绝缘强度仪和击穿电压仪的特点及应用

ASTM D149绝缘材料的击穿电压和绝缘强度的标准测试方法-击穿电压和绝缘强度测试仪

3. 术语

3.1 定义：

3.1.1 介质击穿电压（电击穿电压），名词：使得位于两个电极之间的绝缘材料失去介电性能的电势差（参见附录X1）。

3.1.1.1 讨论一介质击穿电压有时也简称“击穿电压"。

3.1.2 介电失效（在测试中），名词：指在测试限制的电场条件下，能够持久由介电电导率上升所证明的情况。

3.1.3 绝缘强度，名词：指在测试的特定条件下，使得绝缘材料介电失效时的电压梯度。

3.1.4 电气强度，名词：参见绝缘强度。

3.1.4.1 讨论一在国际上，“电气强度"更常用些。

3.1.5 闪络，名词：指发生在绝缘体或绝缘体周围介质的破坏性电火花，不一定对绝缘体产生损害。

3.1.6 其他与固体绝缘体材料相关术语的定义，参见术语D1711。

4. 测试方法概要

4.1 在工业电频率条件下（如无特殊说明，则为60Hz），对测试样品采用不同的电压。以使用电压所描述三种方法中的一种，将电压从0或从低于击穿电压的恰当电压开始，升高到测试样品发生介电失效为止。

4.2 大多数情况下，在测试样品的两边安装简单的测试电极，以进行电压测试。测试样品可以是模制的，也可以是铸造的，或是从扁平薄板或厚板上切割下来的。也可以使用其他的电极或样品结构以适应样品材料的几何形状，或是模拟正在被评估材料的特定用途。

5. 意义和使用

5.1 电绝缘材料的绝缘强度是决定材料可以在何种条件下使用的关键性能。在很多情况下，材料的绝缘强度是所使用装置设计的决定性因素。

5.2 本方法中介绍的测试，将用于提供部分所需的信息，以判断材料在一定应用条件下的适用性；当然也能用于检测由于流程的变化，老化的程度，或是其他制造或环境条件而造成的变化或是与正常特征的偏差。该测试方法可以有效地应用于流程控制，验证或研究测试。

5.3 本测试方法所获得的结果，很少能直接用于实际使用材料介电性能的判断。在大多数情况下，还需要对其他功能测试和/或对其他材料测试所获得的结果进行比较，以估计出它们对特定材料的影响，才能进行评价。

5.4 在第12章中将具体说明三种电压使用方法。方法A，快速测试；方法B，逐步测试；方法C，慢速测试。方法A常用于质量控制测试。较费时的方法B和C通常给出较低的结果，但在对不同材料进行相互比较时，它们所给出的结果更有说服力。如果可以安装电动电压控制器，那么慢速测试法将比逐步测试法更简单，也更常用。方法B和C所获得的结果可以相互比较。

5.5 详细说明本测试法的文件如下：

5.5.1 电压应用的方法。

5.5.2 如果是慢速测试法，应说明电压的增速。

5.5.3 测试样品的选择，准备和调整。

5.5.4 测试时的环境介质和温度。

5.5.5 电极。

5.5.6 在可能的情况下，电流传感元件失效的标准，以及，

5.5.7 以及任何与推荐流程的偏差。

5.6 如果5.5所列要求没有出现在说明文件中，可按以下推荐进行处理。

5.7 如果5.5所列的条目没有详细说明，那么就是在参考就不充分条件下进行测试，则测试不符合本方法的要求。如果5.5所列的条目没有获得严格控制，那么就无法实现15.2和15.3所陈述的精度。

5.8 电流传感元件失效标准（电流设定和反应时间）的变化将明显影响测试结果。

5.9 附录X1包含了对绝缘强度测试显著性更为复杂的讨论。

6. 装置

6.1 电压源—由变化正弦低压电源通过升压变压器提供测试电压。作为电压源的变压器及相关的控制应具有以下功能：

6.1.1 电压峰值与电压有效值的比率应等于(1.34到1.48)，对于电路中的测试样品，所有的电压都应大于击穿电压的50%。

6.1.2 电压应具有满足维持到击穿电压的能力。对于大多数的材料来说，使用与表1所示电极相似的电极，输出电流强度为40mA就可以了。对于更复杂的电极结构，或是对于高损耗测试材料，则需要更高的电流。对于大多数测试来说，电源需要在测试低电容的0.5kVA，10kV到5kVA，100kV的范围内变化。

B 电极通常采用黄铜或不锈钢制造。应参考控制被测材料的标准，以确定材料是否合适。

C 电极表面应抛光并清除上次测试留下的杂物。

D 参考恰当的标准，以确定所安装上侧电极的负载力。除非另有说明，否则上侧电极应重50±2g。

E 参考恰当的标准，以确定适当间距的梯度。

F IEC出版物243-1给出了6型电极，以测定平板材料。对于电极的同心度来说，他们没有1型和2型电极那么重要。

G 只要测试样品圆形边缘的内侧直径大于15mm，也可使用其他直径。

H 7型电极，即注G中所描述的电极，由IEC出版物243-1给出，测量时应平行与表面。

6.1.3 根据12.2，对可变低压源的控制可以改变电源的压力，使得合成的测试电压流畅，均匀，没有超量或是瞬变。在任何环境下，都不允许峰值电压超过显示电压有效值的1.48倍。电机驱动控制器更适合于进行快速测试（参见12.2.1）或慢速测试（参见12.2.3)。

6.1.4 在电源上安装可以在三个周期内运行的切断设备。该设备将电压源设备与电源设备切断，以保护电压源不受试样击穿造成设备过载的影响。如果破裂后保持持续的电流，将造成测试样品不必要的燃烧，电极的点蚀并污染液体环境介质。

6.1.5 断路设备应具有位于次级升压变压器上可以调节电流的检测元件，以便根据测试样的性质进行调整和排列，以检测试验电流。设置检测元件以应对12.3所定义的测试样击穿电流。

6.1.6 电流设置对测试结果具有重大影响。设置应足够高，使得短暂电压，例如局部放电，无法通过断路器，如果不够高，将击穿过度燃烧的测试样，并造成电极的损坏。优化的电流设置并不能适用于所有的测试样，这有赖于材料的具体使用情况以及测试的目的，有必要以多个电流设置对所给测试样进行测试。电极区域对电流的设置选择具有重大的影响。

6.1.7 测试样电流感应元件应位于升压变压器的前端。按测试样电流校准电流检测刻度。

6.1.8 应小心设置电流控制响应。如果控制设置得太高，在击穿发生时，将不会产生响应。如果设置得太低，就会对漏电电流，电容电流或局部放电电流（电晕）产生响应，或在检测元件位于前端时，对升压变压器的磁化电*产生响应。

6.2 电压测量—备有电压表以测定测试电压有效值。应采用可以读取峰值的电压计，将读数除以即为有效值。电压测量电路的总体误差不能超过测量值的5%。另外，无论采用何种速度，电压计响应时间的滞后率不得超过全程的1％。

6.2.1 通过将电压计或潜在变压器连接到测试样电极上，或连接到变压器上独立的电压计线圈上，以测定电压。后一种连接方式将不会影响升压变压器的负载。

6.2.2 要求电压计最大可读电压要大于击穿电压，以便能够准确读取和记录击穿电压。

6.3 电极—对于给定的测试样结构，击穿电压还是会由于测试电极的几何形状以及安装位置而产生相当大的变化。出于这个原因，在该测试方法时，应说明所使用的电极，并在报告中进行说明就显得很重要了。

6.3.1 参考本测试方法的文件详细说明了表1中所列的电极。如果没有详细说明的电极，那么应从表1中挑选合适的电极，或在由于被测试材料的性质或结构而无法使用标准电极的情况下，采用双方都认可的其他电极。一些特殊电极的例子，可以参见附录X2。无论何种情况，都应在报告中说明所采用的电极。

6.3.2 表1中的1到4型及6型电极的整个平面都应与测试样相接触。

6.3.3 采用7型电极测试的测试样，在测试中应处于电极内，其到电极边缘的距离不得少于15mm。在大多数情况下，使用7型电极进行测试时，其电极表面应处于垂直位置。水平放置电极的测试不能与垂直放置电极的测试进行直接比较，尤其对于在液相环境介质进行的测试。

6.3.4 保持电极表面的清洁和光滑，清除先前测试所留下的杂物。如果电极表面粗糙，则应及时更换电极。

6.3.5 对电极的初次生产和随后的表面重修应维持电极的特定结构以及光洁度，这是非常重要的。电极表面的平整度和表面光洁度应保证电极的整个区域都能与测试样紧密接触。在测试非常薄的材料时，表面光洁度将尤为重要，这是由于电极不恰当的表面会对测试材料产生物理损坏。表面重修时，不能改变电极表面与特定边缘半径之间的过渡。

6.3.6无论在大小或形状上有多大的差别，位于应力集中处的电极，通常是比较大的且具有最大半径的那一个，应具有接地电位。

6.3.7 在一些特定的液相金属电极中，将使用电极箔，金属球，水或导电涂层电极。应该认识到这造成了所得结果与其他类型电极所获得的结果之间存在很大的不同。

6.3.8 由于电极对测试结果的影响，常常会得到一些额外的信息，以至于需要对多种电极进行测试才能了解一个材料（或一组材料）的绝缘性能。这对于研究测试尤为具有价值。

6.4 环境介质—有关本测试法的文件应说明环境介质和测试温度。为了避免闪络以及使击穿前局部放电的影响最小化，即使是对于快速测试，应更倾向于甚至是必须在绝缘液中进行测试（参见6.4.1）。绝缘液中获得的击穿值不能与空气中获得的值进行比较。绝缘液的性质和前次使用的程度也会影响测试的结果。在某些场合，在空气中进行测试，需要大量的测试样，或者会在击穿前，造成严重的表面放电以及烧蚀。一些在空气中测试的电极系统应在电极周围包上压力垫片以防止闪络。电极周围垫片或封条的材料将影响击穿电压值。

6.4.1 如果在绝缘油中进行测试，应提供适当大小的油池。（注意—在测试电压高于10kV时，并不推荐使用玻璃容器，因为击穿所释放出来的能量足以击碎容器。而金属池必须进行接地）。

推荐使用满足标准D3487中I型或II型的矿物油。根据测试法D877所测定的结果，其击穿电压至少为26kV。如果另有说明，也可以将其他绝缘液用作环境介质。这些绝缘油包括硅油和其他用于变压器，断路器，电容或电缆的液体，但不限于此。

6.4.1.1 绝缘油的性质对测试结果具有一定的影响。如上所述，除了击穿电压，在测试较薄（小于25μm（千分之一寸）的测试样）时，污染物尤其重要。根据油和测试材料的性质，其他的特性如溶解气体含量，水含量以及油的损耗因子都对测量结果产生影响。经常更换绝缘油，或使用过滤器和其他修复设备有利于减小绝缘油性能变化对测试结果的影响。

6.4.1.2 从不同电学性能液体中测得的击穿值通常不能进行比较。（参见Xl.4.7）如果在不同于室温的条件下进行测试，应通过加热或冷却液体确保均匀的温度。在一些情况下，可以将绝缘池放入加热箱（参见6.4.2）中以控制温度。如果要强制循环液体，应防止气泡进入到液体中。除非另有说明，否则电极上的测试温度应维持在±5℃以内。在很多情况下，应说明测试样将在绝缘油中进行测试，测试样在测试前已浸入绝缘油中并且未从绝缘油中取出（参见操作规程D2413）。对于这些材料，绝缘池的设计应保证测试样在测试前不得暴露于空气当中。

6.4.2 如果在其他环境温度或湿度下进行空气中的测试，应准备加热箱和湿度控制室。加热箱应满足D5423标准的要求，并能确保测试电压适于使用的温度。

6.4.3除了在空气以外，在其他气体中进行测试也要求使用可以排除或充满测试气体的控制室，这些控制室通常还要控制压力。由所进行测试项目的性质决定控制室的设计。

6.5 测试室—进行测试的测试室或测试区域应具有充足的空间以容纳测试设备，并备有互锁设备，以防止接触到任何带电部件。电压源，测量设备，池或加热箱，以及电极的许多不同的物理安排都是可能的，但有三条是必须的（1）所有进出带电部件区域的门或仓门都必须互锁，以便在开始测试时切断电压源；(2)应尽可能的清除干净，使得电极表面和测试样之间没有扭曲的区域，测试电极之间不会发生闪络和局部放电（电晕）；以及(3)在测试之间测试样的插入和替换都应尽可能的简单便捷。在测试中常常需要对电极和测试样进行目测。

7. 危害

7.1 注意—在本测试中将会出现致命的电压。有必要恰当地设计并安装测试设备和所有与之电气连接的设备，以保证安全操作。在测试中任何人都接触的导电部件都应稳固的放在地上。在测试完成时，应采取措施置于地上的部件包括：（a）在测试中处于高压条件下的部件，（b）在测试中获得感应电荷的部件，或（c）即使在断开与电压源的连接后仍具有电荷的部件。通过指导让所有的操作员以恰当的方式安全的进行测试。在进行高压测试时，尤其是在压缩气体或是在油中进行时，击穿所产生的能量足以引发大火，爆炸或测试室的破裂。设计测试设备，测试室和测试样，以减小发生此类事故的可能性并消除人员伤亡的可能性。

7.2 警告—在高浓度条件下，臭氧将危害生理健康。由政府部门设定臭氧接触极限，这通常是以美国政府工业卫生工作者会议8的推荐值为基础。在电压高到足以在空气或其他含有氧

气的大气中产生局部或*放电时，将产生臭氧。在低浓度时，臭氧就具有了特殊的气味，

但是持续的吸入臭氧会造成对臭氧暂时失去知觉。正因为如此，当持续出现臭氧的气味或是一直存在臭氧产生的条件时，采用工业监控设备测量大气中的臭氧浓度就十分重要了。采用恰当的方法，例如排气口，可以将工作区域内的臭氧浓度降至可以接受的水平。

8. 取样

8.1 对该材料的说明中应定义详细的取样流程。

8.2 为了质量控制的目的，在取样时应收集足够的样品以评估被测样品的平均质量和被检批次的变化情况，为了使所取样品不受时间的影响，应在实验室或其他测试区域已经开始准备测试样时进行取样。

8.3 为了获得最可取的测试条件，需要从那些远离材料中明显缺损或是间断的地方进行取样。对于卷材，除非要对缺损或间断的出现或邻近进行调查，否则应避免对外在的几层进行取样，例如卷材包的最外层，或是紧邻片或卷边缘的材料。

8.4 取样应足够大，以便能够按特殊材料的要求进行各项测试（参见12.4）。

9. 测试样

9.1 准备和处理：

9.1.1 按照第8章的要求，从所选样品中准备测试样。

9.1.2 如果要使用平滑表面的电极，在不进行实际表面加工的情况下，测试样与电极接触的表面应尽可能具有平滑的平行面。

9.1.3 测试样应具有足够的大小以防止在测试时发生闪络。对于薄的材料，使用足够大的测试样将便于在一片测试样上进行多次的测试。

9.1.4 对于较厚的材料（通常厚度在2mm以上），应具有足够的绝缘强度，以便在击穿前出现闪络或强烈的表面局部放电（电晕）。用于防止闪络，或减少局部放电（电晕）的技术包括：

9.1.4.1 在测试时，将测试样浸入到绝缘油中。环境介质因素对击穿的影响参见X1.4.7。对于那些没有干燥且浸入到油中的测试样以及那些按照D2413操作规程准备的测试样来说，这通常都是必要的（参见6.4)。

9.1.4.2 在测试的一侧或两侧加工出一个凹槽或是钻出一个平底的洞，以减少测试的厚度。如果采用不同的电极（如表1中的6型电极），那么只需加工一个表面，两个电极中较大的一个应与加工好的表面相连接。加工测试样时要小心，以免对测试样造成污染或机械损坏。

9.1.4.3 用封条或整流罩绕住于测试样相连接的电极，以减少闪络的发生。

9.1.5 不平的材料应采用与样品材料和几何形状相近的测试样（和电极）进行测试。有必要按材料的说明确定对这些材料所使用的测试样和电极。

9.1.6 无论材料的形状如何，如果除了测试面对面的击穿强度以外还要进行其他测试，则要在该材料的说明中指出所使用的测试样和电极。

9.2 几乎在所有的情况下，测试样的实际厚度都很重要。除非另有说明，否则应在测试后，测量击穿点邻近区域的厚度。应在室温条件下（25±5℃）进行测量，并根据D374测试法采取恰当的流程。

10. 校准

10.1 在校准测量时，测试样应处于通路状态，并注意那些以6.2所给精度进行测量的电极电压。

10.2 将一个独立的校准电压表连接到测试电压源的输出端，以检测测量设备的精度。校准测量适用的这类电压表示例为：具有可比精度的电极电压表，分压器，或电压互感器。

10.3 在电压大于12kV有效值（16.9kV峰值）时，应用球隙校准电压测量设备的读数。ANSI C68.1将详细说明此种校准的后续流程。

11. 调节

11.1 大多数固体绝缘体的击穿强度都受到温度和湿度的影响。因此在测试前，受此影响的材料应用控制好的温度和相对湿度进行平衡。对于这种材料，调节应包括在参照本测试法的标准中。

11.2 除非另有说明。否则应按D618操作规程进行后续流程。

11.3 对于许多材料来说，湿度对击穿强度的影响要大于温度的影响。对材料进行足够长时间的调节，以使得测试样同时达到湿度和温度的平衡。

11.4 如果调节时导致测试样表面出现凝结水，应在测试前将测试样表面擦干。通常这样可以减少表面闪络的可能性。

12. 流程

12.1 （注意：在开始任何测试前请参见第7章。）

12.2 电压使用的方法：

12.2.1 方法A，快速测试法—如图1所示，从零点到击穿发生，以一定的增压速度，将均匀的电压施加到试验电极上。除非另有说明，否则将采用快速测试法。

12.2.1.1 在确定增压速度时，为了使增速包含在新的规定值中，对于给定的测试样，应选择在10到20s内就发生击穿的增速。在某些场合，有必要进行1到2次的预测试，以确定最佳的增速。对于大多数材料而言，使用500V/s的增速。

12.2.1.2 如果文件参考本测试方法所的增速，那么即使击穿时间偶然出现在10到20s的范围之外，也应继续采用。如果出现这种情况，应在报告中记录下失效次数。

速率

(V/s)±20%

100

200

500

1000

2000

5000

图1 快速测试法电压示意图

12.2.1.3 如果要进行一系列测试以比较不同的材料，应采用相同的增速，尽量使平均时间保持在10到20s之间。如果击穿时间不能保持在该范围内，应在报告中说明。

12.2.2 方法B，逐步测试——以合适起始电压施加到测试电极上，并按图2所示，逐步增加电压，直到发生击穿。

12.2.2.1 从图2中所列的表格，可以选择起始电压Vs，在快速测试中，此电压应接近试验测定或预期击穿电压的50%。

12.2.2.2 如果起始电压低于图2所列的电压，建议以起始电压的10%作为逐步增加的电压。

12.2.2.3 在没有超6.1.3所规定的电压峰值的情况下，尽快得将起始电压从由零开始升高。同样的要求也适用于相邻步骤之间电压的升高。在完成最初的步骤后，将电压升高到相邻步骤所需的时间应计入相邻步骤的时间中。

12.2.2.4 如果在向下一步升高电压的过程发生击穿，测试样具有忍耐电压Vws，其应等于己完成步骤的电压。如果击穿发生在任何步骤持续期结束之前，测试样的忍耐电压Vws都按最后完成步骤的电压计算。击穿电压Vbd用于计算绝缘强度。通过厚度和忍耐电压Vws计算出绝缘强度。（参见图2）

12.2.2.5 要求在超过120s时间内，在10步中发生4次击穿。如果一组中有多个测试样发生的击穿次数少于3次，或是时间达不到120s的情况，应将起始由压降低后，重新测试。如果在12步之前或720s后仍未发生击穿，则应提高起始电压。

12.2.2.6 记录下起始电压，电压增加步数，击穿电压以及击穿电压所持续的时间长度。如果失效发生在电压刚刚增加到起始电压的时候，则失效时间为0。

12.2.2.7 应根据测试的目的，说明有关电压步数的其他时间长度。通常使用的时间长度为20s到300s（5分钟）。对于研究来说，在某些场合有必要对给定材料进行大于普通时间长度的测试。

12.2.3 方法C，慢速测试——向测试电极施加起始电压，按图3所示增速增加电压直到发生击穿。

12.2.3.1 从按12.2.1规定的慢速测试中选择起始电压。所选择的起始电压应满足12.2.2.3的要求。

12.2.3.2 从有关本测试法的文件所规定的起始电压开始，以一定的电压增速增加电压。通常，所选的增速应与逐步测试的平均增速近似。

12.2.3.3 如果一组有多个测试样都在不到120s内发生击穿，那么应降低起始电压或降低增速，抑或同时降低。

12.2.3.4 如果一组中有多个测试样的击穿电压不到起始电压的1.5倍，则应降低起始电压。如果在大于起始电压2.5倍的电压下（以及在120s后才发生击穿），不断出现击穿，应提高起始电压。

合适的起始电压，Vs分别是0.25, 0.50, 1, 2, 5, 10, 20, 50和100kV。

图2 逐步测试电压示意图