Xl. 絕緣耐電壓強度、介電強度、介電擊穿電壓測試的意義以及涉及的標(biāo)準(zhǔn)

X1.1 介紹

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

Xl.2 介電擊穿的假定機制

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

X1.2.2 熱擊穿——在置于高強度電場時，在許多材料內(nèi)的局部路徑上會積聚大量的熱，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，那么在電場強度大到足以加速電子穿過材料時，仍將發(fā)生擊穿。標(biāo)準(zhǔn)電場強度被稱為固有絕緣強度。雖然機制本身也許已經(jīng)涉及，但本測試法仍不能測試固有絕緣強度。

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，并不是那些電場強度zui大的區(qū)域，有時甚至是那些遠(yuǎn)離電極的區(qū)域。在應(yīng)力下卷中的薄弱環(huán)節(jié)有時將決定測試的結(jié)果。

X1.4 測試和測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，擊穿電壓會降低，這種影響對于薄試樣來說更為明顯。電極的幾何形狀也會影響測試的結(jié)果。制作電極的材料也會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，這是因為電極材料的熱導(dǎo)性和功函會對熱機制和發(fā)電機制產(chǎn)生影響。通常來說，由于缺乏相關(guān)的實驗數(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)絕緣材料的絕緣強度主要取決于試樣的厚度。經(jīng)驗顯示，對于固體和半固體材料來說，絕緣強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，對于相對均勻的固體來說，絕緣強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，那么電極間距的影響將很難得到明確的定義。因為在這種情況下，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)行絕緣強度測試，此時電極間具有標(biāo)準(zhǔn)的固定空間。因為絕緣強度取決于厚度，所以如果在報告絕緣強度數(shù)據(jù)時缺乏測試所用試樣的起始厚度，那么這樣的數(shù)據(jù)將毫無意義。

X1.4.3 溫度——試樣和環(huán)境介質(zhì)的溫度將影響絕緣強度，雖然對于大多數(shù)材料來說，微小的環(huán)境溫度變化對材料造成影響可以忽略不計。通常，絕緣強度隨溫度的升高而降低，但其強度的極限取決于被測材料。*，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，對絕緣強度與溫度的關(guān)系進(jìn)行確定。

X1.4.4 時間——電壓應(yīng)用的速率也會影響測試結(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，因為熱擊穿機制有賴于時間，而放電機制也有賴于時間，雖然在一些情況下，后一種機制通過產(chǎn)生局部電場高臨界強度造成快速失效。

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

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

X1.4.7 環(huán)境介質(zhì)——通常測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，如果電場強度Es達(dá)到以下水平，則會發(fā)生邊緣擊穿：

          （X1.4）

如果測試樣很厚，且其介電常數(shù)很小，那么含有t_s的量將成為相對影響因數(shù)，介電常數(shù)與電場強度的乘積將近似于一個常數(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，固體的擊穿強度將受到浸入介質(zhì)電氣性質(zhì)的直接影響。

X1.4.8 相對濕度——相對濕度影響絕緣強度是因為測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試材料的性質(zhì)。但是，即使材料只吸收了一點甚至沒有吸收水分，仍會受到影響，因為在有水的情況下，將大大提高放電的化學(xué)效應(yīng)。除此之外，還應(yīng)調(diào)查暴露在電場強度中的影響，通常通過標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)流程來控制或限制相對濕度的影響。

¹⁰ 文獻(xiàn)：Whitehead, S., 固體介電擊穿, Oxford University Press, 1951.

X1.5 評估

X1.5.1 通電設(shè)備絕緣的一個基本要求就是它應(yīng)能承受得住在服務(wù)中施加于它的電壓。因此很有必要對測試進(jìn)行評價，以評價處于高壓應(yīng)力條件下的材料性能。介質(zhì)擊穿電壓測試是一種測定材料是否需要進(jìn)一步考察的初步測試，但是它無法就兩個重要方面進(jìn)行全部評估。首先，安裝在設(shè)備上的材料條件與測試條件大為不同，尤其在考慮了電場結(jié)構(gòu)和暴露在電場中的材料面積，電暈，機械應(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，會出現(xiàn)很多惡劣的影響，例如熱，機械應(yīng)力，電暈及其產(chǎn)物，污染物等等，都會使擊穿電壓遠(yuǎn)低于zui初安裝時的擊穿電壓值。在實驗室測試中，可以合并其中的一些影響，進(jìn)而對該材料做出更準(zhǔn)確的估計，但是zui終考察的仍然是那些處于實際服務(wù)的材料性質(zhì)。

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

X2. D149測試法所涉及的標(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)強度的測定有關(guān)，或與測試設(shè)備元件或用于測定該性質(zhì)的元件有關(guān)。雖然我們竭盡全力，力圖將所有涉及D149測試法的標(biāo)準(zhǔn)都包含進(jìn)來，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。

X2.1.2 在一些標(biāo)準(zhǔn)中，要用D149測試法測定介質(zhì)強度或擊穿電壓，但是其參考本測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，來作為本測試法的參考。

表X2.1  試驗方法D149引用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)