北广精仪陶瓷材料击穿试验仪BDJC-50KV

  由计算机控制、以人机对话方式操作，可对绝缘漆、树脂胶、浸渍纤维、层压制品、云母制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷、玻璃等固体在允许电压下不导电的材料做工频电压击穿、耐压试验，测定击穿电压、击穿强度与耐电压。

  陶瓷在电气设备里承担的角色，多数时候并不显眼，却往往处在电场集中、温度交替、机械应力叠加的位置上。瓷套、瓷管、支柱绝缘子、氧化铝基板、陶瓷电容介质、封装外壳，这些零件一旦在运行电压或过电压冲击下失去绝缘能力，后果通常不是简单的性能直线下降，而是整台设备失效，甚至引发安全事故。所以陶瓷材料在出厂、复验、新配方投产之前，需要用一套可以复现的方式，把它的电气强度量出来，这正是工频电压击穿试验要解决的事情。

  陶瓷材料的电气强度不是一个固定常数。同一批氧化铝瓷，因为气孔率、晶粒尺寸、玻璃相含量、表面加工质量的差别，实测击穿强度可能相差一倍以上。这种分散性来自陶瓷本身的烧结特性：它是粉体成型后高温致密化的产物，内部天然存在闭口气孔、开口气孔、晶界玻璃相、微裂纹、夹杂颗粒。这些缺陷在电场中的表现各有不同，有的直接把局部场强抬高数倍，有的在较低电压下就开始局部放电，有的在热作用下逐步恶化。用击穿试验把它们对绝缘能力的综合影响量化出来，是材料选型、工艺改进、来料验收都绕不开的一步。

  从设备使用方的角度看，陶瓷击穿试验的价值体现在三个层面。其一，材料层面，给出材料能承受的电场强度范围，作为设计时的绝缘裕度依据；其二，工艺层面，把烧结温度曲线、原料粒径、成型压力这些工艺变量和击穿结果对应起来，用于筛选工艺窗口；其三，质量层面，为逐批抽检提供可比较的判据，让批次间的波动能够被及时发现。

  也正因为如此，陶瓷行业对击穿试验设备的要求集中在几点：电压要能稳定升到足够高，升压过程要可设定、可复现，击穿判据要灵敏而不能误判，试验数据要能保存与追溯，人员在高电压下的安全要有保障。BDJC-50KV 这类以计算机控制为基础的工频电压击穿试验系统，正是围绕这些要求组织的。

  理解击穿机理，对设定试验条件、判断数据是不是可信很有帮助。陶瓷这类无机非金属材料的击穿，通常不是单一机制在起作用，而是几种机制在不同电压段、不同时间尺度上先后或同时出现。

  本征击穿。当外加电场强到某些特定的程度，材料晶格中的束缚电子被直接激发进入导带，形成雪崩式导电通道，试样在极短时间内失去绝缘能力。本征击穿的特点是过程快、与温度关系弱、数值由材料本身决定。对致密氧化铝陶瓷而言，本征击穿场强处于较高的量级，一般在几十千伏每毫米的范围。要测到接近本征击穿的结果，需要试样均匀、无宏观缺陷，并采用较快的升压速率，减少热效应与老化效应的叠加。

  热击穿。介质在交变电场下会有介质损耗，损耗功率转化为热量。当发热速率超过试样向周围介质散热的能力，试样温度持续上升，而多数陶瓷的介质损耗随温度上升而增大，于是形成正反馈，温度上升导致损耗增大，损耗增大又推动温度上升，直到材料软化、熔融或直接失去绝缘能力。热击穿与电压作用时间强相关，升压速率越慢、试样越厚，热击穿越容易先于本征击穿出现。在高温环境下试验时，热击穿往往是主导机制。

  局部放电引起的击穿。陶瓷内部的气孔是这类机制的源头。气孔的介电常数远低于陶瓷本体，同一电场下气孔内部承担的场强比本体高出数倍，所以气孔往往在整体电压还远未达到击穿水平时就开始放电。放电产生的高能粒子与局部高温会持续侵蚀孔壁，使气孔扩大、裂纹延伸，之后形成贯穿通道。开口气孔和表面微裂纹处在油中或空气中试验时，还会引入周围介质的放电，使表观击穿强度明显低于材料真实水平。

  电化学击穿与老化。在长期电压与湿热共同作用下，陶瓷晶界玻璃相中的碱金属离子会发生迁移，在局部堆积形成空间电荷，扭曲电场分布；表面吸附水分后形成导电通路，也会加剧沿面放电。这类机制在短时击穿试验中体现不出来，但在耐压试验、长时间老化试验中会逐步显现。

  沿面闪络与体击穿的区别。这是陶瓷试样试验中容易被混淆的一对概念。沿面闪络是放电沿试样表面在电极之间发展，路径在表面或表面附近，测得的值受环境湿度、表面污染、电极边缘形状影响很大；体击穿是放电通道穿过试样厚度方向，测得的值反映材料本身的电气强度。区分这两者，直接决定试验采用空气介质还是绝缘油介质。薄片状陶瓷试样在空气中试验时，击穿电压往往受限于沿面闪络而不是体击穿，这也是陶瓷行业普遍采用油浴装置的原因。

  工频电压击穿试验的基本做法是：把试样置于规定的电极之间，以设定的方式施加 50Hz 工频电压，观察试样是否发生击穿，并记录击穿发生时的电压值。击穿电压除以试样厚度，得到击穿强度，单位通常写成 kV/mm。若施加的不是连续升压而是恒定电压，则称为耐压试验，考察的是在规定电压下能否维持规定时间而不击穿。

  试验的执行依据以标准为准。陶瓷、玻璃以及各类固体在允许电压下不导电的材料的电气强度试验，通用的方法标准是 GB/T 1408.1-2016《在允许电压下不导电的材料电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》，国际对应标准为 IEC 60243-1，美标中对应 ASTM D149。这几个标准对试样形状、尺寸、电极材料与尺寸、升压方式与速率、试验介质、结果计算与分散性处理都作了规定。

  陶瓷与玻璃类试样按 GB/T 1408.1 执行；当企业标准或客户技术协议另有规定时，以协议中的试样尺寸、电极形式、升压速率、判定方法为准，并在原始记录中注明，保证数据可追溯。

  关于升压方式，标准中一般给出几种可供选择的形式：短时试验的快速匀速升压、针对分散性较大材料的逐步升压、用于研究老化规律的慢速升压，以及在规定电压下保持规定时间的耐压试验。设备需要支持这些方式的切换，才能覆盖从材料筛选到成品验证的不同需求。

  陶瓷试样的制备质量，对击穿结果的影响常常超过设备本身。以下几道工序需要重点控制。

  厚度与平行度。击穿强度由击穿电压除以厚度得到，厚度测量误差会直接传递到结果上。陶瓷片试样一般加工到 0.5mm 至 3mm 区间，上下两面磨平，两面平行度控制在较小范围内，测量时在试样不同位置取多点厚度并取平均值，测量精度按 0.01mm 要求。厚度不均匀会导致局部场强偏高，试样往往从薄处先行击穿，结果偏低。

  表面加工与边缘处理。表面粗糙度过大，会使电极与试样之间形成微小气隙，气隙放电会拉低表观击穿值。试样边缘的锐角会造成电场集中，成为沿面闪络的起始点，常常要倒角或圆化处理。

  电极的制作。陶瓷试样常用的电极为烧渗银电极，即把银浆涂覆在试样两面后高温烧结，使电极与陶瓷表明产生紧密结合，消除接触气隙。也可采用溅射、化学镀等方式制作金属电极。对于不便做金属化处理的试样，可采用导电橡胶电极或标准金属电极直接压接，但此时要注意接触面的平整度。

  试样数量与结果处理。由于陶瓷击穿数据的分散性，单只试样的结果说明不了问题，标准一般要求一组若干只试样，取算术平均值，同时记录分散范围。若某只试样明显偏离整组数据，需查明是因为试样固有缺陷还是试验过程中出现了沿面闪络，再决定取舍，并在记录中说明。

  试验前处理。部分陶瓷试样在加工后需经过干燥处理，去除表面吸附水分；吸湿性较强的材料还需在规定的温湿度条件下调节。试验前应清洁表面，去除油污与粉尘。

  BDJC-50KV 属于 BDJC 系列的 50kV 机型，与 100kV 机型共用同一套控制与软件平台，选型时按被测试样的电压需求确定。整机的组成可以按功能分成几块来看。

  控制与运算部分。采用可编程控制器作为中央控制单元，负责升压过程的时序控制、电压与电流信号的采集、击穿判据的判断以及安全联锁的执行。控制运算与高压输出在电气上分开布置，减少高压侧对采集通道的干扰。

  升压与调压部分。由高压变压器、升压器与调压环节组成，把工频电源变换为试验所需的高压。调压环节采用无触点元件实现匀速升压，取代机械调压方式，减少了机械磨损带来的速率波动。

  测量与采集部分。电压信号通过电压传感器获取，电流信号通过电流传感器获取，采集通道以变压器输出的低电压信号为输入，实现高低压隔离。实际试验中，击穿瞬间的电流冲击容易干扰通讯端口，设备在电压与电流两个方向上做了干扰抑制处理，以降低击穿时刻失控与通讯中断的风险。

  人机交互部分。上位机软件运行在窗口操作平台上，完成参数设置、试验控制、曲线显示、数据导出与报告打印。除有线连接外，设备支持无线控制方式，操作者可以在一定距离之外完成试验操作，实现人机分离。

  安全保护部分。设备内置漏电防护网、熔断保护器与漏电保护器，配合软件层面的多项保护逻辑，构成从硬件到软件的防护层次。

  试验介质部分。设备标配可拆装的油浴装置，试样可以浸在绝缘油中试验，抑制沿面闪络，使测得的数值更接近材料本身的体击穿强度。空气与绝缘油两种介质均可使用，按试样与规定要求选择。

  以下技术指标按原始资料列出，BDJC-50KV 与 BDJC-100KV 两机型并列，数值与单位保持原样。

  工作电压：220v±10 的单相交流电压和50Hz±1 的频率（两机型相同）

  说明：升压速度、击穿判断方式、放电方式三项在原始资料中重复出现，此处按原样保留，未作合并。耐压环境一项中的文字按原始写法保留。表中自行设定一项，原始资料写作自用设定，按笔误理解处理，数值与做法不变。

  电极形式的选配，必然的联系到试验能不能按规定要求落地。BDJC-50KV 的电极配置覆盖了固体在允许电压下不导电的材料与绝缘油两类对象，可提供的电极形式包括：

  不同电极对应不同的试样形态与标准要求。片状陶瓷、玻璃、层压板类试样，多采用等直径圆柱电极或球-板电极，陶瓷试样常用烧渗银电极配合圆柱电极；薄膜、薄片类试样采用微型电极，减小电极面积以降低试样缺陷被包含的概率；线材、管材类试样则使用线材电极与管材电极，考察沿面或穿壁方向的行为；绝缘油类试样使用液体电极，配合专用油杯。

  数据采集与对接方面，系统满足数据采集的要求，用于有关数据信息的采集及显示。平台向使用方开放，软件部分如配置上位机系统，可提供标准通讯接口，例如 OPC DC/UA、Webservice、Webapl；硬件通讯接口支持如 TCP/IP、电子协议 101、104 等规约；物理接口支持 COM、TCP、UDP、GPRS、编程口、USB 等多种链路；系统提供中间数据库标准数据对接，数据库可长期储存实验数据。这一组接口与协议能力，使得设备数据能进入实验室信息管理系统，而不必依赖人工抄录。

  其中，跳闸后电压自动回零与零电压复位保护，解决的是试验中断之后高压残留的问题；独立接地保护、安全试验门保护解决的是人员误入带电区域的问题；超压、过流、短路、漏电四类保护针对的是设备与试样异常；试验结束放电保护与自动放电功能配合，在试验完成后把试样与电极上的残余电荷释放掉；软件误操作保护与设备故障报警保护，则把保护延伸到操作流程与设备状态层面。设备还配有不锈钢试验操作台与接地系统，作为现场安全布置的一部分。

  使用规范方面，有几点需要长时间坚持。试验过程中人员不得靠近高压区域，无线控制方式下也应保持在安全距离之外；不得在带电状态下触碰电极或更换试样；发现油面有明显气泡、油色异常、电极有烧蚀痕迹，应停止试验并处理；软件参数修改后需复核一遍再启动，避免因设置错误导致过压；试验结束后断电，做好设备与环境的状态记录。

  同样的材料、同样的设备，不同实验室测出的击穿强度常常对不上，原因多数落在试验条件上。以下几项条件需要严控并记录。

  升压速率。速率越快，热效应与老化效应的累积时间越短，测得的击穿强度倾向于偏高；速率越慢，热击穿与老化效应有机会显现，数值倾向于偏低。比较不同批次数据时，升压速率必须一致。

  高压陶瓷绝缘件。瓷套、瓷管、支柱绝缘子、穿墙套管等零件，其瓷体在运行中要承受雷电冲击与操作过电压的叠加，工频击穿与耐压试验是出厂检验与型式试验的常规项目。对这类零件，试样往往从同批瓷体上取样，或者直接对小型瓷件做整体试验。

  氧化铝与氮化铝陶瓷基板。功率模块、IGBT 模块、LED 封装中使用的陶瓷基板，要求基板在较薄的厚度下承担较高电压，击穿强度是关键指标。基板类试样多为薄片，适合采用油中试验配合圆柱电极。

  配置中的试验油箱用于油中试验，电极支架用于电极的端部定位与高度调节，无线控制单元用于人机分离操作。原始资料中试验油箱一项出现两次，此处按功能合并为一条列示，数量与内容未作改动。

  陶瓷材料的电气强度，是设计绝缘尺寸、筛选原料配方、判断批次质量的基础数据。把这台 50kV 工频电压击穿试验系统放在实验室里，它的作用并不只是给出一个击穿电压读数：可设定的升压方式与速率让试验条件能够复现，油浴装置让薄片试样避开沿面闪络的干扰，电压与电流双向判据提高了击穿判断的可靠性，软件的数据管理把一次试验变成可追溯的记录，多重安全保护把人机之间的风险隔开。

  对使用方来说，把试样制备、条件设定、数据记录三件事做扎实，比追求单次读数的高低更有意义。陶瓷击穿数据的分散性来自材料本身，只有把条件固定住、把样本做到位、把记录留清楚，测出来的数字才能用来支撑设计判断与工艺决策。