材料中存在的弱点，一般选取电极直径为25mm或 50mm。
各类试样的尺寸（GB1408-78）
试样厚度的测量：对厚度均匀试 样，通过击穿点的直径上测三点 取平均值；对厚度不均匀试样， 以击穿点的厚度来计算。
✓ 改进绝缘设计：采用合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度 能与其所承担的场强有适当的配合。改进电极形状、使电场尽可 能均匀。改善电极与绝缘体的接触状态，以消除接触处的气隙或 使接触处的气隙不承受电位差(如采用半导体漆)。
✓ 改善运行条件：如注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀， 加强散热冷却(如自然通风，强迫通风，氢冷、水内冷等)。
（6）其它因素
➢ 辐射的影响
X射线照射离子型晶体，会使晶格缺 陷产生变化，从而使EB发生变化。
➢ 机械应力的影响 机械应力增大，击穿场强降低。
NaCl晶体的击穿场强受辐射的影响
➢ 杂质、缺陷的影响
工程上用的绝缘材料中的杂质、缺 陷会明显地降低击穿场强。
提高电介质击穿强度的措施
A.对液体电介质
（1）减少杂质
正极性
负极性
针尖对平板电极系统
当针尖电极为正极性时，击穿电压要比针尖电极为负极性时低。
（4）试样的厚度与不均匀性
试样的厚度增加，会增加材料散热的困难， 也会增加电场的不均匀度，试样内部含有缺 陷的几率增大，从而使EB下降。
EB
UB d

Ad n1
绝缘纸的EB与厚度的关系
A为常数，d为试样厚度，n随材料性质、电压波形、及厚度范围在0.3~1.0范围内取值。
（2）固体材料的电极
要求：
✓ 电极必须具有良好的导电、导热性能。 ✓ 电极表面要平整光沿并与试样保持良好接触。 ✓ 在试验过程中电极与试样不会有相互作用。
对于平整光滑的板材或薄膜试样，一般采用圆柱形铜或不锈钢电极； 对于管状材料或型材试样，电极要用金属箔或沉积金属层。
电极的形状和尺寸选用：
根据能形成比较均匀的电场，能合理 地暴露材料的弱点，以及使用方便、 节约材料等要求。
对于薄膜试样，EB将随厚度减小而显著增加。
（5）环境条件
A.温度的影响
聚 乙 烯 (PE) 和 聚 丙 烯 (PP) 的 EB 与温度关系
温度升高，通常会使EB下降。（尤其 在材料的玻化温度范围，因发生热击穿
EB下降最明显。）
在低温区某些 材 料 的 EB 随 温 度升高而增加， 这是温度对电击 穿电压的影响。
（因直流下只有电导损耗）
✓ 冲击电压下因作用时间短，热的积累效应 和局部放电造成的破坏还来不及形成，其 EB高于直流和和工频交流下的EB。
✓ 电压频率越高，介质损耗越大， EB越低。
击穿场强与频率的关系
工程上绝缘材料的击穿场强通常是指工频电压下的击穿场强。
（2）电压作用时间
电击穿的时间很短，可以在10-7~10-9s 内发生。热击穿因热的累积需要较长 时间，随着时间增长，EB明显下降。
（测量误差不超过1%）
✓ 当试样厚度较大时（>3mm），如果击穿电压超过试验变压器 的额定电压，或表面闪络难以解决，可将试样削薄。
✓ 对于纸或薄膜材料，可将多层试样叠加在一起进行击穿试验。
注：试验标准中一般规定至少要测5个试样，取其算术平均值 作为试验结果。如果其中一个数值偏离平均值超过15%，则必 须另取5个试样，以10个试样平均值作为试验结果。
一、试验设备与装置
试验设备与装置：高压试验变压器、调压器以及控制线 路和保护装置。 （1）高压试验变压器：
要求：具有足够的额定电压和容量，且输出电压的波形没有畸变。
A.变压器的容量
指变压器在额定电压电流的情况下的视在功率。 （视在功率：交流电路中，电压和电流的乘积，或者说有功功率 和无功功率的矢量和，单位为V·A或KV·A。)
液体材料的试样与电极
电极的形式：平板型和球型。
（我国现行标准用平板型电极）
电极的尺寸要求：如图所示
注意事项：
液体击穿隙应均匀。
✓ 电极容器材料不会与被试液体相互作用，常用电瓷或玻璃制成， 电极用铜或不锈钢制成。
✓ 取样时不能让杂质混入，注入液体后静止片刻，避免电极间留有 气泡。
同一峰值电压测得的有效值就不同了。
波形因素：正弦波电压的峰值与有效值之比。
U幅值 2U有效
通常要求波形因素不超过： （2 1 5%）
波形畸变的原因：变压器的非线性激磁电流造成的。
试验变压器的输入电压为：
U1 k(Us U2 )
变压器的磁化曲线：a)磁通与激磁电流 的关系；b)磁通及激磁电流的波形
移圈调压器原理图
（3）控制线路
满足要求：
✓ 只有在试验人员撤离高压试验区，并关好安全门之后，才 能加上电压进行试验。
✓ 升压必须从零开始，以一定方式和速度上升。 ✓ 在试样发生击穿时，能自动切断电源；在自动控制线路中，
能自动是电压下降到零。
了解：非自动和自动调压介电强度试验原理（见P79~80）
计算机在介电强度试验的控制系统中应用：采用单片机或微机控制 步进电动机带动调压器实现升压、降压过程。
本节课内容
➢概述 ➢气体电介质的击穿 ➢液体电介质的击穿 ➢固体电介质的击穿 ➢影响介电强度的因素 ➢试样、电极和升压方式的选择
固体材料的试样与电极
（1）固体材料的试样
为了能使试样的击穿发生在均匀的电场中，必须把试 样做成各种型材。
r δ
模压材料或板材
均匀电场下击穿试验用型材与电极
➢ 试样要求：
（要求测量误差不超过3%，测量用仪表一般要求为0.5级）
固体电介质击穿的形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。
（1）电击穿：
由碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏介质晶格结 构导致击穿。 主要特征：击穿电压高、击穿过程极快、击穿前发热不显著、击 穿场强与电场均匀程度密切相关而与周围环境温度无关。
本节课内容
S UI U 2Cx
绝缘材料击穿试验通常选取容量为10kV·A的变压器。 对与大电容试样的耐压试验，采用超低频正弦电压，可以大大 降低变压器的容量。（如采用0.1Hz超低频电压，变压器容量可 减小到50Hz时的1/500。）
B.变压器的电压
额定电压等级是根据试样的试验电压等级来选定，通常选取 50~100kV。采用多台变压器串接可获得更高的试验电压。
Et

E (1
a 4t
)
聚乙烯的击穿场强与电 压作用时间的关系
E∞为加压时间足够长击穿电压达到稳定时的最小击穿场强 a为常数，t为加压时间， Et为加压时间t时的击穿场强。
（3）电场的均匀性及电压的极性
不均匀电场下的击穿场强低于均匀电场下的本征击穿场强。 在不均匀电场下，直流和冲击电压的极性对击穿电压有明显影响。
✓ 过滤：将绝缘油在压力下连续通过装有大量事先烘干的过滤纸层 的过滤机，将抽中碳粒、纤维等杂质滤去，油中部分水分及有机 酸也被滤纸所吸收。