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固體材料絕緣強(qiáng)度測(cè)試的意義

X1.1 介紹

Xl.1.1 簡(jiǎn)要回顧了擊穿的三種假定機(jī)制，分別是：（1）放電或電暈機(jī)制，（2）熱機(jī)制，以及（3）固有機(jī)制，討論了在原理上對(duì)實(shí)際電介質(zhì)產(chǎn)生影響的因素，并對(duì)數(shù)據(jù)的解釋提供幫助。擊穿機(jī)制常常與其他機(jī)制相結(jié)合，而非單獨(dú)發(fā)揮效用。隨后的討論僅針對(duì)固體和半固體材料。

Xl.2 介電擊穿的假定機(jī)制

X1.2.1 由放電造成的擊穿——在對(duì)工業(yè)材料進(jìn)行的許多測(cè)試中，都是由于放電造成了擊穿，這通常造成較高的局部場(chǎng)。對(duì)于固體材料來(lái)說(shuō)，放電常常發(fā)生在環(huán)境介質(zhì)中，因此增加測(cè)試的區(qū)域?qū)⒃陔姌O邊緣上或外側(cè)產(chǎn)生擊穿。放電也會(huì)發(fā)生在內(nèi)部出現(xiàn)或生成的一些泡沫或氣泡里。這會(huì)造成局部的侵蝕或化學(xué)分解。這些過(guò)程將一直持續(xù)到在電極間形成*的失效通路為止。

X1.2.2 熱擊穿——在置于高強(qiáng)度電場(chǎng)時(shí)，在許多材料內(nèi)的局部路徑上會(huì)積聚大量的熱，這將造成電介質(zhì)和離子導(dǎo)電性能的損失，進(jìn)而迅速產(chǎn)生熱量，所產(chǎn)生的熱量將大于所能耗散掉的熱量。由于材料的熱不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了擊穿的發(fā)生。

X1.2.3 固有擊穿——如果放電或熱穩(wěn)定性都不能造成擊穿，那么在電場(chǎng)強(qiáng)度大到足以加速電子穿過(guò)材料時(shí)，仍將發(fā)生擊穿。標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)強(qiáng)度被稱為固有絕緣強(qiáng)度。雖然機(jī)制本身也許已經(jīng)涉及，但本測(cè)試法仍不能測(cè)試固有絕緣強(qiáng)度。

Xl.3 絕緣材料的性質(zhì)

X1.3.1 固態(tài)工業(yè)絕緣材料通常是非均勻的，且含有許多不同的電介質(zhì)缺陷。試樣上常常發(fā)生擊穿的區(qū)域，并不是那些電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域，有時(shí)甚至是那些遠(yuǎn)離電極的區(qū)域。在應(yīng)力下卷中的薄弱環(huán)節(jié)有時(shí)將決定測(cè)試的結(jié)果。

X1.4 測(cè)試和測(cè)試樣狀況的影響因素

X1.4.1 電極——通常，隨著電極區(qū)域的增加，擊穿電壓會(huì)降低，這種影響對(duì)于薄試樣來(lái)說(shuō)更為明顯。電極的幾何形狀也會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果。制作電極的材料也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，這是因?yàn)殡姌O材料的熱導(dǎo)性和功函會(huì)對(duì)熱機(jī)制和發(fā)電機(jī)制產(chǎn)生影響。通常來(lái)說(shuō)，由于缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以很難確定電極材料的影響。

X1.4.2 試樣厚度——固體工業(yè)絕緣材料的絕緣強(qiáng)度主要取決于試樣的厚度。經(jīng)驗(yàn)顯示，對(duì)于固體和半固體材料來(lái)說(shuō)，絕緣強(qiáng)度與以試樣厚度為分母的分?jǐn)?shù)成反比，更多的證據(jù)顯示，對(duì)于相對(duì)均勻的固體來(lái)說(shuō)，絕緣強(qiáng)度與厚度的平方根互為倒數(shù)。如果固體試樣能熔化后倒入到固定電極之間并凝固下來(lái)，那么電極間距的影響將很難得到明確的定義。因?yàn)樵谶@種情況下，可以隨意固定電極間距，所以習(xí)慣在液體或可溶固體中進(jìn)行絕緣強(qiáng)度測(cè)試，此時(shí)電極間具有標(biāo)準(zhǔn)的固定空間。因?yàn)榻^緣強(qiáng)度取決于厚度，所以如果在報(bào)告絕緣強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)缺乏測(cè)試所用試樣的起始厚度，那么這樣的數(shù)據(jù)將毫無(wú)意義。

X1.4.3 溫度——試樣和環(huán)境介質(zhì)的溫度將影響絕緣強(qiáng)度，雖然對(duì)于大多數(shù)材料來(lái)說(shuō)，微小的環(huán)境溫度變化對(duì)材料造成影響可以忽略不計(jì)。通常，絕緣強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，但其強(qiáng)度的極限取決于被測(cè)材料。由于材料需要室溫以外的條件下發(fā)揮作用，所以有必要在比期望操作溫度更大的范圍里，對(duì)絕緣強(qiáng)度與溫度的關(guān)系進(jìn)行確定。

X1.4.4 時(shí)間——電壓應(yīng)用的速率也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。通常，擊穿電壓隨電壓應(yīng)用速率的增加而提高。這是預(yù)料之中的，因?yàn)闊釗舸C(jī)制有賴于時(shí)間，而放電機(jī)制也有賴于時(shí)間，雖然在一些情況下，后一種機(jī)制通過(guò)產(chǎn)生局部電場(chǎng)高臨界強(qiáng)度造成快速失效。

X1.4.5 波形——通常，應(yīng)用電壓的波形也會(huì)影響絕緣強(qiáng)度。在本測(cè)試方法的限制說(shuō)明中，波形的影響是不顯著的。

X1.4.6 頻率——對(duì)于本測(cè)試法，在工業(yè)用電頻率范圍內(nèi)，頻率的變化對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響將不是那么顯著。但是，不能從本測(cè)試法所得結(jié)果中推斷出其他非工業(yè)用電頻率（50到60HHz）對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響。

X1.4.7 環(huán)境介質(zhì)——通常測(cè)試具有高擊穿電壓的固體絕緣材料，是將試樣浸入到液體介質(zhì)中，例如變壓器油，硅油，或是氟利昂中，以減小擊穿前表面放電的影響。這已經(jīng)由S.Whitehead¹⁰所揭示，為了避免固體試樣在達(dá)到擊穿電壓前在環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生放電現(xiàn)象，在交流電測(cè)試中，有必要確保：

         （X1.1）

如果浸入的液體介質(zhì)是一種低損耗材料，該公式可以簡(jiǎn)化為：

           （X1.2）

    如果浸入的液體介質(zhì)是一種半導(dǎo)體材料，那么該公式可以變?yōu)椋?/span>

              （X1.3）

式中：

E=絕緣強(qiáng)度；

f=頻率；

ε和ε′=介電常數(shù)；

D=耗散因數(shù)；

o=電導(dǎo)率（S/m）；

下標(biāo)：

m指浸入介質(zhì)；

r指相對(duì)值；

O指自由空間；

（ε_O=8.854×10^-12F/m）

s指固體電介質(zhì)。

X1.4.7.1 Whitehead指出，要避免表面放電，則應(yīng)提高E_m和ε_m或是提高σ_m。通常規(guī)定使用變壓器油，其介電性能是這樣的，如果電場(chǎng)強(qiáng)度Es達(dá)到以下水平，則會(huì)發(fā)生邊緣擊穿：

          （X1.4）

如果測(cè)試樣很厚，且其介電常數(shù)很小，那么含有t_s的量將成為相對(duì)影響因數(shù)，介電常數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積將近似于一個(gè)常數(shù)。¹¹Whitehead也指出（p. 261）使用潮濕的半導(dǎo)體油將能有效減少邊緣放電的現(xiàn)象。如果電極間的擊穿路徑僅在固體中出現(xiàn)，那么此介質(zhì)將不能與其他介質(zhì)進(jìn)行比較。也應(yīng)該注意到如果固體是多孔的或是能夠被浸入介質(zhì)充滿，固體的擊穿強(qiáng)度將受到浸入介質(zhì)電氣性質(zhì)的直接影響。

X1.4.8 相對(duì)濕度——相對(duì)濕度影響絕緣強(qiáng)度是因?yàn)闇y(cè)試材料吸收的水分或表面吸附的水分將影響介質(zhì)損耗和表面電導(dǎo)率。因此，它的重要性很大程度上有賴于測(cè)試材料的性質(zhì)。但是，即使材料只吸收了一點(diǎn)甚至沒(méi)有吸收水分，仍會(huì)受到影響，因?yàn)樵谟兴那闆r下，將大大提高放電的化學(xué)效應(yīng)。除此之外，還應(yīng)調(diào)查暴露在電場(chǎng)強(qiáng)度中的影響，通常通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)流程來(lái)控制或限制相對(duì)濕度的影響。

X1.5 評(píng)估

X1.5.1 通電設(shè)備絕緣的一個(gè)基本要求就是它應(yīng)能承受得住在服務(wù)中施加于它的電壓。因此很有必要對(duì)測(cè)試進(jìn)行評(píng)價(jià)，以評(píng)價(jià)處于高壓應(yīng)力條件下的材料性能。介質(zhì)擊穿電壓測(cè)試是一種測(cè)定材料是否需要進(jìn)一步考察的初步測(cè)試，但是它無(wú)法就兩個(gè)重要方面進(jìn)行全部評(píng)估。首先，安裝在設(shè)備上的材料條件與測(cè)試條件大為不同，尤其在考慮了電場(chǎng)結(jié)構(gòu)和暴露在電場(chǎng)中的材料面積，電暈，機(jī)械應(yīng)力，周圍介質(zhì)以及與其他材料的連接之后，更是如此。第二，在服務(wù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多惡劣的影響，例如熱，機(jī)械應(yīng)力，電暈及其產(chǎn)物，污染物等等，都會(huì)使擊穿電壓遠(yuǎn)低于最初安裝時(shí)的擊穿電壓值。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，可以合并其中的一些影響，進(jìn)而對(duì)該材料做出更準(zhǔn)確的估計(jì)，但是最終考察的仍然是那些處于實(shí)際服務(wù)的材料性質(zhì)。

X1.5.2 介質(zhì)擊穿測(cè)試能作為材料檢測(cè)或是質(zhì)量控制測(cè)試，作為一種推測(cè)其他條件的手段，例如變率，或是指明惡化的過(guò)程，如熱老化。在使用本測(cè)試法時(shí)，擊穿電壓的相對(duì)值比絕對(duì)值更重要。

X2. D149測(cè)試法所涉及的標(biāo)準(zhǔn)

X2.1 介紹

X2.1.1 本附錄所提供的文件目錄將涉及到大量的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都與在電源頻率下電介質(zhì)強(qiáng)度的測(cè)定有關(guān)，或與測(cè)試設(shè)備元件或用于測(cè)定該性質(zhì)的元件有關(guān)。雖然我們竭盡全力，力圖將所有涉及D149測(cè)試法的標(biāo)準(zhǔn)都包含進(jìn)來(lái)，但是該清單仍是不*的，在本附錄出版之后編寫或修改的標(biāo)準(zhǔn)都未能包含進(jìn)來(lái)。

X2.1.2 在一些標(biāo)準(zhǔn)中，要用D149測(cè)試法測(cè)定介質(zhì)強(qiáng)度或擊穿電壓，但是其參考本測(cè)試法的方式不一定符合5.5的要求。除非該文件與5.5相一致，否則不用使用其他文件，包括本目錄所列的文件，來(lái)作為本測(cè)試法的參考。

表X2.1  試驗(yàn)方法D149引用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)