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復(fù)合材料電壓擊穿|介電強(qiáng)度試驗儀——標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

復(fù)合材料電壓擊穿|介電強(qiáng)度試驗儀——電容器介電強(qiáng)度試驗分析：

1、電容器的介電強(qiáng)度概念

電容器的介電強(qiáng)度就是它承受加于兩引出端上的電壓而不致被擊穿（損壞）的能力。它主要取決于介質(zhì)的介電強(qiáng)度和性質(zhì)，此外也與電容器的結(jié)構(gòu)特點、極板面積及散熱情況等因素有關(guān)。

2、電容器的電壓參數(shù)

在評定電容器的介電強(qiáng)度時，一般用擊穿電壓、試驗電壓和工作電壓來表征電容器的電壓參數(shù)。

2.1電容器的擊穿電壓U_b

當(dāng)電容器上施加的電壓達(dá)到U_b時，其漏導(dǎo)的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，引起電子電流的急劇增加，電容器在短時間內(nèi)（幾秒鐘）產(chǎn)生的擊穿往往是電擊穿，而在長期工作后也可能產(chǎn)生其他形式的擊穿。例如，熱擊穿（高頻高壓作用下）和老化擊穿（電解性和電離性）等。

雖然電容器擊穿與介質(zhì)擊穿有密切的關(guān)系，但由于電容器結(jié)構(gòu)與工藝的影響，其擊穿強(qiáng)度與介質(zhì)有很大的差別。首先，介質(zhì)的擊穿是表示介質(zhì)在均勻電場的作用下，介質(zhì)的微觀本質(zhì)（承受電場強(qiáng)度的能力）。而電容器的擊穿在很大程度上取決于它的宏觀結(jié)構(gòu)和工藝條件，以及由此而引起的不均勻電場和不均勻介質(zhì)，電容器的擊穿往往就發(fā)生在這些弱點處。其次，介質(zhì)擊穿一般是在特定條件下進(jìn)行的。例如，采用均勻介質(zhì)，均勻電場，周圍環(huán)境的溫度、濕度、低氣壓、震動和沖擊等。在工作條件方面也會遇到高頻電壓、瞬時過電壓或重復(fù)脈沖等情況。同時，介質(zhì)的擊穿是在短時間內(nèi)施加電壓下測得的數(shù)據(jù)，而電容器擊穿是在長期工作負(fù)荷下產(chǎn)生的。電容器在長期工作和負(fù)荷之后，由于人工老化和自然老化，其介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度有逐漸下降的趨勢。由于上述原因，電容器的擊穿強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度。

采用相同材料和工藝制成的電容器 ，其擊穿電壓往往也有較大的分散性，這是由于工藝條件和材料不均勻性造成的。為了進(jìn)行比較，通常采用電容器擊穿電壓的算術(shù)平均值即電容器的平均擊穿電壓U_ha，來表示電容器的擊穿強(qiáng)度。

2.2電容器的試驗電壓 U_t

在生產(chǎn)中 ，為了保證電容器的質(zhì)量 ，必須經(jīng)過一定的 測試電壓 ，剔除那些有明顯缺陷因而擊穿強(qiáng)度顯著降低的產(chǎn)品。這種測試性的電壓稱為試驗電壓U_t，一般為直流 ，施加電壓的時間為 10s。

2.3電容器的工作電壓 U_w

電容器的工作電壓是指電容器在一定期限內(nèi)能可靠工作的電壓 ，又稱為額定電壓 ，它與電容器的工作期限(壽命)有關(guān) 。如果要延長電容器的工作期限，則必須降低工作電壓。

電容器的工作電壓與許多因素有關(guān) ，除了決定于所用介質(zhì)外 ，還決定于電容器的結(jié)構(gòu)以及使用的環(huán)境條件。當(dāng)溫度超過一定的數(shù)值后，則必須降低工作電壓。

電容器的工作電壓系列以直流為基礎(chǔ) ，如果電容器施加的電壓為脈動電壓 ，一般規(guī)定交流分量不超過直流電壓的百分之幾到百分之幾十 ，隨交流分量頻率的增高而遞減?？紤]到功率損耗增大會影響電容器的壽命 ，交流分量的允許值一般都選擇較低 ，同時還規(guī)定交流分量與直流分量的總和不得超過額定電壓。

2.4擊穿電壓、試驗電壓 、工作電壓之間的關(guān)系

為了保證電容器可靠地工作，既保證在瞬時過電壓作用下不發(fā)生擊穿 ，同時又保證在長期工作條件下不發(fā)生擊穿 ，就必須正確選擇電容器的擊穿電壓 、工作電壓和試驗電壓等值 ，并確定它們之間的關(guān)系。一般電容器的各種電壓的關(guān)系是 ：擊穿電壓 >試驗電壓 >工作電壓。

3、電容器的擊穿

電容器中存在三種擊穿形式 ，即電擊穿 、熱擊穿和老化擊穿。

3.1瞬時電壓作用下電容器的擊穿——電擊穿

電容器在電場作用下瞬時發(fā)生的擊穿稱為電擊穿。其機(jī)理為電容器介質(zhì)中的自由電子 ，在強(qiáng)電場的作用下 ，碰撞中性分子，使之電離產(chǎn)生正離子和新的自由電子。電離過程的急劇發(fā)展形成雪崩式的電子流，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。

3.1.1介質(zhì)厚度的影響

電容器的工作電壓較低時，可以選擇較薄的介質(zhì) ，而工作電壓較高時，介質(zhì)的厚度必須相應(yīng)增加。但這并不意味著低電壓時電容器的工作場強(qiáng)就低，而高電壓時其工作場強(qiáng)就高。為了充分發(fā)揮介質(zhì)的功能 ，使其能在較大的場強(qiáng)下工作而又不致于損壞 ，必須正確選擇介質(zhì)厚度。

3.1.2極板面積的影響

在極板面積不大時(即小容量電容器)得出的結(jié)果。在計算大容量電容器時，必須考慮到隨著極板面積的增大 ，介質(zhì)的瞬時擊穿強(qiáng)度將降低。這時由于在電場作用下的薄弱點增加 ，其擊穿的可能性也增加。

3.1.3電容器的邊緣擊穿

在瞬時過電壓的作用下 ，電容器不僅可能通過介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生擊穿 ，當(dāng)極板邊緣電場顯著不均勻時 ，還有可能沿極板邊緣發(fā)生擊穿。這稱為表面式擊穿或 “表面飛弧"，有時也稱為表面放電。

（1）電容器的邊緣放電過程

在 電容器極板邊緣電場畸變的情況下 ，可把電場強(qiáng)度看成是兩個相互垂直的分量 Et和 En的矢量和。Et為切線分量 ，是與介質(zhì)表面平行且通過極板邊緣附近媒質(zhì)的電場 。En為與介質(zhì)表面垂直的法線分量 。如果極板邊緣有空氣存在 ，因為空氣的擊穿場強(qiáng)較固體介質(zhì)低 ，而此時電場又集中在極板邊緣jian端處 ，故在不高的電壓下 ，該處空氣就開始電離并產(chǎn)生電暈現(xiàn)象 ，此時的電壓稱為電暈起始電壓 Uc。外加電壓如果繼續(xù)上升，電暈范圍逐漸向?qū)γ骐姌O延伸。在電暈范圍的邊緣部分 ，產(chǎn)生樹枝狀的輝光現(xiàn)象 ，此時的電壓稱為輝光放電電壓Ug. 若電壓繼續(xù)增大 ，使輝光放電延伸到對面電極邊緣 ，則形成整個介質(zhì)的邊緣放電，此時氣體已wan全擊穿，相應(yīng)的電壓稱為表面放電電壓Us。

實際電容器在試驗電壓下決不允許發(fā)生表面擊穿 ，同時也不允許出現(xiàn)輝光和電暈現(xiàn)象 ，通常選取 Ut<Us。對無機(jī)介質(zhì)而言 ，雖然有較高的耐電暈?zāi)芰?，但在測試時也應(yīng)盡可能避免發(fā)生電暈。介質(zhì)電容器中則應(yīng)嚴(yán)格控制電暈的出現(xiàn) ，這是因為介質(zhì)產(chǎn)生電暈時 ，自由離子或電離過程中產(chǎn)生的電子直接轟擊介質(zhì)，使介質(zhì)老化。因此，必須選取這類電容器的 Ut<Uc，以保證電容器長期可靠地工作。

通過實驗證實，電容器的Uc, Ug和Us不僅與電場均勻性、電壓頻率、氣壓、濕度等因素有關(guān)，而且與邊緣放電路徑的大小有關(guān)。

(2)留邊量

金屬化薄膜電容器所采用的結(jié)構(gòu)是一極板伸出于另一極板之外。高壓介質(zhì)電容器在介質(zhì)邊緣較大的情況下 ，已知表面放電電壓不與△L成正比。在設(shè)計制造此類電容器時 ，應(yīng)采用串聯(lián)芯子結(jié)構(gòu) ，要求每個芯子的電壓U在與△L成比例的范 圍之內(nèi)，從而計算出△L的值 。

3.2電容器的熱擊穿

電容器在使用過程中，局部過熱使熱平衡破壞發(fā)生的短路現(xiàn)象 ，稱為電容器的熱擊穿。

產(chǎn)生熱擊穿的根本原因在于電容器的熱平衡狀態(tài)受到破壞 ，在外加電壓的作用下 ，電容器中的損耗使介質(zhì)發(fā)熱 ，當(dāng)達(dá)到熱平衡時 ，單位時間內(nèi)因損耗產(chǎn)生的熱量等于沿電容器表面向四周環(huán)境中散發(fā)的熱量 ，電容器中沒有熱量的積累，不會發(fā)生熱擊穿。但是，當(dāng)電容器產(chǎn)生的熱量來不及向外散發(fā)時 ，電容器內(nèi)部的溫度將會愈來愈高，損耗也愈來愈大 ，如此循環(huán)下去 ，介質(zhì)局部燒裂 ，燒熔 ，wan全喪失絕緣性能。

3.3在長期電壓作用下電容器的擊穿——老化擊穿

電容器在瞬時電壓作用下的電擊穿和表面放電，如果我們采用正確的結(jié)構(gòu)和工藝 ，這種擊穿是可以避免的。但是 ，電容器在長期工作電壓的作用下 ，無論是有機(jī)介質(zhì)還是無機(jī)介質(zhì) ，其擊穿強(qiáng)度都將隨時間的增加而逐漸降低， 以致到最后某一時刻被擊穿 ，這種過程稱為電容器的老化 。老化現(xiàn)象引起的擊穿稱為老化擊穿 ，其機(jī)理是電容器介質(zhì)在電壓長期的作用下 ，發(fā)生物理 、化學(xué)的變化 ，使介質(zhì)受到損害 ，性能逐漸惡化 ，導(dǎo)致產(chǎn)生熱擊穿或電擊穿。

電容器是否有可能產(chǎn)生擊穿 ，取決于其中是否存在氣隙。電容器中產(chǎn)生氣隙的原因是多方面的。首先，由于浸漬工藝、設(shè)備等原因，使介質(zhì)層間以及介質(zhì)與極板之間仍留有氣隙，或因為固體浸漬料冷卻后收縮等。其次，是因為某些介質(zhì)本身有封閉氣隙。同時，電容器在使用過程中也可能產(chǎn)生新的氣隙 ，例如，浸漬料的放氣以及潮氣浸入 ，水分子在電場作用下的電離、分解，等等。

當(dāng)氣隙上的電壓達(dá)到氣體擊穿電壓時，氣隙開始電離 ，此時電容器上放加的電壓稱為電離電壓Ui，相應(yīng)的場強(qiáng)稱為電離場強(qiáng)Ei。

電容器中氣隙發(fā)生電離 ，不一定導(dǎo)致立即失效，但是在長期積累下 ，隨著電離的發(fā)展 ，就產(chǎn)生了老化擊穿。

在實際的生產(chǎn)過程中，可采用下列措施 ，以提高電容器的Ei：

(1)采用真空浸漬 ，電容器芯子經(jīng)浸漬后 ，其Ei可顯著提高。這是因為浸漬后由浸漬料代替了空氣氣隙。當(dāng)選用液體浸漬料時，應(yīng)盡可能采用在電場作用下不分解出氣體的材料 ，否則會影響電離電壓。

(2)以金屬化電極代替箔電極，可消除介質(zhì)層間以及介質(zhì)與電極間的氣隙。

(3低壓薄膜電容器可采用熱聚合的方法消除氣隙。

相關(guān)產(chǎn)品：

ZJC-20E電壓擊穿/介電強(qiáng)度試驗儀GB/T1408.1-2016；IEC60243-1：2013

ZJC-50E電壓擊穿/介電強(qiáng)度試驗儀GB/T1408.2-2016；IEC60243-2：2013

ZJC-100E電壓擊穿/介電強(qiáng)度試驗儀ASTM D149

ZJC-150E電壓擊穿/介電強(qiáng)度試驗儀GB/T1695-2005

ZST-121體積表面電阻測試儀GB/T 31838.2-2019； IEC 62631-3-1：2016;GB/T1410

ZST-122體積表面電阻測試儀 GB/T 31838.3-2019； IEC 62631-3-2：2015;GB/T1410

ZST-212全自動體積表面電阻率測試儀 GB/T 31838.4-2019； IEC 62631-3-3：2015

ZJD-A介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀GB/T1693-2007；GB/T1409-2006

ZJD-B介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀ASTM D150-11；GB/T1693-2007

ZJD-C介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀GB/T1409-2006；ASTM D150-11

QS37a介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀GB/T1409-2006；IEC60250

ZJD-87介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀GB/T1409-2006；IEC60250

ZDH-20kV耐電弧試驗機(jī)GB-T 1411-2002；IEC61621-1997

LDQ-5全自動漏電起痕試驗儀 GB/T4207-2012；IEC60112-2009

ZLD-6kV高壓漏電起痕試驗儀GB/T 6553-2014；IEC 60587-2007；ASTMD 2303-2013

CR-400A毛細(xì)管流變儀 GB/T25278-2010

TR-200A轉(zhuǎn)矩流變儀

M-200A橡塑摩擦磨損試驗機(jī)GB/T3960-2016

XRW-300HB熱變形維卡溫度測定儀GB/T1633、GB/T1634、GB/T8802、ASTM D1525、ASTM D648

XNR-400H熔體流動速率測定儀GBT 3682.1-2018 ；ASTM D1238-2013；

CZF-5水平垂直燃燒試驗儀GB-T2408-2008；（ANSI/UL94 -2006）；GBT10707-2008

JF-5氧指數(shù)測定儀GB/T 2406.2-2009

ZRS-2灼熱絲試驗儀GB/T5169.10-2006；GB5169.11；GB4706.1

ZY-2針焰試驗儀GB/T4706.1-2005；GB5169.5

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