電壓擊穿試驗(yàn)儀測(cè)試原理及整機(jī)結(jié)構(gòu)

一、電壓擊穿試驗(yàn)儀測(cè)試原理

固體電介質(zhì)擊穿有3種形式：電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。

電擊穿

電擊穿是因電場(chǎng)使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和能量的帶電質(zhì)點(diǎn)而導(dǎo)致電介質(zhì)失去絕緣性能。熱擊穿是因在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過(guò)高而導(dǎo)致失去絕緣能力。電化學(xué)擊穿是在電場(chǎng)、溫度等因素作用下，電介質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)變化，性能逐漸劣化，最終喪失絕緣能力。固體電介質(zhì)的化學(xué)變化通常使其電導(dǎo)增加，這會(huì)使介質(zhì)的溫度上升，因而電化學(xué)擊穿的最終形式是熱擊穿。溫度和電壓作用時(shí)間對(duì)電擊穿的影響小，對(duì)熱擊穿和電化學(xué)擊穿的影響大；電場(chǎng)局部不均勻性對(duì)熱擊穿的影響小，對(duì)其他兩種影響大。

熱擊穿

當(dāng)固體電介質(zhì)承受電壓作用時(shí)，介質(zhì)損耗是電介質(zhì)發(fā)熱、溫度升高；而電介質(zhì)的電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，所以電流進(jìn)一步增大，損耗發(fā)熱也隨之增加。電介質(zhì)的熱擊穿是由電介質(zhì)內(nèi)部的熱不平衡過(guò)程造成的。如果發(fā)熱量大于散熱量，電介質(zhì)溫度就會(huì)不斷上升，形成惡性循環(huán)，引起電介質(zhì)分解、炭化等，電氣強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致?lián)舸?/span>

熱擊穿的特點(diǎn)是：擊穿電壓隨溫度的升高而下降，擊穿電壓與散熱條件有關(guān)，如電介質(zhì)厚度大，則散熱困難，因此擊穿電壓并不隨電介質(zhì)厚度成正比增加；當(dāng)外施電壓頻率增高時(shí)，擊穿電壓將下降。

電化學(xué)擊穿

固體電介質(zhì)受到電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的長(zhǎng)期作用時(shí)，其物理和化學(xué)性能會(huì)發(fā)生不可逆的老化，擊穿電壓逐漸下降，長(zhǎng)時(shí)間擊穿電壓常常只有短時(shí)擊穿電壓的幾分之一，這種絕緣擊穿成為電化學(xué)擊穿。當(dāng)加在某絕緣介質(zhì)上的電壓高于過(guò)一定程度（擊穿電壓）后，這時(shí)絕緣介質(zhì)會(huì)發(fā)生突崩潰而使其電阻迅速下降，繼而使得一部分絕緣介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)體。在有效的擊穿電壓下，電擊穿現(xiàn)象可以發(fā)生在固體、流體、氣體或者真空等不同的介質(zhì)中。

電樹(shù)枝（預(yù)擊穿）

在電氣工程中，樹(shù)化是固體絕緣中的一種電氣預(yù)擊穿現(xiàn)象。這是由于局部放電而造成的破壞性過(guò)程，并通過(guò)受應(yīng)力的介電絕緣層，在類(lèi)似于樹(shù)枝的路徑中進(jìn)行。固體高壓電纜絕緣的樹(shù)化是地下電力電纜中常見(jiàn)的擊穿機(jī)制和電氣故障來(lái)源。當(dāng)干介電材料在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)受到高且發(fā)散的電場(chǎng)應(yīng)力時(shí)，首先發(fā)生并傳播電樹(shù)。觀察到電樹(shù)化起源于雜質(zhì)、氣孔、機(jī)械缺陷或?qū)щ娡黄鹪陔娊橘|(zhì)的小區(qū)域內(nèi)引起過(guò)度電場(chǎng)應(yīng)力的點(diǎn)。這可以使體電介質(zhì)內(nèi)的空隙內(nèi)的氣體電離，從而在空隙的壁之間產(chǎn)生小的放電。雜質(zhì)或缺陷甚至可能導(dǎo)致固體電介質(zhì)本身的部分擊穿。這些局部放電(PD)產(chǎn)生的紫外線和臭氧隨后與附近的電介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，分解并進(jìn)一步降低其絕緣能力。隨著電介質(zhì)的降解，氣體通常會(huì)釋放出來(lái)，從而產(chǎn)生新的空隙和裂縫。這些缺陷進(jìn)一步削弱了材料的介電強(qiáng)度，增強(qiáng)了電應(yīng)力，加速了PD過(guò)程。

2.2試品

如表1所示，電壓擊穿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于（1）TO封裝、（2）剛性壓接封裝、（3）彈性壓接封裝（4）焊接封裝、（5）用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的簡(jiǎn)易封裝、（6）襯板、（7）子單元框架、（8）板狀絕緣材料、（9）管殼、（10）硅凝膠的擊穿強(qiáng)度測(cè)量和驗(yàn)證。

表1 電壓擊穿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試對(duì)象

二、整機(jī)結(jié)構(gòu)

主機(jī)型號(hào)：中航時(shí)代儀器ZJC-100KV電壓擊穿試驗(yàn)儀，如圖1所示；

配件備件：各種型號(hào)電極2套；放電棒一個(gè)；隔熱手套1副詳情見(jiàn)價(jià)格。

1 外觀示意圖

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

上圖中，

（1）結(jié)構(gòu)示意圖所示為濾波器與主機(jī)分開(kāi)的狀態(tài)，直流試驗(yàn)時(shí)須連接濾波器，交流時(shí)需要分開(kāi)濾波器；

（2）交流試驗(yàn)時(shí)，拔出濾波器與高壓變壓器的連接線，分開(kāi)濾波器；

（3）直流試驗(yàn)時(shí)，合上濾波器，插上濾波器與高壓變壓器的連接線；

（4）外部電源正負(fù)接口，用來(lái)通過(guò)外接電源的正負(fù)線，穿過(guò)之后可以直接插入試樣架正負(fù)極；

（5）外部采樣接口會(huì)輸出采樣信號(hào)，采樣信號(hào)包括高壓電流和高壓電壓，信號(hào)為0-5V；

（6）其他相關(guān)的部分，如高壓采樣等請(qǐng)參考電路設(shè)計(jì)框圖，在此不做展示。

圖 3 高溫油槽結(jié)構(gòu)圖

圖 4 二次側(cè)測(cè)試電路示意圖

圖 5 擊穿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

關(guān)于電壓擊穿試驗(yàn)儀的一般說(shuō)明：

（1）使用計(jì)算機(jī)控制，并采集所有信號(hào)；

（2）通過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)壓控制箱生成需要的波形并且輸出0-200V電壓，通過(guò)外部觸發(fā)按鍵切換50Hz正弦波和100Hz方波；

（3）通過(guò)高壓變壓器生成需要的0-100kV電壓，并且通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)切換交直流；

（4）在試樣架正負(fù)極預(yù)留外部電源輸入接口；

（5）直流電壓通過(guò)0.5uF高壓采樣電容濾波，使紋波系數(shù)≤2%；

（6）高壓采樣部分采集電壓和電流，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換傳遞給計(jì)算機(jī)，同時(shí)預(yù)留出外部取樣接口；

（7）在直流試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)電感限制電容放電，防止放電電流過(guò)大造成干擾；

（8）整機(jī)接線如下圖所示，包含計(jì)算機(jī)和放電、照明等系統(tǒng)的接線方式。

圖 6 擊穿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整機(jī)接線圖