橡膠制品具有良好的電絕緣性,所以它被廣泛用于電力、通訊、勞動保護等行業(yè),主要應用產品有電纜、絕緣板材、絕緣靴鞋、絕緣手套等。這些產品在出廠前,必須按標準規(guī)定進行電氣絕緣性能的檢測,并以此作為產品質量定級的依據。在電氣性能檢測中,如果產品發(fā)生了電擊穿.那么該產品即判定為不合格。

1、固體絕緣的擊穿理論：

固體絕緣的擊穿常見的有電擊穿、熱擊穿及電化學擊穿三種形式。為了便于對各種擊穿現象進行討論,首先簡介固體絕緣的擊穿理論。

電擊穿：

固體絕緣的電擊穿主要是指在固體介質中發(fā)生碰撞電離而產生的擊穿,它不包括由邊緣效應介質劣化等原因引起的擊穿。固體絕緣體中存在少量傳導電子,它在電場加速下將與晶格結點上的原子碰撞,但因固體絕緣體中原子相互聯(lián)系十分緊密,所以必須考慮傳導電子與晶格的碰撞。解釋由碰撞電離引起擊穿的過程有兩種理論:

(l)固有擊穿理論:單位時間內傳導電子從電場中獲得的能量與單位時間內由于碰撞而失去的能量之間因不平衡而引起的擊穿。

(2)電子崩擊穿理論:傳導電子經電場作用得到了可使晶格原子電離的能量,產生了電子崩,當電子崩足夠強時,引起固體介質的擊穿。電擊穿的特點是:電壓作用時間短,擊穿電壓高,介質溫度不高;擊穿場強與電場均勻程度有密切關系,而與周圍環(huán)境溫度幾乎無關。

1.2熱擊穿：

當固體介質加上電場時,介質將發(fā)生損耗,引起發(fā)熱,使介質溫度升高,而介質的電阻具有負的溫度系數,即溫度上升時電阻將變小,這又會使電流進一步增大,損耗發(fā)熱亦跟著增大,因此如果介質中發(fā)生的熱量比發(fā)散的熱量大時,介質溫度將不斷上升,進一步將引起介質分解、炭化等,使介質擊穿。

1.3電化學擊穿：

由于電化學擊穿一般需要很長時間,而橡膠絕緣制品的電性能試驗,施加電壓的時間一般在1-3min,因此,本文不做討論。

1.4電擊穿與熱擊穿的關系：

橡膠絕緣制品的電擊穿和熱擊穿是絕緣擊穿的兩種不同的形式,它們形成的條件不同,但相互間又有緊密聯(lián)系。電擊穿是當施加在制品兩端的電壓很高,形成的電場足夠強時,硫化橡膠中存在的少量自由電子在電場作用下激烈運動,最后導致?lián)舸?。電擊穿是由于電場的作用而造成?發(fā)展過程極快(可達10⁶-10⁸)。制品電斟色測試過程中,測試電壓剛升到甚至未升到規(guī)定電壓即出現擊穿時,就是電擊穿形式的表現,因為此時時間很短,熱和化學的影響還來不及起作用。而當交流電壓作用時間較長時的擊穿,則另一種擊穿形式一一熱擊穿往往起決定作用了。熱擊穿是在電壓作用時間較長的情祝下發(fā)生的。由于在電場作用下的介質損耗將使橡膠制品內部發(fā)熱、溫度上升,與此同時也向周圍散熱,若發(fā)生熱量大于散熱量,則溫度將繼續(xù)升高,這時介質損耗也隨溫度升高而增加,隨著內外溫差的加大,散熱速度也在增快。但若所加電壓足夠高,使發(fā)熱量一直大于散熱量,溫度就會持續(xù)上升,最后由于溫度過高導致橡膠制品的絕緣特性喪失而被擊穿。

2、影響擊穿的因素分析：

天然橡膠和大部分合成橡膠都有很高的介電性,因此橡膠作為電絕緣材料得到了廣泛應用,如電絕緣膠板、絕緣靴鞋、帶電絕緣手套等。在這些制品的技術指標中,電氣絕緣性能是該產品考核的基本功能。本文以絕緣鞋(多部件貼合,熱硫化)、絕緣手套(模具硫化)兩個具有代表性的試驗結果為例,以擊穿理論為依據,分析擊穿與幾個影響因素之間的關系及其規(guī)律。

2.1擊穿與制品厚度的關系：

在一定范圍內,橡膠絕緣制品的厚度與其擊穿電壓并不成線性關系(見圖1)。隨著厚度增加,擊穿電壓的上升速度比較緩慢。根據熱擊穿理論分析,隨厚度的增加,制品的散熱條件發(fā)生了變化,導致內部溫度上升,從而使制品擊穿率相對增加。

2.2擊穿與環(huán)境通度的關系：

每到夏天,絕緣制品尤其是高壓絕緣制品的擊穿率上升(以c型絕緣手套為例),見圖2。根據熱擊穿理論分析,因為熱擊穿與環(huán)境溫度有關,所以環(huán)境溫度愈高,制品越不容易散熱,擊穿率越高。

2.3、擊穿與試電時間的關系：

隨著施加電壓作用時間的增加,制品擊穿率升高(以A型絕緣手套為例),見圖3。這是因為施加電壓足夠強時,傳導電子得到了可使晶格原子電離的能量,同時,由于制品內部發(fā)熱t(yī)大于散熱量,隨著時間增加,溫度將會升高使橡膠制品的絕緣特性喪失導致制品擊穿。

2.4、擊穿與連續(xù)試電次數的關系：

(l)絕緣制品在電性能測試過程中,如果連續(xù)試電若干次,它的擊穿率就會逐漸增加(以c型絕緣手套試驗為例),見圖4。這是因為絕緣制品在沖擊電壓作用下的“累積效應",即在沖擊電壓作用下絕緣制品的擊穿電壓隨沖擊電壓作用次數的增加而下降。

(2)橡膠絕緣制品高壓測試過程也是高壓放電過程,在電場的作用下高壓放電對環(huán)境中的氧氣產生電離而產生臭氧,抽樣不穩(wěn)定且對絕緣橡膠表面氧化老化,使其表面產生龜裂,隨著測試次數的增加龜裂裂紋越深,絕緣橡膠制品的絕緣強度下降,造成了重復試驗擊穿率提高。

2.5、擊穿與制品內部雜質、氣泡的關系：

在前幾組試驗中發(fā)生擊穿的制品,部分由于制品內部存在雜質和氣泡,在規(guī)定的i斑撿電壓下,基本者險造成擊穿而被剔除。對于含有雜質和氣泡的不均勻絕緣制品而言,即使在均勻電場中,制品內部的電場分布也是很不均勻的,在不均勻的電場中,電極邊緣處有局部放電產生而引起擊穿電壓下降,這種現象通常稱為“邊緣效應,,。因此,當制品內部存在雜質時,由于“邊緣效應"會導致?lián)舸╇妷合陆?當有氣泡存在時,介電系數8較小,氣泡中的電場較強,而氣泡本身的耐場強又較低,因而這些氣泡總是先游離而發(fā)生局部放電,導致?lián)舸╇妷合陆怠?/span>

3、結論：

對以上幾組試驗結果做了分析后,可以得出如下結論:橡膠絕緣制品的試電擊穿率隨環(huán)境溫度的增加而升高,隨試電時間的增加而升高,隨連續(xù)試電次數的增加而升高;在一定范圍內,制品的擊穿電壓隨制品厚度的增加而升高,但升高程度比較低。

4、建議：

在設計生產橡膠絕緣制品時,應注意以下幾點:

(l)精選材料,加強工藝管理,防止雜質混入膠料中。(2)根據需要,設計合適的制品厚度。

(3)精心設計半成品的制作工藝,保證制品內部的密度。

(4)選擇合適的試電設備,盡量能使每個產品單獨試電,以避免沖擊電壓“累積效應"的作用。

推薦設備：

ZJC-50KV電壓擊穿試驗儀

ZJC-100KV電壓擊穿試驗儀