绝缘耐电压强度、介电强度、介电击穿电压测试的意义以及涉及的标准

Xl. 绝缘耐电压强度、介电强度、介电击穿电压测试的意义以及涉及的标准

X1.1 介绍

Xl.1.1 简要回顾了击穿的三种假定机制，分别是：（1）放电或电晕机制，（2）热机制，以及（3）固有机制，讨论了在原理上对实际电介质产生影响的因素，并对数据的解释提供帮助。击穿机制常常与其他机制相结合，而非单独发挥效用。随后的讨论仅针对固体和半固体材料。

Xl.2 介电击穿的假定机制

X1.2.1 由放电造成的击穿——在对工业材料进行的许多测试中，都是由于放电造成了击穿，这通常造成较高的局部场。对于固体材料来说，放电常常发生在环境介质中，因此增加测试的区域将在电极边缘上或外侧产生击穿。放电也会发生在内部出现或生成的一些泡沫或气泡里。这会造成局部的侵蚀或化学分解。这些过程将一直持续到在电极间形成*的失效通路为止。

X1.2.2 热击穿——在置于高强度电场时，在许多材料内的局部路径上会积聚大量的热，这将造成电介质和离子导电性能的损失，进而迅速产生热量，所产生的热量将大于所能耗散掉的热量。由于材料的热不稳定性，导致了击穿的发生。

X1.2.3 固有击穿——如果放电或热稳定性都不能造成击穿，那么在电场强度大到足以加速电子穿过材料时，仍将发生击穿。标准电场强度被称为固有绝缘强度。虽然机制本身也许已经涉及，但本测试法仍不能测试固有绝缘强度。

Xl.3 绝缘材料的性质

X1.3.1 固态工业绝缘材料通常是非均匀的，且含有许多不同的电介质缺陷。试样上常常发生击穿的区域，并不是那些电场强度zui大的区域，有时甚至是那些远离电极的区域。在应力下卷中的薄弱环节有时将决定测试的结果。

X1.4 测试和测试样状况的影响因素

X1.4.1 电极——通常，随着电极区域的增加，击穿电压会降低，这种影响对于薄试样来说更为明显。电极的几何形状也会影响测试的结果。制作电极的材料也会对测试结果产生影响，这是因为电极材料的热导性和功函会对热机制和发电机制产生影响。通常来说，由于缺乏相关的实验数据，所以很难确定电极材料的影响。

X1.4.2 试样厚度——固体工业绝缘材料的绝缘强度主要取决于试样的厚度。经验显示，对于固体和半固体材料来说，绝缘强度与以试样厚度为分母的分数成反比，更多的证据显示，对于相对均匀的固体来说，绝缘强度与厚度的平方根互为倒数。如果固体试样能熔化后倒入到固定电极之间并凝固下来，那么电极间距的影响将很难得到明确的定义。因为在这种情况下，可以随意固定电极间距，所以习惯在液体或可溶固体中进行绝缘强度测试，此时电极间具有标准的固定空间。因为绝缘强度取决于厚度，所以如果在报告绝缘强度数据时缺乏测试所用试样的起始厚度，那么这样的数据将毫无意义。

X1.4.3 温度——试样和环境介质的温度将影响绝缘强度，虽然对于大多数材料来说，微小的环境温度变化对材料造成影响可以忽略不计。通常，绝缘强度随温度的升高而降低，但其强度的极限取决于被测材料。*，由于材料需要室温以外的条件下发挥作用，所以有必要在比期望操作温度更大的范围里，对绝缘强度与温度的关系进行确定。

X1.4.4 时间——电压应用的速率也会影响测试结果。通常，击穿电压随电压应用速率的增加而提高。这是预料之中的，因为热击穿机制有赖于时间，而放电机制也有赖于时间，虽然在一些情况下，后一种机制通过产生局部电场高临界强度造成快速失效。

X1.4.5 波形——通常，应用电压的波形也会影响绝缘强度。在本测试方法的限制说明中，波形的影响是不显著的。

X1.4.6 频率——对于本测试法，在工业用电频率范围内，频率的变化对绝缘强度的影响将不是那么显著。但是，不能从本测试法所得结果中推断出其他非工业用电频率（50到60HHz）对绝缘强度的影响。

X1.4.7 环境介质——通常测试具有高击穿电压的固体绝缘材料，是将试样浸入到液体介质中，例如变压器油，硅油，或是氟利昂中，以减小击穿前表面放电的影响。这已经由S.Whitehead¹⁰所揭示，为了避免固体试样在达到击穿电压前在环境介质中发生放电现象，在交流电测试中，有必要确保：

         （X1.1）

如果浸入的液体介质是一种低损耗材料，该公式可以简化为：

           （X1.2）

    如果浸入的液体介质是一种半导体材料，那么该公式可以变为：

              （X1.3）

式中：

E=绝缘强度；

f=频率；

ε和ε′=介电常数；

D=耗散因数；

o=电导率（S/m）；

下标：

m指浸入介质；

r指相对值；

O指自由空间；

（ε_O=8.854×10^-12F/m）

s指固体电介质。

X1.4.7.1 Whitehead指出，要避免表面放电，则应提高E_m和ε_m或是提高σ_m。通常规定使用变压器油，其介电性能是这样的，如果电场强度Es达到以下水平，则会发生边缘击穿：

          （X1.4）

如果测试样很厚，且其介电常数很小，那么含有t_s的量将成为相对影响因数，介电常数与电场强度的乘积将近似于一个常数。¹¹Whitehead也指出（p. 261）使用潮湿的半导体油将能有效减少边缘放电的现象。如果电极间的击穿路径仅在固体中出现，那么此介质将不能与其他介质进行比较。也应该注意到如果固体是多孔的或是能够被浸入介质充满，固体的击穿强度将受到浸入介质电气性质的直接影响。

X1.4.8 相对湿度——相对湿度影响绝缘强度是因为测试材料吸收的水分或表面吸附的水分将影响介质损耗和表面电导率。因此，它的重要性很大程度上有赖于测试材料的性质。但是，即使材料只吸收了一点甚至没有吸收水分，仍会受到影响，因为在有水的情况下，将大大提高放电的化学效应。除此之外，还应调查暴露在电场强度中的影响，通常通过标准的调节流程来控制或限制相对湿度的影响。

¹⁰ 文献：Whitehead, S., 固体介电击穿, Oxford University Press, 1951.

X1.5 评估

X1.5.1 通电设备绝缘的一个基本要求就是它应能承受得住在服务中施加于它的电压。因此很有必要对测试进行评价，以评价处于高压应力条件下的材料性能。介质击穿电压测试是一种测定材料是否需要进一步考察的初步测试，但是它无法就两个重要方面进行全部评估。首先，安装在设备上的材料条件与测试条件大为不同，尤其在考虑了电场结构和暴露在电场中的材料面积，电晕，机械应力，周围介质以及与其他材料的连接之后，更是如此。第二，在服务时，会出现很多恶劣的影响，例如热，机械应力，电晕及其产物，污染物等等，都会使击穿电压远低于zui初安装时的击穿电压值。在实验室测试中，可以合并其中的一些影响，进而对该材料做出更准确的估计，但是zui终考察的仍然是那些处于实际服务的材料性质。

X1.5.2 介质击穿测试能作为材料检测或是质量控制测试，作为一种推测其他条件的手段，例如变率，或是指明恶化的过程，如热老化。在使用本测试法时，击穿电压的相对值比值更重要。

X2. D149测试法所涉及的标准

X2.1 介绍

X2.1.1 本附录所提供的文件目录将涉及到大量的ASTM标准，这些标准都与在电源频率下电介质强度的测定有关，或与测试设备元件或用于测定该性质的元件有关。虽然我们竭尽全力，力图将所有涉及D149测试法的标准都包含进来，但是该清单仍是不*的，在本附录出版之后编写或修改的标准都未能包含进来。

X2.1.2 在一些标准中，要用D149测试法测定介质强度或击穿电压，但是其参考本测试法的方式不一定符合5.5的要求。除非该文件与5.5相一致，否则不用使用其他文件，包括本目录所列的文件，来作为本测试法的参考。

表X2.1  试验方法D149引用的ASTM标准