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              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準

              發布時間:2017-11-09      點擊次數:9147

              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準

              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產生影響的因素,并對數據的解釋提供幫助。擊穿機制常常與其他機制相結合,而非單獨發揮效用。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——在對工業材料進行的許多測試中,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,放電常常發生在環境介質中,因此增加測試的區域將在電極邊緣上或外側產生擊穿。放電也會發生在內部出現或生成的一些泡沫或氣泡里。這會造成局部的侵蝕或化學分解。這些過程將一直持續到在電極間形成完全的失效通路為止。

              X1.2.2 熱擊穿——在置于高強度電場時,在許多材料內的局部路徑上會積聚大量的熱,這將造成電介質和離子導電性能的損失,進而迅速產生熱量,所產生的熱量將大于所能耗散掉的熱量。由于材料的熱不穩定性,導致了擊穿的發生。

              X1.2.3 固有擊穿——如果放電或熱穩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,仍將發生擊穿。標準電場強度被稱為固有絕緣強度。雖然機制本身也許已經涉及,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

              X1.3.1 固態工業絕緣材料通常是非均勻的,且含有許多不同的電介質缺陷。試樣上常常發生擊穿的區域,并不是那些電場強度zui大的區域,有時甚至是那些遠離電極的區域。在應力下卷中的薄弱環節有時將決定測試的結果。

              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果。制作電極的材料也會對測試結果產生影響,這是因為電極材料的熱導性和功函會對熱機制和發電機制產生影響。通常來說,由于缺乏相關的實驗數據,所以很難確定電極材料的影響。

              X1.4.2 試樣厚度——固體工業絕緣材料的絕緣強度主要取決于試樣的厚度。經驗顯示,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數成反比,更多的證據顯示,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。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,所以習慣在液體或可溶固體中進行絕緣強度測試,此時電極間具有標準的固定空間。因為絕緣強度取決于厚度,所以如果在報告絕緣強度數據時缺乏測試所用試樣的起始厚度,那么這樣的數據將毫無意義。

              X1.4.3 溫度——試樣和環境介質的溫度將影響絕緣強度,雖然對于大多數材料來說,微小的環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系進行確定。

              X1.4.4 時間——電壓應用的速率也會影響測試結果。通常,擊穿電壓隨電壓應用速率的增加而提高。這是預料之中的,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,后一種機制通過產生局部電場高臨界強度造成快速失效。

              X1.4.5 波形——通常,應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,在工業用電頻率范圍內,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果中推斷出其他非工業用電頻率(50到60HHz)對絕緣強度的影響。

              X1.4.7 環境介質——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。這已經由S.Whitehead10所揭示,為了避免固體試樣在達到擊穿電壓前在環境介質中發生放電現象,在交流電測試中,有必要確保:

                       (X1.1)

              如果浸入的液體介質是一種低損耗材料,該公式可以簡化為:

                         (X1.2)

                  如果浸入的液體介質是一種半導體材料,那么該公式可以變為:

                            (X1.3)

              式中:

              E=絕緣強度;

              f=頻率;

              ε和ε′=介電常數;

              D=耗散因數;

              o=電導率(S/m);

              下標:

              m指浸入介質;

              r指相對值;

              O指自由空間;

              (εO=8.854×10-12F/m)

              s指固體電介質。

              X1.4.7.1 Whitehead指出,要避免表面放電,則應提高Em和εm或是提高σm。通常規定使用變壓器油,其介電性能是這樣的,如果電場強度Es達到以下水平,則會發生邊緣擊穿:

                        (X1.4)

               

              如果測試樣很厚,且其介電常數很小,那么含有ts的量將成為相對影響因數,介電常數與電場強度的乘積將近似于一個常數。11Whitehead也指出(p. 261)使用潮濕的半導體油將能有效減少邊緣放電的現象。如果電極間的擊穿路徑僅在固體中出現,那么此介質將不能與其他介質進行比較。也應該注意到如果固體是多孔的或是能夠被浸入介質充滿,固體的擊穿強度將受到浸入介質電氣性質的直接影響。

              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損耗和表面電導率。因此,它的重要性很大程度上有賴于測試材料的性質。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效應。除此之外,還應調查暴露在電場強度中的影響,通常通過標準的調節流程來控制或限制相對濕度的影響。

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

              X1.5 評估

              X1.5.1 通電設備絕緣的一個基本要求就是它應能承受得住在服務中施加于它的電壓。因此很有必要對測試進行評價,以評價處于高壓應力條件下的材料性能。介質擊穿電壓測試是一種測定材料是否需要進一步考察的初步測試,但是它無法就兩個重要方面進行全部評估。首先,安裝在設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構和暴露在電場中的材料面積,電暈,機械應力,周圍介質以及與其他材料的連接之后,更是如此。第二,在服務時,會出現很多惡劣的影響,例如熱,機械應力,電暈及其產物,污染物等等,都會使擊穿電壓遠低于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,進而對該材料做出更準確的估計,但是zui終考察的仍然是那些處于實際服務的材料性質。

              X1.5.2 介質擊穿測試能作為材料檢測或是質量控制測試,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測試法所涉及的標準

              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標準,這些標準都與在電源頻率下電介質強度的測定有關,或與測試設備元件或用于測定該性質的元件有關。雖然我們竭盡全力,力圖將所有涉及D149測試法的標準都包含進來,但是該清單仍是不完全的,在本附錄出版之后編寫或修改的標準都未能包含進來。

              X2.1.2 在一些標準中,要用D149測試法測定介質強度或擊穿電壓,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標準

              ASTM代號

              卷號

              標準類型

              標題

              不具體到某種材料或材料類別的通用標準:

              D1389

              10.01

              測試方法

              薄電氣絕緣材料,驗證測試

              D1868

              10.01

              測試方法

              局部放電脈沖的檢測和測量

              D1999

              08.02

              指導

              為商務而對測試樣和測試參數進行的選擇

              D2275

              10.01

              測試方法

              表面局部放電與電壓耐受

              D2304

              10.01

              測試方法

              熱耐力,剛性絕緣材料

              D3151

              10.02

              測試方法

              電應力下的熱失效

              D3382

              10.02

              測試方法

              測量由于局部放電而轉移的能量和電荷

              D3426

              10.02

              測試方法

              絕緣強度使用的脈沖波

              D3755

              10.02

              測試方法

              絕緣強度所使用的直流電壓

              D2756

              10.02

              測試方法

              樹狀擊穿

              E1420

              12.02

              指導

              電離輻射材料的確定

              織物、纖維、紙張、磁帶、膜、柔性復合材料和涂層織物:

              D69

              10.01

              測試方法

              摩擦帶

              D202

              10.01

              測試方法

              未處理的絕緣紙張

              D295

              10.01

              測試方法

              涂漆棉織帶

              D373

              10.01

              規范

              黑色斜向截切涂漆布和膠帶

              D619

              10.01

              測試方法

              硫化纖維

              D902

              10.01

              測試方法

              樹脂鍍膜玻璃纖維和膠帶

              D1000

              10.01

              測試方法

              壓敏膠帶

              D1458

              10.01

              測試方法

              硅膠鍍膜玻璃纖維和膠帶

              D1459

              10.01

              規范

              硅樹脂玻璃纖維漆布和膠帶

              D1830

              10.01

              測試方法

              柔性材料,熱耐力,彎形電極法

              D2148

              10.01

              測試方法

              可接合膠帶

              D2305

              10.01

              測試方法

              聚合膜

              D2381

              10.01

              測試方法

              柔性復合材料

              D2413

              10.01

              測試方法

              樹脂浸漬紙和板

              D3308

              08.03

              規范

              PTFE樹脂切削帶

              D3368

              08.03

              規范

              FEP碳氟樹脂薄板和薄膜

              D3369

              08.03

              規范

              TFE碳氟樹脂鑄膜

              D3664

              10.02

              規范

              聚乙烯對苯二甲酸酯膜

              D4325

              10.02

              測試方法

              半導體和絕緣膠帶

              D4969

              08.03

              規范

              PTFE鍍膜玻璃纖維

              D5214

              10.02

              測試方法

              聚酰亞胺樹脂膜

              聚合物成型和嵌入化合物:

              D704

              08.01

              規范

              三聚氰胺甲醛模塑化合物

              D705

              08.01

              規范

              脲醛樹脂模塑化合物

              D729

              08.01

              規范

              偏氯乙烯模塑化合物

              D1430

              08.01

              規范

              聚氯三氟乙烯(PCTFE)塑料

              D1636

              08.02

              規范

              烯丙基模塑化合物

              D3013

              08.02

              規范

              環氧模塑化合物

              D3222

              08.03

              規范

              多聚(偏氟乙烯)模塑,擠壓,涂層材料

              D3748

              08.03

              操作規程

              高密度剛性發泡熱塑性塑料

              D3935

              08.03

              規范

              聚碳酸酯材料

              D4000

              08.03

              分類

              特殊用途塑料分類系統

              D4066

              08.03

              規范

              尼龍注塑和擠壓材料

              D4067

              08.03

              規范

              聚苯硫醚注塑和擠壓材料

              D4098

              08.03

              操作規程

              高密度剛性發泡熱塑性塑料

              云母,玻璃和陶瓷

              D116

              10.01

              測試方法

              玻璃化陶瓷材料

              D352

              10.01

              測試方法

              貼云母

              D748

              10.01

              規范

              天然云母塊

              D1039

              10.01

              測試方法

              玻璃粘結云母

              D1677

              10.01

              測試方法

              未處理的云母片

              D2442

              15.02

              規范

              氧化鋁陶瓷

              套管、管材、薄板和棒材:

              D229

              10.01

              測試方法

              剛性板和剛板材料

              D348

              10.01

              測試方法

              層壓管

              D349

              10.01

              測試方法

              層壓輪棒

              D350

              10.01

              測試方法

              柔滑處理套管

              D709

              10.01

              規范

              層壓熱固材料

              D876

              10.01

              測試方法

              非剛性偏氯乙烯聚合管

              D1675

              10.01

              測試方法

              TFE氟碳管

              D1710

              10.01

              規范

              TFE氟碳棒

              D2671

              10.02

              測試方法

              熱縮管

              D3293

              08.03

              規范

              PTFE模壓板

              D3294

              08.03

              規范

              PTFE模壓基本形狀

              D3295

              08.03

              規范

              PTFE套管

              D3296

              08.03

              規范

              TFE氟碳套管

              D3394

              10.02

              規范

              絕緣板(紙板)

              D4787

              06.01

              操作規程

              液態和片狀襯砌

              D4923

              08.03

              規范

              增強型熱固塑料桿

              清漆、涂料、絕緣液和絕緣氣,以及溶劑:

              D115

              10.01

              測試方法

              清漆

              D1932

              10.01

              測試方法

              熱耐力,柔性清漆

              D2477

              10.03

              測試方法

              絕緣氣

              D3214

              10.02

              測試方法

              涂層粉末及其涂層

              D4733

              10.02

              測試方法

              不溶解的清漆

              橡膠及橡膠制品:

              D120

              10.03

              規范

              橡膠絕緣手套

              D178

              10.03

              規范

              橡膠絕緣墊

              D1048

              10.03

              規范

              橡膠絕緣毯

              D1049

              10.03

              規范

              橡膠絕緣罩

              D1050

              10.03

              規范

              橡膠絕緣線管

              D1051

              10.03

              規范

              橡膠絕緣套管

              填料:

              D176

              10.01

              測試方法

              固定填充和處理化合物

              膠黏劑

               

               

              D1304

              15.06

              測試方法

              用作電氣絕緣的膠黏劑

              電線電纜絕緣:

              D470

              10.01

              測試方法

              交聯絕緣和電線電纜夾套

              D1676

              10.01

              測試方法

              電磁線上的隔熱膜

              D2307

              10.01

              測試方法

              電磁線上的絕緣膜,熱耐力

              D2633

              10.02

              測試方法

              交聯絕緣和電線電纜夾套

              D3032

              10.02

              測試方法

              連接線絕緣

              D3353

              10.02

              測試方法

              電磁線上的纖維絕緣

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