击穿耐压装置指标

1 影响绝缘材料击穿的主要原因

对于绝缘材料，在不损坏其绝缘性能的情况下施加高电压的过程称为耐压（抗电）试验；在破坏其绝缘时施加高电压的过程称为击穿试验，击穿时的电压值称为击穿电压。电气设备的质量检查是靠耐压试验完成的。若用连续均匀升压或逐级升压方法对厚度为d(mm)的绝缘材料试件施加高电压，当试件击穿时的电压值V(kV)就是击穿电压。试件在击穿时每单位厚度上所承受的电压值，或试

件的击穿电压值与两个电极间试件的平均厚度之比称为击穿强度：E

b =V

b

/d(kV/m

m),有的也称为绝缘强度或介质强度。影响介质击穿的主要客观因素有[1][2]: 1.1 施加电压的时间

多数绝缘材料的击穿电压与加电压的时间有关系，击穿电压随加电压的时间加长而明显下降，见图1，基本遵循下述经验公式：

式中，V

t

——加电压时间视为无穷长时的最小击穿电压；

V

i

——加电压后t时刻的击穿电压；

a——与材料和试验条件有关的常数；

t——加电压的时间。

图1 击穿电压与加电压时间的关系

1.2 温度和湿度

在低温范围，击穿电压随温度的升降变化不大；在较高的温度范围，不管是绝缘材料本身还是周围环境温度升高和湿度增加，击穿电压都下降。对厚材料更为显著，见图2和图3。

图2 击穿电压与温度的关系图3 击穿电压与湿度的关系

1.3 电压频率

交流电压对绝缘材料的考验最严格。随着交频率的增加，击穿电压值下降见图4，这是因为频率增加时介质的热效应也增加，而且加速了局部放电的流破坏过程。

图4 击穿电压与交流频率的关系

在直流电压作用下，试件内部的局部放电过程容易自行衰减，而且介质损耗一般要比在交流电场中小，所以直流击穿电压要比交流击穿电压高。

在脉冲电压作用下，由于电压有效作用时间很短，热的积累效应和局部放电造成的破坏来不及形成，因而其击穿电压要比直流击穿电压高

1.4 施加电压的速度及其他因素

升压的速度越快，击穿电压值越低。

在高空条件下（相当抽气时的“真空”状态），空气密度减小，单位容积的热容量减小，冷却条件恶化。根据巴中定律可知空气击穿电压减小了，因而介质击穿电压明显降低。被试样件的击穿电压值可按下式校正：

V 0=V

n

/A

式中：V

——标准气压下的试验电压：

V

n

——在空中某高度（或抽气状态）的试验电压：

A——随高度改变的绝缘强度系数，A≤1,其值见表1。

表1 随高度改变的绝缘强度系数

此外，击穿电压还受空气间隙、试件本身厚度、放射线的照射、机械外力的作用、电极材料及其极性等原因的影响。

2 耐压击穿装置的指标

外加电压的量值及其波形失真度是公认的指标，击穿装置的容量也是不可缺少的指标。

2.1 容量

2.1.1 定义目前我国所用的交流耐压击穿装置可简化成图5的原理。其中T

1是自耦变压器；T

2

是高压变压器；R为保护电阻；J是过流继电器。直流击穿装置一般是在高压变压器的高压端增

加一整流器。当按规定的程序调节T

时，在高压变压器的输出端可得到要求的高电压。所谓耐

1

压击穿装置的容量就是该装置能够输出的最大容量或最大功率。

图5 交流耐压击穿装置原理

2.1.2 确定容量的依据

国内参考文献和技术标准都是依据试件的电容量确定耐压击穿装置的容量指标。这样不够全面，还应考虑试件的击穿电流问题。为了系统起见，在此一并加以说明。

.试件的电容

一般认为，在绝缘材料的击穿试验和大量绝缘结构的耐压试验中，试件都呈现容性阻抗，而且试件在击穿前的绝缘电阻均很高，因此对交流的耐压和击穿试验，装置的容量可按照试件在试验电压作用下所流过的交流漏电流确定，所以规定其容量指标不应小于[3]～[7]

P=wCV2

式中：V——施加在试件上的有效电压；

w——角频率,w=2πf,f为电源频率；

C——试件呈现的等效电容值。

做击穿试验的绝缘材料试件的电容量一般为几十到几百pF,而击穿电压不超过100kV,所以一般技术标准规定的击穿装置容量应是保证其输电流小于0.1A；而在绝缘结构的耐压试验时，对于电容量较大的器件，如发电机，电力电容器和电缆等，另有专门规定，需用较大容量的击穿装置。这样，对于不同的最高额定工作电压，击穿装置的容量可取表2的数值。

表2 击穿装置容量数值

对于直流耐压击穿装置，因为w=2πf=0故不存在电容电流。即使当高电压施加在试件两端面时能产生充电电流，吸收电流和电导电流等，但总的直流漏电流之和也不会超过几毫安，所以核算到击穿装置上的容量可忽略不计。由于绝缘试件表面无显著电压降，所以不管离接地点多远，试件的绝缘表面与电极间的电位都相当高，这样就能使远离接地处的绝缘弱点也能击穿，这便是直流耐压击穿装置的独到之处。

.击穿电流根据固体材料的击穿理论，在高电压作用下绝缘材料的击穿原因有：

①电击穿：当电场强度超过某临界值时，电子从电场中获得的能

量超过损耗能量，致使电子不断加速而产生击穿。②热击穿：在电场作用下，除了绝缘材料本身介质损耗而发热外，还有因电流通过导体而产生的大量热量传到介质中来，因此，虽然介质所处的电场强度并不足以发生电击穿，但由于热量的积累，致使介质内部温度升到某一临界值，造成破坏。③局部放电击穿：若绝缘体内存在气隙，固体材料和气隙中的电场强度与介电系数成反比，而气体的介电系数一般比固体小，所以气隙中的电场强度大于固体材料中的场强，同时气体的击穿强度总比固体低，因此当外加电压足够高时，则气隙先开始放电（击穿），而固体材料一般仍保持完好，击穿只发生在气隙这一局部，有时会扩展到两极。

流过介质的电流随外加电压的变化规律如图6所示。在低电压时，电流随外加电压而线性变化，当外加电压接近击穿电压值时，其变化关系不再符合欧姆定律，电流突然增加，直至介质击穿。击穿电流的大小随材料、试件和击穿扩展程度的不同而差异很大。由图5可知，如果击穿装置的容量（输出电流）不够大，即过流继电器调整得太灵敏（自保电流太小），就有可能出现假击穿现象，在接近或达到击穿电压却尚未完全击穿的情况提前断开高压以示击穿，因而可能增加产品的不合格率或降低了击穿电压的指标。

图6 电流随外加电压的变化规律

在贵重电子设备进行耐压试验时，有的人希望把耐压装置的输出电流调得很小，以期达到保护设备及元器件的目的。其实这样做并不合理，其原因在于：耐压试验是在施加高于设备额定工作电压3～6倍的情况下检查设备的绝缘性能及发掘早期隐患、薄弱环节和潜伏故障，进而加以预防，实质规上这带有一定的破坏性质。而试件在击穿过程总是伴有发声、打火和冒烟等现象出现；击穿后，在试件施加电压的方向和位置出现贯穿小孔、开裂或烧焦的痕迹，如果耐压装置的过流继电器输出电流太小，可能出现假击穿或隐击穿，此时没有上述现象。这样，在正常情况下即使花费很长的时间也难找出故障准确位置；若不更换隐击穿已遭强烈破坏的元器件，无疑是更大的隐患。在对贵重设备进行耐压检查时，应采用不太高的试验电压，最大两倍于其额定工作电压，并进行较长时间的耐压（1小时或数小时）。这样既能考核产品的绝缘强度又不致于损坏产品。

可能有人要问，几十年来我国都是按照公式P=wCV2计算工频击穿装置的容量，为什么其结果都能满足实际的需要呢？其实只有进一步分析一下实际情况就会一目了然。为此选取绝缘材料的电容量为C=300pF(一般在几十到几百pF的量级),而低压电器的总电容量有时较大，可选取C =3000pF,电源频率f=50Hz,计算结果如表3所示。如果将表3和表2相

比较，则可明显看出，P

规>>P

计

,即标准上规定的击穿装置容量值要比P=

wCV2计算的容量值大十几倍甚至几百倍。不管怎么说，实际上有意无意

地为击穿电流保留了很大余地，客观上解决了需用电流问题。

表3 按P=wCV2计算的容量值

对于直流耐压击穿装置，虽然不论什么容性试件都不考虑装置的容量指标问题，但是多数都规定了其容量值，一般规定直流耐压击穿装置的输出电流为20～

50mA,实质上这是考虑了击穿电流的原因。直流击穿装置小于交流击穿装置容量

的原因是，在直流电压作用下，①容性试件无电容电流；②局部放电时的空

间电荷形成反电场，降低了放电间隙的内电场，从而熄灭了局部放电；③在直

流电场中的介质损耗一般要比交流电场小。

2.1.3 容量的保证措施

.高压变压器：一般说来，高压变压器次级输出的最大容量就是该装置的容量。所以在选用高压变压器时，首先保证其次初级绕组和矽钢片横截面积满足所

规定的容量要求。其次当高压变压器的额定次级输出电压在5kV～100k范围时，

应保证其次级额定输出电流不小于0.1A。

.自耦变压器：它处在高压变压器的输入端，其容量应大于或等于高压变压

器的容量。

2.1.4 耐压击穿装置的容量

在研制或生产低压电器时，产生一般要进行5kVV以下的耐压试验。因低压

电器各点间的电容量有时较大，交流漏电流越大，而且各试验电压的额定值各不

相同，所以耐压击穿装置的输出电流不能仍保持0.1A不变；其输出电流的大小

应能使耐压击穿装置在额定耐压V

0下达到0.5kVA的容量，即I

=0.5kVA/V

，例

如，仪表、元器件、传感器的耐压试验电压额定值V

0为3000V,则I

=0.17A；吸

尘器电机耐压试验电压额定值为1250V,则I

=0.4A；半导体仪器、设备耐压试验

电压额定值为500V,则I

=1A,等等。

.过流继电器：由此控制高压变压器输入电流的大小。当击穿电流超过额定

值I

时，则断开高压，以保证击穿装置不被烧坏；其次还起到阻止介质故障区域不继续扩大的作用，选定了击穿装置之后，过流继电器是调整其输出功率的关键器件，它直接决定着装置的实际容量大小。过流继电器串接在高压变压器的初

级线圈上，此时其电流值应调整为I

R =I

i

=I

n

/n

i

(n

/n

i

是高压变压器次，初线线

圈的匝数比，I

为规定的额定输出电流);有的过流继电器串接在高压变压器的次

级线圈上，此时过流继电器的电流就等于规定的电流，即I

R =I

。

.保护电阻：当介质或构件击穿或闪络时，高压突然降低，相当一个冲击电

压施加在高压变压器线圈上，可能将高压线圈层间或匝间击穿。所以当试验电压较高时（一般高于20kV），应在高压变压器次级线圈上串联一只（0.2Ω/kV且其功率足够大的）线绕限流电阻，以保护高压变压器；当试验电压较低时（一般低于20kV）而且试件的电容量较大时，限流电阻可能产生较大的电压降，此电压会影响有效实验电压的高低，故不必串联保护电阻。

2.2 其他指标

2.2.1 漏电流和击穿电流

不管是交流还是直流耐压击穿装置，都应具备测量这两种参数的功能。由于不同介质的击穿电流大小相差悬殊，有的即使介质已经击穿了但保护机构仍不断升高压，所以更有必要测量击穿电流。漏电流和击穿电流的动态范围很宽，应按对数方式显承。

2.2.2 电压升降速度与高电压保持时间

各种耐压击穿试验的技术标准或规范都明确规定了这两个参数的具体量值。

目前，在某些产品的生产线上，为了提高批生产的试验速度，国内外有的厂家采用了加速耐压试验法，即所谓的“秒试验法”。就是按照一定的百分比（20%～30%）把正常的额定电压值提高，而将额定电压的保持时间缩短一秒。不过应当注意到，该百分比的大小随产品介质及其周围的散热条件不同而异，一般用试验方法确定，即在产品的模拟绝缘系统上反复试验，做出其秒伏特曲线，然后比较不同时间对应的击穿电压值的比值，从而确定出秒试验时对应提高额定电压值的百分比值。

另外，为了在试验过程减少人为因素的影响，可采用自动操作装置，即当装置接通高压后，由电动机通过减速机构按规定的速度驱动自耦变压器的转轴旋转，升高电压，当达到预置的高压时，将高压保持规定的时间，然后电机再驱动自耦变压器转轴反转降压，最后切断高压.