耐電壓擊穿|工頻擊穿電壓試驗儀

耐電壓擊穿|工頻擊穿電壓試驗儀

關(guān)鍵詞：變壓器；油擊穿；電壓實驗；問題

在交流電場下，變壓器油紙絕緣電壓一般按照電容分布；直流電壓下，一般按照電阻分布。在極性反轉(zhuǎn)電壓下，既有長時間的直流電壓維持，又有極性反轉(zhuǎn)的過程，因此，電壓分布關(guān)系要相對復(fù)雜。有必要對變壓器絕緣在該電壓下的擊穿特性和擊穿機理進行深入研究。

1實驗方法

1.1實驗?zāi)Ｐ?/span>

實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，包括高壓電極、低壓電極、屏蔽電極和絕緣支撐。高低壓電極的直徑為90mm，導(dǎo)角的半徑為15mm，高度為50mm。屏蔽與低壓電極間隙為2mm，高度為20mm避免了絕緣支架漏電流對電流測量的影響。電流測量在低壓電極與屏蔽之間通過屏蔽電纜引出來獲得。實驗?zāi)Ｐ头胖迷谝粋€絕緣筒油箱中，其中充滿被實驗的變壓器油，高低壓電極之間的油隙為試樣。

1.2實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，包括正極性直流高壓發(fā)生器、負極性直流高壓發(fā)生器、保護電阻、烘箱、實驗?zāi)Ｐ秃臀脖?。極性反轉(zhuǎn)靠正負極性直流高壓發(fā)生器之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)控制。

1.3實驗過程

變壓器油試品首先經(jīng)過脫水、脫氣處理，使含水量小于l0ppm，交流擊穿電壓大于60kV，90℃時介質(zhì)損耗小于0.4%，可以看成工程純凈變壓器油。處理后的變壓器油放置在烘箱中恒溫。

參照實驗標準，根據(jù)擊穿實驗的要求，本文設(shè)計了實驗方案，施加電壓過程如圖3所示。對每個樣品實驗，電壓施加到-V1，后開始記錄實驗時間。從每個電壓持續(xù)時間開始時刻算起，取最小20s間隔記錄實驗電壓與電流數(shù)值，一直到樣品擊穿。更換新變壓器油樣品，重復(fù)進行實驗。

2實驗結(jié)果

2.1不同油隙實驗

油隙取6mm和8mm，每個油隙樣品個數(shù)為10}在室溫20℃下進行了極性反轉(zhuǎn)電壓實驗。對每個間隙，都得到了10個擊穿電壓值，把它們(實點)標注在不擊穿時施加電壓過程曲線(細線)上可以得到擊穿電壓位置的分布情況，如圖4所示。取10個樣品中擊穿電壓相對較高的5個樣品的電流作算術(shù)平均，平均電流變化曲線如圖5所示。經(jīng)計算，6mm油隙的擊穿場強絕對值的平均值為8.33kV/mm

8mm油隙為8.9kV/mm。

圖4可以說明，在20℃溫度下，2種油隙的擊穿沒有發(fā)生在極性反轉(zhuǎn)位置;隨油隙距離增大，擊穿電壓升高。計算的擊穿場強數(shù)值也出現(xiàn)了升高。圖5可以說明，2種油隙平均電流變化規(guī)律一致，同一電壓下，電流出現(xiàn)了明顯從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過程。

2.2不同溫度實驗

取油隙為8mm，在20℃、40℃、60℃、80℃和100℃5個溫度點下，進行了極性反轉(zhuǎn)電壓實驗，對每個溫度點下樣品個數(shù)為10。擊穿場強絕對值與溫度關(guān)系如圖6所示。對每個溫度點下的10個擊穿電壓值的分布情況如圖7所示。

圖6說明變壓器油擊穿場強與溫度相關(guān)，在40℃以下時，隨溫度升高，擊穿場強升高。在40℃以上時，隨溫度升高擊穿場強下降，在40℃時出現(xiàn)了最大值。由圖7可見，擊穿電壓出現(xiàn)時刻的概率分布不同。低溫時擊穿電壓不出現(xiàn)在極性反轉(zhuǎn)位置，高溫時擊穿經(jīng)常在極性反轉(zhuǎn)位置;不論低溫還是高溫下，擊穿出現(xiàn)在同極性電壓升高位置概率高。

在各種溫度下，油隙平均電流隨施加電壓升高而增大。在同一電壓下，平均電流隨溫度升高而增大，而且都出現(xiàn)了從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過程，這個過程的規(guī)律相差很大。低溫時電流由小到大緩慢變化，高溫時電流出現(xiàn)了過沖，電流由大到小變化。

3離子運動與擊穿規(guī)律的討論

3.1液體電導(dǎo)的一般規(guī)律

作為弱極性介質(zhì)，變壓器油的電導(dǎo)一般為雜質(zhì)電導(dǎo)。在弱電場下，雜質(zhì)分子僅有極少一部分由于熱振動離解而形成的正負極性的帶電離子，離解的正負離子相碰撞也能復(fù)合成中性分子。液體中的離子在松弛時間內(nèi)與鄰近的分子束縛在一起，在某一位置作振動，而另一段時間因碰撞得到較大的動能超出鄰近分子的束縛勢壘時，與相鄰的分子分開，遷移一個與分子尺寸可相比較的一段路徑后，再次被束縛。在無電場時，離子沿各方向遷移幾率相等，總體無離子電流。

3.2離子運動模型建立

從離子電導(dǎo)一般規(guī)律可以看出，正負離子的產(chǎn)生是分子熱振動的結(jié)果，同時離子會復(fù)合成分子。在電場作用下，僅有一小部分過剩離子運動產(chǎn)生電導(dǎo)。由于離子的平均躍遷距離遠小于極板之間的距離，所以過剩離子中的一小部分正負離子能夠達到電極中和產(chǎn)生電極電流。

平衡(穩(wěn)定)狀態(tài)下，單位時間內(nèi)離子數(shù)應(yīng)該滿足以下等式：

熱離解離子數(shù)=復(fù)合離子數(shù)+中和離子數(shù)。

在單位時間內(nèi)離子運動的平均距離為s，設(shè)電場間隙d為s的m倍，則暫態(tài)過程che底完成需要m個單位時間。假設(shè)離子在所處的區(qū)域內(nèi)均勻分布，則在第一個單位時間，熱電離產(chǎn)生的濃度為n01，的離子，沿電場方向產(chǎn)生的過剩離子為△n1，這些過剩離子有s距離空間的離子能夠達到極板，間隙內(nèi)剩余(d-s>距離空間的過剩離子。在第二個單位時間內(nèi)，會有相同濃度n01(第一個單位時間內(nèi)的過剩離子與總離子數(shù)相比較可以忽略)的離子產(chǎn)生，沿電場方向也產(chǎn)生的過剩離子△n1，和相同距離s的位移，但與第一個單位時間不同的是，第一個單位時間內(nèi)乘l余的過剩離子由于復(fù)合作用濃度下降到△n2同時也完成了s距離的移動。如次累計，當單位時間數(shù)增加到一定程度后，由于離子復(fù)合的作用，第一個單位時間離解的過剩離子己經(jīng)不存在了，離子運動進入穩(wěn)態(tài)過程。

正負過剩離子運動規(guī)律的差異會導(dǎo)致電場分空間非對稱性;電場強度變化會導(dǎo)致過剩離子運動發(fā)生改變，通過弱場區(qū)域離子運動速度減慢，通過強場區(qū)的運動速度加快，也會導(dǎo)致電場改變，所以實際電場分布會有所差異。按照以上離子運動模型，極板電流及電場的分布與過剩離子的復(fù)合速度、離子運動速度(單位時間內(nèi)離子運動的平均距離和極板間距有關(guān)。其他條件不變時，隨溫度增加，過剩離子復(fù)合速度和運動速度都增加，電場畸變減弱;其他條件不變時，電場強度增大，過剩離子運動速度與復(fù)合速度增加，電場畸變減弱。

3.3極性反轉(zhuǎn)電壓下的擊穿規(guī)律

一般，擊穿電壓與電場畸變程度有關(guān)。電場畸變造成局部場強過高，引起局部放電或擊穿，最后導(dǎo)致整體絕緣擊穿。相同溫度和場強下，油間隙在一定范圍內(nèi)變化不會影響電極附近離子濃度分布，場強畸變變化不大，所以在極性反轉(zhuǎn)電壓下，擊穿場強沒有出現(xiàn)隨油間隙增加而下降的“體積效應(yīng)”現(xiàn)象。同極性電壓升高瞬間使電場畸變，無論在低溫還是在高溫狀態(tài)下，油隙擊穿概率都提高。

在極性反轉(zhuǎn)過程中，高溫時離子運動速度快，受離子集聚影響，電極附近電場強度增大。所以，高溫時擊穿會常常發(fā)生在極性反轉(zhuǎn)過程中。穩(wěn)態(tài)時，隨溫度增加，離子運動和復(fù)合速度加快，電場畸變減弱。所以低溫時更容易在穩(wěn)態(tài)擊穿。變壓器油在極性反轉(zhuǎn)電壓下?lián)舸┑臏囟忍匦允且陨?種情況共同作用出現(xiàn)的結(jié)果。

結(jié)論:在極性反轉(zhuǎn)電壓下，擊穿場強隨油間隙沒有出現(xiàn)“體積效應(yīng)”現(xiàn)象。變壓器油擊穿電壓與溫度相關(guān)，出現(xiàn)擊穿電壓由低到高，再由高到低的變化，在本實驗溫度點內(nèi)，40℃出現(xiàn)了擊穿場強的最高值。在極性反轉(zhuǎn)后，流過油隙的電流出現(xiàn)了暫態(tài)過程，該過程隨溫度變化明顯。采用提出的離子運動模型可以解釋極性反轉(zhuǎn)電壓下變壓器油擊穿的規(guī)律。變壓器油的擊穿特性及其規(guī)律研究結(jié)果對

耐電壓擊穿|工頻擊穿電壓試驗儀實驗要求及測試報告：

一、驗前準備：

1．樣品準備：

1．1試樣處理：將所測試樣加工成200*200mm厚度3mm以下的片狀，并將其表面清潔干凈，試驗時將試樣光面向上放置（即光滑面放高壓電極）。絕緣材料的電氣強度隨溫度和水份含量而變化.若被試驗材料已有規(guī)定,則應(yīng)遵循此規(guī)定.否則,除非另有商定條件,試樣應(yīng)在溫度為(23±2)℃,相對濕度為(50±5)%℃條件下處理少于24H

1．2樣品準備注意點.

1．2．1制備固體材料試樣時,應(yīng)注意與電極接觸的試樣兩表面要平行,而且應(yīng)盡可能平整光滑.

1．2．2對于垂直于材料表面的試驗,要求試樣有足夠大的面積以防止試驗過程中發(fā)生閃絡(luò).

1．2．3對于垂直于材料表面的試驗,不同厚度的試樣其結(jié)果不能直接相比

2、兩電極間距離測量用來計算電氣強度的兩電極間距離值應(yīng)為下列之一(按被試樣材料的規(guī)定).

2．1標稱厚度或兩電極間距離(除非另有規(guī)定,一般均采用此值);

2．2對于平等于表面的試驗,兩電極間的距離;

2．3在每個試樣上擊穿點附近直接測得的厚度或兩電極間的距離.

3、電極清潔：在試驗前，檢查電極是否干凈，如果有污垢，使用無塵布蘸取酒精擦干凈上下電極，保證電極無污垢。

二、周圍煤質(zhì)選擇
材料應(yīng)在為防止閃絡(luò)而選取的周圍煤質(zhì)中試驗,在大多數(shù)情況下,符合IEC60296:2003的變壓器油是適用的煤質(zhì).對在礦物油中會引起膨脹的材料,此時其他的流體(例如硅油),可能是更合適的.
對擊穿電壓值相對較低的試樣,可在空氣中試驗,此時若要在高溫下進行試驗時,應(yīng)注意即使在中等的試驗電壓下,在電極邊緣的放電也會對測試值造成很大的影響.
如果試圖在另一種媒質(zhì)中對某種材料的性能進行試驗評定,則可以應(yīng)用這種媒質(zhì).
所選取的媒質(zhì)應(yīng)對被試樣材料的危害影響是最小的.
周圍媒質(zhì)對試驗結(jié)果可能有很大影響,特別是對易吸收的材料,如紙和紙板,因此必需在試樣制備程序中確定全部的必要步驟(例如干媒和浸漬),以及試驗過程中周圍煤質(zhì)的狀態(tài).必須有足夠的時間讓試樣和電極達到所要求的溫度,但有些材料會因長期處于高溫而受到的影響.

1、在高溫空氣中的試驗在高溫空氣中的試驗,可在任何設(shè)計合理的烘箱中進行,烘箱要有足夠大的體積來容納試樣和電極,使它們在試驗時不發(fā)生閃絡(luò).烘箱應(yīng)裝有空氣循環(huán)裝置使試樣周圍溫度在規(guī)定溫度的±2℃內(nèi)且應(yīng)大體上保持均勻,把溫度計、熱電偶或其他測量溫度的裝置盡可能放在實驗點附近測量溫度.

2、在液體中的試驗

當試驗要在絕緣液體中進行時,除非其他液體更合適外,一般應(yīng)在使用符合IEC60296:2003的變壓器油,必須保證液體有足夠的電氣強度以避免閃絡(luò).在具有此變壓器油更高的相對電容率的液體中試驗的試樣,會出現(xiàn)在此在變壓器油中試驗時更高的電氣強度.降低變壓器油或其他液體電氣強度的雜質(zhì),也可能會增加試驗上測得的電氣強度.

高溫下的試驗可能在烘箱內(nèi)的盛液容器中進行,也可在絕緣油作為熱傳遞介質(zhì)的恒溫控制的油浴中進行.在這種情況下,應(yīng)采用合適的液體循環(huán)措施,以使試樣周圍的溫度大致均勻,并保持在規(guī)定溫度的±2℃內(nèi).
三、升壓方式

1、短時(快速)試驗

1.1將試驗電壓由零開始以均勻均勻的速度升高直至擊穿發(fā)生.

1.2對被試材料選擇升壓速度時,應(yīng)使大多數(shù)擊穿發(fā)生在(10～20)s之間,則認為試驗是成功的.

1.3升壓速度應(yīng)從下述中選取:

100V/s,200V/s,500V/s,1000V/s,200V/s,3000V/s等等.

注:對于大多數(shù)材料,通常使用500V/s的升壓速度,對模塑材料,推薦使用2000V/s升壓速度.以便獲得與IEC60296:2003相適應(yīng)的可比數(shù)據(jù).

2、20s逐級升升壓試驗

2.1將40%的預(yù)計短時擊穿電壓施加于試樣上假如不知道短時擊穿電壓預(yù)計值，則應(yīng)按上述1.1~1.3方法得來。

2.2假如試樣耐受這個電壓20s還未擊穿,則應(yīng)該按表1規(guī)定的增量逐級增加電壓.每一次增加的電壓應(yīng)立即且連續(xù)施加20s直至發(fā)生擊穿.

2.3升壓要盡可能地快并無任何瞬態(tài)過電壓,級間升壓所用的時間應(yīng)包括在較高一級電壓的20s期間內(nèi)

2.4如果擊穿發(fā)生在從起始試驗算起少于6級的電壓內(nèi),則用更低的起始電壓再做5個試樣的試驗

2.5根據(jù)試樣能耐受20s而不擊穿的最高試驗電壓來確定電氣強度.

3、慢速升壓試驗(120～240)s從40%的預(yù)計適時擊穿電壓開始勻速升壓,便擊穿發(fā)生在(120～240)s之間,對于擊穿電壓有顯著差異的材料來說,有些試樣可能在此時間范圍以外發(fā)生破壞.如果大多數(shù)擊穿發(fā)生在(120～240)s之間,則認為是滿意的,選擇升壓速度時應(yīng)從下列數(shù)據(jù)中開始選擇:2V/s,5V/s,10V/s,20V/s,50V/s,100V/s,200V/s,500V/s,1000V/s等等.

4、60s逐級升壓試驗除非另有規(guī)定,應(yīng)按“20s逐級升升壓試驗"進行試驗,但每一級中的耐壓時間為60s.

5、極慢速升壓試驗(300～600)s

除非另有規(guī)定,應(yīng)按“慢速升壓試驗(120～240)s"進行試驗,但擊穿應(yīng)發(fā)生在(300～600)s之間,從下列數(shù)據(jù)中選擇升壓速度;1V/s,2V/s,5V/s;10V/s;20V/s;50V/s,100V/s,200V/s等等
注:在10.3中所述的(120-240)s的慢速升壓試驗和在10.5在所述的(300～600)s的極慢速升壓試驗所得結(jié)果與20s逐級升壓(10.2)或60s逐級升壓(10.4)所得結(jié)果大致相似,當使用現(xiàn)代自動設(shè)備時,前兩者較逐級升壓試驗更為方便且采用這兩種慢速升壓試驗也使自動設(shè)備的使用成為可能.

6、檢查試驗

當做檢查或耐壓試驗時,要求施加一個預(yù)先確定的電壓值,即將該電壓盡可能快而準確地升到所要求的值,升壓過程中不出現(xiàn)任何瞬態(tài)的過電壓,然后將所要求的電壓值維持到規(guī)定的時間.
四、擊穿的判斷
在電擊穿的同時,回路中電流增加和試樣兩端電壓下降,電流的增加可使斷路器跳開或熔絲燒斷,但有時也可由于閃絡(luò)、試驗充電電流、漏電或局部放電電流、設(shè)備磁化電流或誤動作而引起斷路器跳開.因此,斷路器應(yīng)與試驗設(shè)備及被試材料的特性相匹配,否則,斷路器可能會在試樣未擊穿時動作或當試樣擊穿時斷路器不動作,這樣便不能正確的判斷出是否擊穿.即使在最好條件下,也存在周圍煤質(zhì)先擊穿的情況也會發(fā)生,因此試驗過程中要注意觀察和檢測這些現(xiàn)象,若發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)擊穿,應(yīng)在報告中注明.
注:對漏電檢測電路敏感性特別重要那些材料,在這種材料的標準中也應(yīng)作同樣的說明.
在垂直于材料表面方向試驗時通常容易判斷,無論通道是否充有碳粒,當擊穿發(fā)生后用肉眼容易看到真正擊穿的通道.當平行于材料表面方向試驗時,要求判斷是由試樣破壞引起的擊穿現(xiàn)象還是由閃絡(luò)引起的失效.可以通過檢查試樣或使用再施加一次電壓的辦法來進行鑒別,再次施加的電壓值應(yīng)小于第一次施加的擊穿電壓值.試驗證明,再次施加的電壓值為第一次擊穿電壓值的50%比較合適,然后用與第一次試驗相同的方法升壓直到在破壞.
 五、試驗次數(shù)

1、除非另有規(guī)定,通常應(yīng)做5次試驗,取試驗結(jié)果的中值作為電氣強度或擊穿電壓的值.如果任何一個試驗結(jié)果偏離中值的15%以上,則另做5次試驗.然后由10次試驗的中值作為其電氣強度或擊穿電壓的值.

2、當試驗并非用于例行的質(zhì)量控制時,必須做較多的試樣,具體的數(shù)量與材料的分散性和所用的統(tǒng)計分析方法有關(guān).

3、對并非用于例行的質(zhì)量控制試驗,參見附錄A對決定需要試驗次數(shù)和數(shù)據(jù)分析參考是有用的.

六、試驗方法：

將測試產(chǎn)品放至電流電極上（見圖3），用電壓電極壓于試樣上面。關(guān)好玻璃門，開啟電源開關(guān)，再參照相關(guān)標準設(shè)定所需參數(shù)，如無標準要求，按以下步驟進行：

1.擊穿電壓強度試驗

1)連續(xù)升壓：試驗電壓從零開始，按表1規(guī)定的升壓速度連續(xù)均勻升壓，直至試樣被擊穿，讀取擊穿電壓值。

表1連續(xù)升壓法升壓速度

2)逐級升壓：按連續(xù)升壓法所測得的試樣擊穿電壓值的

50%作為起始電壓，停留一分鐘后如試樣未被擊穿，則按表2規(guī)定的電壓值逐級升壓，并在每一級電壓上停留1分，直至試

樣被擊穿為止。若在升壓過程中發(fā)生擊穿，應(yīng)讀取前一級的電壓值；若擊穿發(fā)生在保持不變的電壓級上，則以該電壓作為擊穿電壓。

表2逐級升壓法升壓電壓值

2.耐電壓試驗：

1)迅速將電壓升高到由產(chǎn)品標準規(guī)定的電壓值停留1分，觀察試樣是否擊穿。若不擊穿，則定此電壓為耐電壓值。

試驗結(jié)果：

擊穿電壓強度E(kV/mm)，按下式計算：

E=U/d式中：U----擊穿電壓，單位為千伏（kV）;d-----試樣厚度，單位為毫米（mm）。

取3個試樣的中位數(shù)為試驗結(jié)果，保留小數(shù)點后一位。
七、試驗報告
除非另有規(guī)定,報告應(yīng)包括如下內(nèi)容:

1、被試樣材料全稱,試樣及其制備方法的說明

2、電氣強度的中值(以KV/MM表示)或擊穿電壓的中值(以KV表示)

3、每個試樣的厚度(見5.4)

4、試驗時所用的周圍煤質(zhì)及其性能

5、電極系統(tǒng)

6、施加電壓的方式及頻率

7、電氣強度的各個值(以KV/MM表示)或擊穿電壓的各個值(以KV表示)

8、在空氣中或在其他氣體中試驗時的溫度、壓力和濕度,若在液體中試驗時周圍煤質(zhì)的溫度

9、試驗前條件處理

10、擊穿類型和位置的說明