引言：陶瓷为什么也要测一项电压击穿
在电力与电子设备里，陶瓷常被当成绝缘件使用：高压套管、绝缘子、电容器介质片、厚膜电路基板、支撑与封装件，都离不开它。选陶瓷做绝缘，看中的是它耐高温、耐老化、机械强度较好，而且电气强度不低。可“电气强度不低”这件事，落在选材、来料验收与失效分析上，不能靠估计，得把数值测出来。
难点也正在这里。陶瓷的电气强度高，意味着要击穿它就得把电压加到很高；而陶瓷又硬又脆，做成测量用的薄片并不容易，磨薄之后边缘容易留下微裂纹，试样里还可能存在气孔、夹杂与晶界缺陷。这些因素叠在一起，使陶瓷的电压击穿试验比一般塑料薄膜更讲究：试样怎么制备、电极怎么选、要不要把试样浸在绝缘油里、击穿点落在何处，都会直接影响测得的结果。
一、陶瓷作为绝缘材料的电性能底色
陶瓷是经高温烧结而成的无机非金属材料。它之所以绝缘，是因为其内部以离子键、共价键为主，自由电子很少，载流子迁移率低，在常温下导电能力很弱。按成分可以把常用的绝缘陶瓷大致分为几类：
硅酸盐陶瓷：普通电瓷、高铝瓷、长石瓷等，多用于绝缘子、套管与绝缘支撑件。
氧化物陶瓷：氧化铝（Al2O3）、氧化锆、氧化镁等，氧化铝瓷在电子基板、绝缘件上使用普遍。
氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝等，兼顾绝缘与导热，用于对散热有要求的场合。
玻璃与玻璃陶瓷：封接、绝缘层与部分介质件。
陶瓷的电性能不是只由“成分”一个变量决定，烧结质量同样起决定作用。气孔率高，孔隙中的气体在高电场下容易先发生局部放电，进而诱发击穿；玻璃相含量高，高温下离子迁移会加剧，热稳定性下降；晶粒粗大或存在微裂纹，局部电场集中，也是击穿的起点。换句话说，同样是氧化铝瓷，致密的与多孔的、晶粒细的与晶粒粗的，测出来的电气强度可能相差不小。
二、几个基本概念：击穿电压、电气强度与耐电压
讨论陶瓷的电压击穿之前，先把几个量分清，后面读数据才不会混。
击穿电压（U_b）：试样在试验中被击穿的瞬间所施加的电压，单位常用 kV。它是一个与试样厚度、电极形状、试验介质都相关的量，单独看没有可比性。
电气强度（介电强度，E_b）：把击穿电压按试样厚度归一化之后得到的量，即击穿电压除以试样厚度，单位常用 kV/mm。它才是不同厚度、不同批次试样之间可以横向比较的指标。
耐电压（耐压）：在规定的电压下保持规定的时间而不发生击穿，用来考察试样在低于击穿电压时的承受能力。
击穿的判定：试样一旦击穿，回路电流会突然增大，同时试样两端的电压会出现骤降。因此判定可以由电流判据给出，也可以由电压判据给出，把两者结合起来判断更稳妥。
在陶瓷这类硬脆材料上还要多考虑一层：击穿点究竟发生在试样本体、边缘，还是沿着试样表面爬电。三种情形对应的结论并不相同，因此在试样制备与电极选择上要先设法把“沿面闪络”这条路堵住。
三、陶瓷材料的击穿机理与测量难点
三种常见的击穿机理
本征击穿（电击穿）：电场足够强时，材料内部少量载流子在电场中获得足够能量，通过碰撞电离使载流子数量迅速放大，在极短时间内形成击穿。它与温度关系不大，主要取决于材料本身。
热击穿：介质损耗与泄漏电流产生的热量，如果来不及散出，试样局部温度升高，导电能力随之增强，损耗进一步加大，形成正反馈而失去绝缘能力。它与散热条件、频率、环境温度关系密切。
电化学击穿：在长期电压作用下，局部放电不断侵蚀材料，气孔、裂纹处逐渐劣化，经过一段时间之后才发生击穿。它对应的是“老化”这一层含义。
测量上的几个难点
要做成薄片：电气强度高，只能靠减薄试样把所需电压降下来，而薄片的加工与抛光难度大，边缘容易崩口。
厚度均匀性：厚度偏差会直接进入击穿电压与厚度的对应关系，同一片试样厚薄不均，测值会分散。
气孔与缺陷：微小气孔在高场下先放电，测得值往往偏低，且分散度大。
边缘与沿面：电极边缘电场集中，若不处理或不在绝缘油中试验，容易先在边缘闪络，测出来的是“沿面击穿”而非“体积击穿”。
温度与湿度：吸潮会使表面电阻下降，沿面放电更容易发生；温度升高则热击穿倾向增强。
理解了这些，就能明白为什么陶瓷击穿试验对设备的要求集中在几点上：电压要够高、升压要稳、击穿判定要快、电极要齐全、还要能方便地放进绝缘油中做试验。
四、执行标准与试验方法依据
固体绝缘材料相关标准
GB1408-2016 固体绝缘材料电气强度试验方法
GB/T1695-2005 硫化橡胶工频电压击穿强度和耐电压的测定方法
GB/T3333 电缆纸工频击穿电压试验方法
HG/T 3330 绝缘漆漆膜击穿强度测定法
GB12656 电容器纸工频击穿电压测定法
ASTM D149 美标电压击穿试验方法
液体绝缘材料相关标准
GB/T 507-2002 绝缘油击穿电压测定法
DL429.9-91 绝缘油介电强度测定法
这里需要说明一句：GB1408 现行的完整编号为 GB/T 1408.1-2016《绝缘材料 电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》，它是固体绝缘材料工频电气强度试验的通用方法依据；其余几项分别面向橡胶、电缆纸、绝缘漆膜、电容器纸等具体制品，属同类参数的方法标准。陶瓷试样在做电气强度试验时，一般以工频下试验的通用方法为基础，再结合产品标准中对试样厚度、电极、试验介质的规定来执行，具体版本以现行有效版本为准。
五、测试原理：工频升压法与击穿判定
这台设备采用计算机控制，通过人机对话方式完成对绝缘介质材料的工频电压击穿与工频耐压试验。整体的工作思路可以概括为一条链路：
升压环节：电源经调压与变压器升压，把工频电压加到试样两端，升压速度可设定。
施加环节：电压通过上、下电极加到试样上，试样可以置于空气中，也可以浸在绝缘油里。
检测环节：电压传感器采集施加的电压，电流传感器采集回路中的电流，二者同时被跟踪。
判定环节：当电流突增或电压骤降达到判定条件时，判定试样击穿，记录此刻的电压值。
放电与复位环节：试验结束后自动放电，跳闸后电压自动回零，等待下一次试验。
升压方式提供匀速升压、梯度升压与耐压试验三类选择。匀速升压按设定的速率把电压连续升高到击穿；梯度升压则分级施加，在每一级上保持一段时间；耐压试验是升到规定电压后保持设定时间，观察是否击穿。三类方式对应不同的考察重点，用户可按标准要求与试样特性选用。
击穿判定采用电压与电流双向判断的方式：既看电压有没有骤降，也看电流有没有超出设定。资料指出，若只依靠电压检测，在击穿瞬间电流干扰较大的情形下容易出现误判或漏判，因此把电流这一路也纳入判据，判定更可靠。
六、整机架构与设计思路
把整机拆开来看，大致是这么几个部分协同工作。
高压发生器：由变压器与升压调压器构成，负责把工频电压升到试验所需的水平。变压器变比在 100KV 机型上为 1:1000。
控制系统：采用 PLC 控制方式，负责升压、保持、判定、放电与复位的时序调度。
数据采集系统：由电压传感器与电流传感器组成，采集施加电压与回路电流，采集量取自变压器 0-100v 输出一侧。
电极系统：由上、下电极与电极支架构成，按试样类型更换不同形式的电极，资料给出了从 6MM 电极到管材电极的多种选择。
试验箱体与油浴装置：既支持空气中试验，也支持绝缘油中试验，油浴装置设计为方便拆装。
安全保护系统：包括漏电保护、过流保护、短路保护、接地保护、试验门保护与故障报警等。
上位机软件：在 Windows 平台上运行，负责参数设置、试验控制、曲线显示、数据导出与报告打印。
设计上的一个取向，是把操作人员与高压区域分开。设备支持无线控制，操作者可以在一定距离之外操作试验，不必紧贴在高压箱旁边；配合安全试验门与漏电保护，形成多道防护。这一点在 100KV 这一档尤其有意义，因为电压等级高，一旦发生意外，防护距离本身就是一道屏障。
七、主要技术指标
型号：BDJC-100KV
输出电压上限：100KV
变压器容量：10KVA
升压器容量：3KVA
工作电压：220v±10 的单相交流电压和50Hz±1 的频率
控制方式：西门子 PLC
试验方式：交流/直流试验：1、匀速升压 2、梯度升压 3、耐压试验
试验介质：空气/绝缘油 标配方便拆装的油浴装置
升压装置：采用先进的无触点原件匀速升压淘汰前款机械调压
升压速度：0.1kv-5.0kv/s 自用设定
耐压时间：软件设定＞10H
试验精度：≤1%
漏电流选择：0-150mA
控制方式：232/485/网口
控制方式：无线/有线 可选
击穿判断方式：电压/电流
放电方式：自动放电
变压器变比：1:1000
采集方式：变压器 0-100v 输出
升压速度：0.1-5.0kv/S
耐压环境：固体；液体。定做高境高温油
击穿判断方式：高电压判断、漏电流判断
放电方式：实验结束自动放电
同一系列另有 BDJC-50KV 机型，其输出电压上限为 50Kv、变压器容量 3KVa、升压器容量 2kva、变压器变比 1:500，其余项目与 100KV 机型一致，用户可按试样所需电压选择。为便于对照，把两者的差异列在这里。
输出电压上限：50Kv 与 100KV
变压器容量：3KVa 与 10KVA
升压器容量：2kva 与 3KVA
变压器变比：1:500 与 1:1000
需要提醒的是，资料在参数栏上方注明“本参数仅供参考，如有改动恕不另行通知，以公司产品实物为准”，实际配置请以设备铭牌、出厂资料与随机使用说明书为准。
八、主要功能特点
资料给出的产品优势，按技术功能归纳为下列几项。
控制器方案：采用中央处理单元与 PLC 组合的控制方式，采集与控制集成在一套系统内。
无线控制：支持无线操作，实现人机分离，操作者可在一定距离外完成试验，人员安全性得到改善。
电压电流双向判断：击穿判定同时参考电压与电流两路信号，并具备自检与预警提示功能。
双向电压电流干扰抑制：对击穿时刻的电流干扰作抑制处理，降低干扰导致失控以及通讯端口受损的风险。
多重电气保护：内置熔断保护与漏电保护，出现过流或过载时由熔断器切断，保护控制部分与高压部分，更换方便。
电弧卸压与漏电防护：箱内设有漏电防护网，出现电弧时自动卸压。
固体与液体兼顾：一台设备既可用于固体试样，也可用于液体试样。
结果自动筛选：试验结果可以按条件自动筛选，并选择性地保留。
数据容量：试验结果数据可大量储存，软件支持上传与第三方编辑。
远程维护：支持远程维护与报警，便于后续服务。
九、升压方式与三类试验方法
升压方式与试验方法这两个说法容易混，这里分开说明。
升压方式指的是电压随时间怎么变化。匀速升压是让电压按固定速率上升，直到试样击穿；设备给出的升压速度范围为 0.1kv-5.0kv/s，可按需要自行设定。对陶瓷这类分散性偏大的材料，速率选得太快，测值往往偏高；选得较慢，测值更接近稳定状态，但一片试样耗时会拉长，具体按标准要求把握。
试验方法指的是试验的目的与流程，资料给出三类。
击穿电压试验：升压至试样击穿，记录击穿电压并换算电气强度。
耐压试验：升到规定电压后保持设定时间（耐压时间由软件设定，可大于 10H），观察试样是否击穿。
梯度试验：分级施加电压，在每一级保持一定时间，用以考察试样在不同电压水平下的表现。
三类方法都可以在软件中设定参数，也可以按需求在直流试验与交流试验之间灵活选择。
十、电极系统与试样装夹
电极是击穿试验中与试样直接接触的部分，它的形状、尺寸与表面状态会直接影响电场分布，进而影响测值。资料列出的电极种类包括：
液体电极：用于绝缘油等液体试样的击穿试验。
6MM 电极：小尺寸圆柱电极。
球形电极：球面与试样接触，电场较均匀。
球-板电极：一端球面、一端平板，用于不对称场型的试验。
线材电极：用于线状试样。
25MM-75MM 电极：一对标准尺寸的圆柱电极。
微型电极：用于小尺寸试样或局部区域的测试。
管材电极：用于管状试样。
其它电极：按试样定制的形式。
标准配置给出的试验电极为两套，含国标 1408.1 规定的 25mm 电极 2 只与 75mm 电极 1 只，另有电极支架一只。实际选哪一套，要看试样的形状、尺寸与所依据的标准。
以陶瓷薄片为例，装夹时通常采用上下平板（或规定直径的圆柱）电极同轴对压，试样居中，力求电极与试样充分接触、接触面平整。为避免边缘电场集中引起沿面闪络，常见做法是把试样浸入绝缘油中试验，或采用边缘涂覆、加大电极倒角等方法，具体以标准规定为准。
十一、空气与绝缘油两种试验介质
试验介质的选择直接关系到击穿是发生在体积内还是沿面。
空气中试验：操作方便，适合常规检验。但在空气中，试样表面若有污物、吸潮或电极边缘电场集中，容易先发生沿面闪络，得到的并非体积击穿。
绝缘油中试验：把试样与电极浸入绝缘油，油起到隔绝空气、抑制沿面放电的作用，击穿更容易落在试样本体上。设备的油浴装置设计为方便拆装，便于切换两种试验方式。
对陶瓷这类吸潮倾向、表面易积聚电荷的材料，油中试验往往更能反映本体性能。若试验本身要考察的是“在真实工况的空气中”的承受能力，则按工况选择。两种方式各有适用场合，关键是在同一批试验中保持介质一致，结果才有可比性。
十二、安全保护与无线控制
100KV 这一电压等级，安全设计的份量不轻。资料列出的保护项包括：
跳闸后电压自动回零
超压保护
零电压复位保护
试验过流保护
试验漏电保护
试验短路保护
独立接地保护
安全试验门保护
试验结束放电保护
软件误操作保护
设备故障报警保护
这些保护有的针对电源与高压回路本身，如超压、过流、短路与漏电；有的针对操作过程，如试验门未关闭不允许加压、误操作时软件给出拦截、试验结束自动放电；还有的针对故障状态，如设备异常时报警提示。配合独立的接地，形成从电气回路到操作流程的多层防护。
在此基础上，设备支持无线与有线两种控制方式，由用户可选。无线控制让人与高压箱体保持距离，操作者无须长时间处于近场位置；有线方式则在需要稳定连接时使用。两种方式的取舍，可以按现场条件与使用习惯决定。
十三、上位机软件与数据管理
软件在 Windows 平台上运行，界面按操作习惯分区布置。资料给出的功能包括：
软件平台：Windows 窗口操作平台，界面直观，便于操作
曲线显示：试验过程中可动态显示试验曲线
数据导出：可把试验结果导入 Excel 表格
实验报告：可人为设置报告名称，并对实验报告进行打印
试验方式：可根据需求在直流试验与交流试验之间灵活选择
试验方法：可根据需求选择击穿电压、耐压试验、梯度试验
参数设置：可根据不同的试验方式与试验方法，灵活设置所需参数值
试样设置：可对不同标准的试样参数灵活设置
人员管理：设置用户名与密码，不同操作员登入进行不同试验，互不影响
标准选择：含有多项标准，可根据需求自行选择
连续操作：连续试验时，可直接在软件里结束试验并进行下一次试验
除上述功能外，软件还提供出厂校准界面、试验界面、历史查询界面与试验参数界面等操作入口。数据方面，试验结果可大量储存，并支持通过无线云端协议上传，供第三方编辑；设备预留标准通讯接口，如 OPC DC/UA、Webservice 一类，硬件通讯接口支持 TCP/IP 等方式，物理接口可支持 COM、TCP、UDP、GPRS、编程口、USB 等多种链路，可对接中间数据库，实现试验数据的采集、显示与长期保存。
这些接口能力，对需要把试验数据纳入实验室管理系统或质量追溯体系的用户比较实用：击穿试验往往要按批次留存原始数据，若能自动入库，可减少人工誊录带来的差错。
十四、标准操作流程与使用规范
按设备的控制逻辑与安全要求，把操作流程归纳为下面十步。
其一，核对设备状态。确认电源电压在 220v±10 的范围内、频率为 50Hz±1，接地可靠，各连接线正确，试验箱内无杂物。
其二，制备试样。按所依据的标准裁切或磨制试样，记录厚度与尺寸，检查有无裂纹、崩边、气孔与污物，取多点测量厚度并记录。
其三，选择电极与试验介质。按试样形状与标准要求选择电极，确定在空气中还是绝缘油中试验；若在油中试验，先注入合格绝缘油并静置排气。
其四，装夹试样。把试样置于上下电极之间，居中放置，保证接触平整，避免偏心与倾斜；关闭并确认安全试验门。
其五，启动软件并登入。按用户名与密码登入，选择对应的试验标准与试样参数。
其六，设置试验参数。选择试验方式（交流或直流）、试验方法（击穿电压、耐压或梯度）、升压速度与耐压时间等。
其七，确认安全条件。人员离开高压区域，确认使用无线控制时连接正常、使用有线控制时线缆连接可靠。
其八，开始升压。软件按设定程序升压，过程中留意曲线与电压电流指示，发现异常立即处理。
其九，击穿判定与记录。试样击穿时设备自动判定，记录击穿电压，并按厚度换算电气强度；若为耐压试验，记录保持时间与是否击穿。
其十，结束与放电。试验结束后设备自动放电、自动回零；记录数据，取出试样，观察击穿点位置，注明是否发生在本体还是边缘。
若需连续试验，可在软件中结束本次试验后直接进入下一次，注意每次都重新核对试样与装夹状态。
十五、影响测量结果的关键因素
同一批陶瓷试样，不同人、不同实验室测出的电气强度有差别，原因往往落在下面几处。
一是厚度与厚度测量。 电气强度由击穿电压除以厚度得到，厚度测不准，结果就不准。陶瓷薄片的厚度往往在零点几毫米量级，卡尺的测量位置与力度都会带来偏差，宜在击穿点附近多点测量取代表值。
二是试样加工质量。 磨削留下的微裂纹、边缘崩口、表面划痕，都会成为击穿起点，使测值偏低且分散。
三是气孔与致密度。 孔隙中气体先放电，诱发击穿，多孔试样的测值通常低于致密试样。
四是电极形式与接触状态。 电极直径、边缘倒角、接触压力与平整度都会改变电场分布；接触不良时还可能引入附加气隙，使局部电场畸变。
五是试验介质。 空气与绝缘油中的结果不能直接互比；油中试验若油中含气、含水或含杂质，也会影响结果。
六是升压速度。 升压快，试样来不及建立稳定状态，测值常偏高；升压慢，测值更接近稳定值。因此同一组试验要保持速度一致。
七是环境温度与湿度。 温度升高，热击穿倾向增强；湿度大，表面吸潮，沿面放电更容易发生，测值偏低。
八是击穿点位置。 击穿发生在试样本体、边缘，还是沿面，对应的结论不同。记录击穿点位置，是判读数据时不可省的一步。
把握住这八条，才能把测量结果分散的原因逐步收敛，让数据具备比较与判定的意义。
十六、典型应用场景
按其适用对象，这台设备的用途大致覆盖以下几类。
陶瓷与玻璃类试样：陶瓷基板、绝缘子、套管用瓷件、玻璃绝缘件等的电气强度与耐压试验。
绝缘漆、树脂与胶：按绝缘漆膜类方法做击穿强度测定。
浸渍纤维制品与层压制品：绝缘纸、层压板一类的工频击穿与耐压试验。
云母及其制品：云母板、云母带的电压击穿试验。
塑料与薄膜复合制品：塑料薄膜、复合薄膜的电气强度测定。
电缆纸与电容器纸：按对应方法做工频击穿电压试验。
橡胶类制品：硫化橡胶的工频电压击穿强度与耐电压测定。
绝缘油等液体：按液体绝缘材料的方法做击穿电压测定。
可以看到，凡是需要在工频电压下考察“能承受多高电压、是否被击穿”的固体或液体绝缘材料，基本都能用这台设备完成试验，陶瓷只是其中对试样制备与介质选择要求偏高的一类。
十七、主要部件与标准配置
主要部件包括：高压变压器、CPU 控制模块、升压调压器、中央处理单元、电压传感器、远程蓝牙模块、电流传感器、漏电保护系统、独立控制模块与系统故障报警。
标准配置按资料列出如下。
试验主机：一台
高压发生器：一套
试验电极：二套（国标 1408.1，25mm 2 只、75mm 1 只）
试验油箱：一只
实验软件：一套
放电系统：一套
控制系统：一套
数据采集系统：一套
电极支架：一只
装箱单：一份
绝缘手套：一副
无线控制：一支
其中试验油箱用于绝缘油中试验，绝缘手套与无线控制两项体现了安全方面的配置思路。实际供货清单以随机装箱单为准。
十八、电压击穿试验设备的发展趋势
从这类设备近年的变化看，有几个方向比较清楚。
控制数字化：由机械调压向无触点匀速升压过渡，升压速率可设定、可重复，试验一致性提高。
操作无线化：把操作者从高压近场移开，配合安全门与漏电保护，安全性进一步提升。
判定智能化：击穿判定由单一电压判据转向电压与电流双向判断，并加入自检与预警，减少误判与漏判。
数据网络化：试验数据自动入库、可上传、可第三方编辑，便于纳入实验室质量体系。
介质与电极配套化：油浴装置与多种电极配套供应，方便按不同材料与标准切换。
标准同步更新：随着基础方法标准与产品标准的修订，设备的参数、判据与报告格式也随之一并更新。
对使用方来说，这些变化的意义在于：试验从“能做出结果”逐步走向“结果可追溯、可复现、可横向比对”。
十九、结语
陶瓷电压击穿介电强度试验仪BDJC-100KV 面向的是这样一类需求：试样是硬脆的陶瓷或其它固体绝缘材料，要把电压加到足够高才能考察它的电气强度，而测量结果又要求分散可控、可比可查。设备以工频升压为基础，用可设定的升压方式与三类试验方法覆盖不同考察目的，用多种电极与油浴装置适配不同试样，用电压电流双向判定提高击穿判断的可靠度，再用多重安全保护与无线操作处理高电压下的安全边界，之后把数据交给软件完成显示、导出与储存。
对使用者而言，真正决定数据质量的，往往不是设备本身有多少功能，而是试样制备是否规范、电极与介质是否选择得当、升压速度与环境条件是否保持一致、击穿点位置是否如实记录。把这些基础工作做扎实，一台设备的指标才有落点。
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