复合材料电压击穿|介电强度试验仪——标准及规范

复合材料电压击穿|介电强度试验仪——电容器介电强度试验分析：

1、电容器的介电强度概念

电容器的介电强度就是它承受加于两引出端上的电压而不致被击穿（损坏）的能力。它主要取决于介质的介电强度和性质，此外也与电容器的结构特点、极板面积及散热情况等因素有关。

2、电容器的电压参数

在评定电容器的介电强度时，一般用击穿电压、试验电压和工作电压来表征电容器的电压参数。

2.1电容器的击穿电压U_b

当电容器上施加的电压达到U_b时，其漏导的稳定状态被破坏，引起电子电流的急剧增加，电容器在短时间内（几秒钟）产生的击穿往往是电击穿，而在长期工作后也可能产生其他形式的击穿。例如，热击穿（高频高压作用下）和老化击穿（电解性和电离性）等。

虽然电容器击穿与介质击穿有密切的关系，但由于电容器结构与工艺的影响，其击穿强度与介质有很大的差别。首先，介质的击穿是表示介质在均匀电场的作用下，介质的微观本质（承受电场强度的能力）。而电容器的击穿在很大程度上取决于它的宏观结构和工艺条件，以及由此而引起的不均匀电场和不均匀介质，电容器的击穿往往就发生在这些弱点处。其次，介质击穿一般是在特定条件下进行的。例如，采用均匀介质，均匀电场，周围环境的温度、湿度、低气压、震动和冲击等。在工作条件方面也会遇到高频电压、瞬时过电压或重复脉冲等情况。同时，介质的击穿是在短时间内施加电压下测得的数据，而电容器击穿是在长期工作负荷下产生的。电容器在长期工作和负荷之后，由于人工老化和自然老化，其介质的击穿强度有逐渐下降的趋势。由于上述原因，电容器的击穿强度远远低于介质的击穿强度。

采用相同材料和工艺制成的电容器 ，其击穿电压往往也有较大的分散性，这是由于工艺条件和材料不均匀性造成的。为了进行比较，通常采用电容器击穿电压的算术平均值即电容器的平均击穿电压U_ha，来表示电容器的击穿强度。

2.2电容器的试验电压 U_t

在生产中 ，为了保证电容器的质量 ，必须经过一定的 测试电压 ，剔除那些有明显缺陷因而击穿强度显著降低的产品。这种测试性的电压称为试验电压U_t，一般为直流 ，施加电压的时间为 10s。

2.3电容器的工作电压 U_w

电容器的工作电压是指电容器在一定期限内能可靠工作的电压 ，又称为额定电压 ，它与电容器的工作期限(寿命)有关 。如果要延长电容器的工作期限，则必须降低工作电压。

电容器的工作电压与许多因素有关 ，除了决定于所用介质外 ，还决定于电容器的结构以及使用的环境条件。当温度超过一定的数值后，则必须降低工作电压。

电容器的工作电压系列以直流为基础 ，如果电容器施加的电压为脉动电压 ，一般规定交流分量不超过直流电压的百分之几到百分之几十 ，随交流分量频率的增高而递减。考虑到功率损耗增大会影响电容器的寿命 ，交流分量的允许值一般都选择较低 ，同时还规定交流分量与直流分量的总和不得超过额定电压。

2.4击穿电压、试验电压 、工作电压之间的关系

为了保证电容器可靠地工作，既保证在瞬时过电压作用下不发生击穿 ，同时又保证在长期工作条件下不发生击穿 ，就必须正确选择电容器的击穿电压 、工作电压和试验电压等值 ，并确定它们之间的关系。一般电容器的各种电压的关系是 ：击穿电压 >试验电压 >工作电压。

3、电容器的击穿

电容器中存在三种击穿形式 ，即电击穿 、热击穿和老化击穿。

3.1瞬时电压作用下电容器的击穿——电击穿

电容器在电场作用下瞬时发生的击穿称为电击穿。其机理为电容器介质中的自由电子 ，在强电场的作用下 ，碰撞中性分子，使之电离产生正离子和新的自由电子。电离过程的急剧发展形成雪崩式的电子流，导致介质击穿。

3.1.1介质厚度的影响

电容器的工作电压较低时，可以选择较薄的介质 ，而工作电压较高时，介质的厚度必须相应增加。但这并不意味着低电压时电容器的工作场强就低，而高电压时其工作场强就高。为了充分发挥介质的功能 ，使其能在较大的场强下工作而又不致于损坏 ，必须正确选择介质厚度。

3.1.2极板面积的影响

在极板面积不大时(即小容量电容器)得出的结果。在计算大容量电容器时，必须考虑到随着极板面积的增大 ，介质的瞬时击穿强度将降低。这时由于在电场作用下的薄弱点增加 ，其击穿的可能性也增加。

3.1.3电容器的边缘击穿

在瞬时过电压的作用下 ，电容器不仅可能通过介质内部发生击穿 ，当极板边缘电场显著不均匀时 ，还有可能沿极板边缘发生击穿。这称为表面式击穿或 “表面飞弧”，有时也称为表面放电。

（1）电容器的边缘放电过程

在 电容器极板边缘电场畸变的情况下 ，可把电场强度看成是两个相互垂直的分量 Et和 En的矢量和。Et为切线分量 ，是与介质表面平行且通过极板边缘附近媒质的电场 。En为与介质表面垂直的法线分量 。如果极板边缘有空气存在 ，因为空气的击穿场强较固体介质低 ，而此时电场又集中在极板边缘jian端处 ，故在不高的电压下 ，该处空气就开始电离并产生电晕现象 ，此时的电压称为电晕起始电压 Uc。外加电压如果继续上升，电晕范围逐渐向对面电极延伸。在电晕范围的边缘部分 ，产生树枝状的辉光现象 ，此时的电压称为辉光放电电压Ug. 若电压继续增大 ，使辉光放电延伸到对面电极边缘 ，则形成整个介质的边缘放电，此时气体已wan全击穿，相应的电压称为表面放电电压Us。

实际电容器在试验电压下决不允许发生表面击穿 ，同时也不允许出现辉光和电晕现象 ，通常选取 Ut<Us。对无机介质而言 ，虽然有较高的耐电晕能力 ，但在测试时也应尽可能避免发生电晕。介质电容器中则应严格控制电晕的出现 ，这是因为介质产生电晕时 ，自由离子或电离过程中产生的电子直接轰击介质，使介质老化。因此，必须选取这类电容器的 Ut<Uc，以保证电容器长期可靠地工作。

通过实验证实，电容器的Uc, Ug和Us不仅与电场均匀性、电压频率、气压、湿度等因素有关，而且与边缘放电路径的大小有关。

(2)留边量

金属化薄膜电容器所采用的结构是一极板伸出于另一极板之外。高压介质电容器在介质边缘较大的情况下 ，已知表面放电电压不与△L成正比。在设计制造此类电容器时 ，应采用串联芯子结构 ，要求每个芯子的电压U在与△L成比例的范 围之内，从而计算出△L的值 。

3.2电容器的热击穿

电容器在使用过程中，局部过热使热平衡破坏发生的短路现象 ，称为电容器的热击穿。

产生热击穿的根本原因在于电容器的热平衡状态受到破坏 ，在外加电压的作用下 ，电容器中的损耗使介质发热 ，当达到热平衡时 ，单位时间内因损耗产生的热量等于沿电容器表面向四周环境中散发的热量 ，电容器中没有热量的积累，不会发生热击穿。但是，当电容器产生的热量来不及向外散发时 ，电容器内部的温度将会愈来愈高，损耗也愈来愈大 ，如此循环下去 ，介质局部烧裂 ，烧熔 ，wan全丧失绝缘性能。

3.3在长期电压作用下电容器的击穿——老化击穿

电容器在瞬时电压作用下的电击穿和表面放电，如果我们采用正确的结构和工艺 ，这种击穿是可以避免的。但是 ，电容器在长期工作电压的作用下 ，无论是有机介质还是无机介质 ，其击穿强度都将随时间的增加而逐渐降低， 以致到最后某一时刻被击穿 ，这种过程称为电容器的老化 。老化现象引起的击穿称为老化击穿 ，其机理是电容器介质在电压长期的作用下 ，发生物理 、化学的变化 ，使介质受到损害 ，性能逐渐恶化 ，导致产生热击穿或电击穿。

电容器是否有可能产生击穿 ，取决于其中是否存在气隙。电容器中产生气隙的原因是多方面的。首先，由于浸渍工艺、设备等原因，使介质层间以及介质与极板之间仍留有气隙，或因为固体浸渍料冷却后收缩等。其次，是因为某些介质本身有封闭气隙。同时，电容器在使用过程中也可能产生新的气隙 ，例如，浸渍料的放气以及潮气浸入 ，水分子在电场作用下的电离、分解，等等。

当气隙上的电压达到气体击穿电压时，气隙开始电离 ，此时电容器上放加的电压称为电离电压Ui，相应的场强称为电离场强Ei。

电容器中气隙发生电离 ，不一定导致立即失效，但是在长期积累下 ，随着电离的发展 ，就产生了老化击穿。

在实际的生产过程中，可采用下列措施 ，以提高电容器的Ei：

(1)采用真空浸渍 ，电容器芯子经浸渍后 ，其Ei可显著提高。这是因为浸渍后由浸渍料代替了空气气隙。当选用液体浸渍料时，应尽可能采用在电场作用下不分解出气体的材料 ，否则会影响电离电压。

(2)以金属化电极代替箔电极，可消除介质层间以及介质与电极间的气隙。

(3低压薄膜电容器可采用热聚合的方法消除气隙。

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