耐压击穿装置的容量指标问题

摘 要:根据影响绝缘介质击穿的主要因素，本文着重阐述交流耐压击穿装置的容量指标问题，在确定耐压击穿装置的容量时，不仅要考虑到被试样件在两极间的等效电容值，同时还要估计到样件在击穿过程可能产生的最大击穿电流值。对于某种绝缘材料或构件，合理选定击穿装置的容量对正确进行试验是很重要的。
关键词:绝缘材料 介质击穿 介电强度

对于各种绝缘材料、电缆、电机、变压器、电容器、电子器件、传感器和某些机电设备、仪器仪表、家用电器等，在研制和批生产过程要求进行规定的交流、直流或脉冲高电压的耐压或击穿试验，以保证材料的可靠使用和设备的正常运行，以便测出材料的耐压极限、确定出材料的安全使用范围及今后的改进方向。然而，耐压击穿装置的某些性能指标如容量，击穿电流等，往往被人们忽视，有时会引起使用者的争议。
1、影响介质击穿的主要因素
对于绝缘材料，在不破坏其绝缘性能的情况下施加高电压的过程，称为耐压（或抗电）试验;在破坏其绝缘性能时施加高电压的过程，称为击穿试验。电气设备的质量检查多采用耐压试验。若采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Vo（kV）称为击穿电压。试件在击穿时每单位厚度上所承受的电压值，或试件击穿电压值与两个电极间试件的平均厚度之比值称为击穿强度:Eb=Vb/d(kV/mm)，有时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时间有密切关系，击穿电压随加电压的时间加长而明显下降，如图1所示。而且遵循下述公式:

式中Vt是加电压后t时刻的击穿电压;Vi为加电压视为无限长时的最小击穿电压;a是与材料和试验条件有关的常数，a需用试验方法确定;t为加电压的时间。

图1 击穿电压与加电压时间的关系
1.2温度与湿度
在低温范围，击穿电压随温度升降变化不大;在较高温度范围，不管是绝缘材料本身还是周围环境温度与湿度增加，击穿电压都下降。对于厚材料，情况更为明显，见图2，3。

图2 击穿电压与环境温度的关系

图3 击穿电压与环境湿度的关系
1.3电压频率
交流电压对绝缘介质的考核更严格。随着交流频率增加，击穿电压值下降，如图4所示。这是因为频率增加时，介质的热效应增加，而加速了局部放电的破坏过程。电压波形以上弦波为宜。

图4 击穿电压与高电压频率的关系
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，而且直流击穿电压比交流击穿电压高。
在脉冲电压作用下，由于电压作用时间很短，一般说来，热的积累效应和局部放电造成的破坏来不及形成，因而脉冲击穿电压要比直流击穿电压高。
1.4 加电压的速度
升电压的速度愈快，击穿电压值越低。
在高空条件下（相当抽气时的“真空”耐压击穿），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，可知空气压力减小了，因而介质击穿电压值明显降低。被试样件的击穿电压值按下式校正:
V=Vn/A
式中V是标准气压下的试验电压;Vn为在空中某高度的试验电压;A为随高度改变的绝缘耐压强度系数，其值如表1所示。

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因素的影响。
2、耐压击穿装置的指标
2.1 容 量
(1)定义
目前我国多数交流耐压击穿装置的简化线路如图5所示。其中T1是自耦变压器; T2是高压变压器;R为保护电阻;J为过流继电器。而直流击穿装置一般是在高压变压器的高压端通过整流方法达到。当按规定的程序调节自耦变压器时，该装置的输出端可得到所要求的电压值。所谓耐压击穿装置的容量就是该装置的输出端能够输出的最大容量，它等于高压变压器的最大输出功率。

图5 交流耐压击穿装置的简化线路
(2)确定容量的依据
国内参考文献和技术标准多数根据试件的电容值确定装置的容量[3]-[7]。其实这样做不够全面，还应考虑到试件的击穿电流问题。
A 试件的电容
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，而且试件在击穿和耐压试验，装置的容量可按照试件在高电压作用下所流过的交流漏电流确定，所以规定其容量不应小于

式中V是施加在试件上的有效电压;f=ω/2π为电源频率;C为试件呈现的等效电容值。
做击穿试验的绝缘介质试件的电容量一般为几十到几百pF，而击穿电压不超过100kV，所以有的技术标准直接规定击穿装置的容量为保证击穿装置的输出电流不小于0.1A;在绝缘结构的耐压试验中，对一般构件也采用这样的容量，但对电容量较大的器件如大型电机、大型电容器、电缆等，另有专门规定，需用较大容量的或直流耐压装置。这样，对于不同的额定工作电压，耐压装置的容量可取表2所示数值。

对于直流耐压与击穿试验，因为ω=0，故不存在电容电流。即使当直流高压施加在试件两端时能够产生充电电流、吸收电流和电导电流，但总的直流漏电流之和也不超过几毫安，所以核算到耐压击穿装置上的容量可以忽略。由于绝缘体表面无明显电压降，因此不管离接地点多远，试件的电极与绝缘表面间的电位都相当高，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。
B 击穿电流
根据固体材料的击穿理论，在高电压作用下的绝缘材料的击穿有三个原因:
(a)电击穿: 当电场强度超过某一临界值时，电子从电场中获得的能量超过损耗能量，致使电子不断地加速而产生介质击穿;
(b)热击穿: 在电场作用下，除了绝缘介质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高，不足以发生电击穿，但由于热的积累，致使介质内部温度升到某一临界值时也会发生破坏;
(c)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材料小，所以气隙中的电场强度大于固体材料的强度，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），而固体材料却保持完好，击穿只发生在气隙这一局部区域，有时会扩展到两个电极。
流过绝缘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，电流随外加电压线性变化，当外加电压或等于击穿电压时，其变化关系不符合欧姆定律，电流突然增加，直到介质击穿。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。根据图6可知，如果击穿装置的容量（输出电流）不够大，就有可能出现假击穿现象，即在接近和达到击穿电压值却尚未击穿的情况，装置自动切断高压以示击穿。从而增加了被试产品的不合格率或降低击穿电压的指标。

图6 击穿电流与外加电压的变化关系
在对贵重电子设备进行耐压试验时，有人希望把耐压击穿装置的输出电流调得很小（实际降低了耐压击穿装置的容量），以期达到保护被试设备的目的。其实这样做并不合理，其原因在于:耐压试验是在施加高于电子设备额定工作电压3~6倍的高电压情况检查电子设备的电强度性能，以便及早发现早期隐患和潜伏故障，进而加以预防。实际上这带有一定的破坏性质。试件在击穿过程总是伴有发声、打火和冒烟现象出现;击穿后，在试件被施加电压的位置和方向上有贯穿小孔、开裂或烧焦的痕迹。如果耐压击穿装置的输出电流太小，出现了假击穿，就不会有这些现象。所以在正常条件下即使花费很长时间也未必能找出故障的准确位置;若不更换假击穿的元器件，无疑是更大隐患，因为即使元器件的介质未被击穿，但已遭受到强烈破坏，不宜再用。在对贵重电子设备进行电强度检查时，应采用不太高的试验电压，最多两倍于设备的额定工作电压并进行较长时间的试验（一小时或数小时），这样既能考核设备在一定条件下的绝缘强度，又不致于损害电子设备。
有人要问，多年来我们都是按表2规定的容量，为什么也满足了需要呢？只要进一步分析一下实际情况说会清楚了。为此，取绝缘试件的电容量为C=300pF（一般在几十以几百pF的量级），而低压电容器的总电容量较大，取C=3000pF，电源频率f=50Hz，计算结果见表3。将表2与表3相比较，可以看出P规>>P算。即标准规定的耐压击穿装置的容量比按公式计算的容量值大十几倍甚至几百倍。实际上技术标准规定的耐压击穿装置的容量值比按公式计算的容量值合理，前者为击穿电流保留了很大余量。至此，因为参考文献和技术标准对耐压击穿装置容量的两种不同提法造成的矛盾迎刃而解。

对于直流耐压击穿装置，虽然不管什么容性试件都不考虑装置的容量问题，但多数装置的说明书中都明确规定了其容量值。一般规定装置的输出电流为20~50mA。实际上这是考虑到击穿电流的结果。直流装置容量小于交流装置容量的原因在于:在直流电压作用下，1）容性试件无电容电流;2)局部放电时产生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比交流电场小。
(3) 容量的保证措施
A 高压变压器:一般说来，高压变压器的次级输出最大功率就是耐压击穿装置的容量。所以在选用高压变压器时，应保证其初次级线圈绕组和矽钢片的横截面积满足表2规定容量的要求。
B 自耦变压器:其容量应大于或等于高压变压器的容量。
C 高压变压器的输出电流:按照技术标准的规定，当高压变压器次级输出电压从5kV~100kV范围变化时，应保证其次级额定输出电流不小于0.1安培。
(4) 耐压装置的容量
在低压电器与机电设备的研制与批生产过程中，产品一般要求进行5kV以下某规定高电压的耐压试验。按照国家技术标准规定，对于5kV以下的耐压试验，耐压装置的容量均为0.5kVA。而低压电器各测试点间的电容值有时会较大，所以其交流漏电流也较大;而且不同的被试产品所要求的试验电压额定值各不相同。为了使耐压装置达到固定的容量0.5kVA，则需要其输出电流不能仍保持0.1A不变了，应该相应地改变。其输出电流的大小应能使耐压装置在额定耐压值Vo下达到0.5kVA的容量，即

例如，电表、元器件、传感器等耐压试验要求耐压额定电压为3000伏，则Io=0.17A;吸尘器电机耐压试验为1250伏，则Io=0.4A;半导体仪器设备及其零部件耐压试验要求500伏，则Io=1A等等。
A 过流继电器: 用它来控制高压变压器输入或输出电流的大小。当击穿电流达到甚至超过额定电流时，过流继电器动作，切断高电压，以保证耐压装置不被烧坏;其次，它还起到阻止介质故障区域不继续扩大的作用。选定了耐压击穿装置后，过流继电器是调整其实际输出功率大小的关键器件，它直接决定着装置实际容量的大小。其自保电流不能调得太大也不能太小，应按下述方法调节:在一般情况下，过流继电器串接在高压变压器的初级线圈上，此时其自保电流应调节为是高压变压器次、初级线圈的匝数比，Io为规定的输出电流）;有的情况将过流继电器串接在高压变压器的次级线圈上，此时过流继电器的自保电流等于额定输出电流，即
B 保护电阻: 当被试介质或结构击穿时，高电压突然降至很低，相当一个冲击电压施加在高压变压器的线圈上，有可能将高压线圈的层间或匝间击穿。所以当试验电压较高时（一般高于20kV），应在次级线圈上串联一只（0.2Ω/kV而且其功率值足够大的）线绕限流电阻，以保护高压变压器不被击穿;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，此电压降会影响试验电压的高低，故不必串联保护电阻。
2.2 其他指标
由前所述，可知耐压击穿装置还应具备下述的指标。
（1）漏电流和击穿电流
不管是交流还是直流耐压击穿装置，都应配备测量这两种电流的器件;由于不同介质的击穿电流相差悬殊，有的很大，有的介质即使击穿了但击穿装置的保护机构仍不动作，从而不断开高电压，所以更有必要测定击穿电流。因为漏电流和击穿电流的动态范围很宽，最好按对数刻度方式显录。
（2）电压升降速度与高电压保持时间
耐压击穿装置的技术标准和产品的试验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抗电试验，即所谓“秒试验法”。就是按照一定的百分比（20%~30%）把正常抗电的额定电压值提高，而将额定电压保持时间缩短至一秒。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，做出秒伏特性曲线，然后比较不同时间对应的击穿电压值的比值，从而确定出在秒试验时应提高额定电压的百分比。
另外，为了在试验过程减少人为因素的影响，可以采用自动操作装置，以控制电压的升降速度与高电压的保持时间。

参考文献
[1]电气绝缘测试技术编写组，《电气绝缘测试技术》，上海人民出版社，1972年。
[2]刘耀南，邱容昌，电气绝缘测试技术，机械工业出版社，1981年
[3]HGB2163-62，塑料检查方法，耐压强度测定法。
[4]GB1408-75，固体电工绝缘材料工频击穿电压、击穿强度和耐压试验。
[5]GB1695-81，硫化橡胶工频击穿介电强度和耐压的测定方法。
[6]GB1408-78，击穿电压、击穿强度和耐压试验方法。
[7]GB998-67，低压电器，基本试验法。