电气绝缘测试技术--第一课

电气绝缘测试技术主讲：张文龙哈尔滨理工大学材料学院高分子材料系Email:[e-mail]电路电子有关知识回顾0-1电学基础知识1、欧姆定律:流过电阻的电流,与加在电阻两端的电压成正比,与电阻的阻值成反比RIuiuUI电阻元件的特点：无记忆元件：任意时刻电阻两端的电压仅与此刻的电流有关；无源元件：在关联参考方向时，电阻元件只消耗功率；耗散元件：吸收的能量都换成热能消耗掉+u-IRRUI或第0章绪论2、分压定律：当电路由n个电阻串联而成时，因流经各电阻的电流均为i，可得iRiRRRRueqnk)(21nkkeqRR1uRRiRueqkkknk,,21此时任意电阻RK上的电压为u1R1Ui2R2UURRRU2111URRRU2122当串联的电阻只有两个时，总电阻为R1+R2，分压公式如下：UCCCU2112当只有两个电容串联时，总电抗为X=XC1+XC2，电容的电抗可以计算为,分压公式如下：CjX1UCCCU21211C2Cui1U2U第0章绪论第0章绪论3、电容定义或解释1）电容是导体或导体组容纳电量特征的物理量。导体的电容等于它所带电量和它电势的比。3）当导体组所带电量和电势的比值只跟导体组的几何形状有关而不受其他物体影响，这种导体组叫做电容器。电容器的电容为C=Q/U；Q为一导体所带电量的绝对值，u为导体组之间的电势差。4）单位在国际单位制中,电容的单位是法拉。常用_的单位还有微法拉和皮法拉。5）说明①孤立导体的电容仅与导体的几何形状有关而跟导体所带电量和电势高低无关，例如，一个均匀带电球体，设半径为r，带电量为q，则在球面处所具有的电势为U=KQ/r，那么r/K=Q/U。则得出Q和u的比值将只跟半径r有关，即当形状固定时，电容大小和导体是否带电无关。如果在导体的近旁有其他导体时，则导体就不是孤立的了，它的电势不仅和它自己所带电量有关，还和其他导体的位置和形状有关，这是由于原带电导体使邻近导体的表面产生感应电荷而影响导体第0章绪论的电势。因此单个导体作为电容器很不稳定，无实用价值。为了消除其他导体的影响采用导体组实现静电屏蔽。导体组所带电量和电势的比值只跟导体组本身的几何形状有关，而不受其他物体影响，这样的导体组即为电容器。在实际工作中，往往需要一定数值的电容和电势差(电压)，所以采用电容器的组合。组合的基本方法有串联和并联两种。②电容器储藏的能量。因为形成任何一个带电体系时，都要消耗一定形式的能，而克服带电体之间相互作用也要作一定数量的功，因而具有电势能。所以电容器在充电过程中通过电源作功，有一部分能量储藏在电容器的电场中。反之，在电容器放电过程中将释放电能。在一定电压下，电容量大的电容器储能多。如果对同一电容器来讲，电压越高，储能越多。所以电容量和电压将是电容器储能大小的标志，但须注意充电电压不能超过电容器的耐压值。第0章绪论0-2本课程内容1、电介质参数：电导率、相对介电常数、介质损耗角正切、击穿强度的基本概念及在外界因素影响下的变化规律；2、绝缘材料电性能：电介质四个参数的测量方法和测量技术；3、局部放电的测量：各种测量方法的基本原理及具体的测量技术；4、老化试验：常规老化试验应遵循的原则；热老化、电老化技术；5、试验的统计分析和设计：数理统计在绝缘测试中的应用；第0章绪论0-3电气绝缘测试技术作用高电压或强电场电工、电子产品在研究、设计、制造和运行中，绝缘性能的测试。其目的可概括如下：1）科学研究工作研究介电性能（传统四大参数ρ或γ、εr、tanδ和Eb）与材料组份、微观结构的关系。2）工程领域（绝缘材料、电气设备制造业、电子器件制造业）产品开发和设计时，模型实验中绝缘性能的测试；制造过程中，材料、半成品和成品绝缘性能的测试判断产品合格与否；电力系统电气设备运行过程中，绝缘状态的检测和监测判断设备的运行状态是否满足运行要求及其可靠性等。第0章绪论0-4电气绝缘测试与一般电工测试的区别1）测试难度大绝缘电阻1010—1017Ω；直流微电流小到1016A；工频高电压可达1000kV以上；局部放电电脉冲信号小到μV级；损耗因素小到10-5（相当时间测试小到10-8秒）。）有些测量参数有别于一般电气量如：空间电荷、局部放电在放电量、寿命实验和可靠性实验等。3）影响因素复杂，分散性大第一章电阻率与微电流的测量§1-1绝缘电阻与电阻率一、定义：在电工设备中和电力传输线上，要把不同电位的导体隔离开，需要绝缘体。绝缘体的基本功能，是阻止电流流通，使得电能按设计的途径传输，保证设备能正常工作。绝缘体也不是绝对不导电的，只不过是通过它的泄漏电流很小而已。……………………………………………………………………1、绝缘电阻：表征绝缘体阻止电流流通的能力。是标准绝缘特性的基本参数之一；绝缘电阻太低，泄露电流很大，电能浪费；甚至破坏绝缘结构，引起事故。材料的绝缘电阻受所处环境的影响（温度，湿度），发生变化，需经常测量；…………泄漏电流：直流电流施加于某一个绝缘体，电流随时间由大到小的变化，一段时间后，达到稳定电流；…………泄漏电流：流过绝缘体的稳定电流；初始电流充电电流：线路刚开始充电的瞬间所引起的冲击电流；极化电流：电极极化所产生的电流。第一章电阻率与微电流的测量VVURISSURI时间电流绝缘电阻定义：是施加于绝缘体上两个导体之间的直流电压与流过绝缘体的泄漏电流之比：URIR——绝缘电阻，Ω；U——直流电压，V；I——泄漏电流，A。绝缘电阻的组成：体积电阻与表面电阻的并联Ir+-IsIs电极VSVSRRRRR第一章电阻率与微电流的测量hVVVURAI2、绝缘体的体积电阻施加的直流电压U与通过绝缘体内部的电流Iv之比。绝缘体的体积电阻与导体间绝缘体的厚度成正比，与导体和绝缘体接触面积成反比。体积电阻率是绝缘体内的直流电场强度与体积内部泄漏电流密度之比，即单位立方体的绝缘电阻值。hVVVVEUIAJh——绝缘体的厚度，m；A——电极的面积，m2；ρV——体积电阻率，Ω●mEV——绝缘体内的电场强度，V/m；JV——绝缘体内的电流密度，A/m2；第一章电阻率与微电流的测量dSSSURlI3、绝缘体的表面电阻施加的直流电压U与通过绝缘体表面的电流IS之比。绝缘体的表面电阻与绝缘体表面上放置的导体的长度成反比，与导体间绝缘体表面上的距离成正比。表面电阻率是绝缘体表面层的直流电场强度与通过表面层的电流线密度之比，即正方形面积内的表面电阻值。dSSSEUIlad——导体间距离，m；l——导体长度，m；ρS——表面电阻率，ΩES——表面电场强度，V/m；a——电流线密度，A/m；IS_d+l绝缘体导体第一章电阻率与微电流的测量几点说明绝缘电阻不仅与绝缘材料的性能有关，还决定于绝缘系统的形状和尺寸；电阻率则完全决定于绝缘材料的性能。表面电阻率对外界的影响很敏感，所以绝缘材料的电阻率一般指的是体积电阻率。第一章电阻率与微电流的测量二、影响绝缘电阻的因素实验条件和环境条件对试样的电阻存在一定的影响：温度在绝缘材料中，导电的载流子主要是靠离子迁移，温度升高时离子容易摆脱周围分子的束缚而产生位移，从而使体积电阻率呈指数下降。226AKTVKTenfqn——离子浓度，离子数/m3；f——离子振动频率，Hz；q——离子所带电荷量，C;α——离子每次迁移的距离，m；A——离子迁移活化能，J;T——绝对温度，K;K——波尔兹曼常数，J/K第一章电阻率与微电流的测量湿度•绝缘材料在吸湿后，电阻率要明显下降。…………………………………………………………...[水的电导比绝缘材料大得多，其介电常数也很大，能降低离子的电离能]•电气设备在潮湿环境中停放后，在重新投入运行之前，应该先测其电阻，若下降很多，需烘干后在投入使用。电场强度•电场强度不高时，电阻率与电场强度无关；•电场强度很高时，电子电导起明显作用，此时电导随电场强度增高而明显增加。•电压升高时，绝缘体中的某些缺陷（裂纹、气泡）可能产生放电，绝缘电阻也会下降。第一章电阻率与微电流的测量辐照•有机材料在强光或X射线、γ射线等的辐照下，会产生各种光电流，使绝缘电阻下降。辐照停止相当长时间后，此效应仍然存在；聚乙烯辐照强度：8R⊙/min温度：20℃电阻率下降3~4个数量级试验前的样品预处理为消除由于试样在试验之前所经历的环境条件不同而造成试验结果的偏差,试样在试验之前要做预处理。在温度为（23±2）ºC、相对温度为50±5%条件下处理24小时。第一章电阻率与微电流的测量§1-2试样与电极测量绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率时，必须制作适当的试样，并选取适当的电极系统和电极材料；一、试样根据使用要求，绝缘材料具有不同的形状与尺寸（板状、薄膜、带状、管状、棒状）；测量体积电阻率时，试样的形状和厚度决定于材料的形状和厚度；测量表面电阻率时，规定试样的厚度不超过4mm；过厚的试样需进行单面切削以达到试验要求，测量表面电阻率时应在未加工的材料原表面上进行；测试表面电阻率时，试样的大小应比电极的最大尺寸至少每边大7mm；国标规定，方形板材边长50或100mm，圆形板材直径50或100mm，管状试样长度50或100mm。第一章电阻率与微电流的测量二、电极系统电极系统分为两电极和三电极系统两种。平板试样三电极系统管状试样三电极系统第一章电阻率与微电流的测量三电极系统：可以将体积电流和表面电流分开，以便分别测量体积电阻率和表面电阻率；使用三电极系统测量体积电阻率时，可以使测量的电极下的电场比较均匀，从而可以用等效面积来计算体积电阻率；平板型试样的三电极系统中，当测量体积电阻率时，电极1为被保护电极（测量电极），电极2为保护电极，电极3为不保护电极（高压电极）；测量表面电阻率时，电极2为不保护电极，电极3为保护电极。第一章电阻率与微电流的测量电极尺寸的规定和选择：需考虑使测得的结果有代表性，并能满足测量设备灵敏度的要求；测量体积电阻率时，要使测量电极下的电场尽可能的均匀，减小电极边缘效应，从而近似按均匀电场来计算电阻率；测量表面电阻时，间隙g不能太小，这一方面是为了使沿电极周长间隙g的误差不至于太大，另一方面也是为了尽量减小体积电流的影响。实际中，IEC规定，电极1的直径或长度至少要比试样的厚度大10倍，实际采用的一般均不少于25mm；电极3的直径或长度及电极2的外径应大于电极2的内径再加上试样厚度的2倍，实际采用的g不小于1mm。第一章电阻率与微电流的测量体积电流的影响：'()VSSVIghfIh第一章电阻率与微电流的测量两电极系统中，随着g/h的增大，Iv’，Is都减小；而且Is比Iv’减小得更多，因此f（g/h）是上升的；当电极为三电极系统时，g/h增大引起更多的体积电流流向保护电极，流向测量电极的Iv’比Is减小更多，因此f（g/h）是下降的。根据以上分析，在测量表面电阻率时，为了减小体积电流的影响，应采用三电极系统，而且g/h≥2.二电极系统（不采用保护电极）一般只适用于某些特殊情况，例如当试样很薄时，Iv’≥Is，测量ρv就可以用二电极系统。但要注意用二电极系统测ρs时，g不能太小，否则会增大体积电流的影响。第一章电阻率与微电流的测量三、电极材料与装置要求：1.电极本身是良好的导体，而且能够和试样紧密接触；2.电极与试样不能有相互作用，电极应能耐腐蚀。3.在试验过程中，特别是在高温下，不能因有电极存在而引起试样的性能发生变化；4.电极制作方便，使用安全。第一章电阻率与微电流的测量由于各种绝缘材料的特性不同，而且试验条件也有很大差别，因此推荐作为电极的材料有很多，主要有以下几种：（1）银漆和银膏高导电的银漆在大气中干燥或在低温下烘干，银膏在高温下还原，都能在试样表面形成电极。这种电极由不连续的银颗粒沉积在试样表面形成，它能让试样内部的潮气扩散出去，因此试验可先做好电极，然后再进行预处理。优点：