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固體電介質(zhì)擊穿電壓的過程
閱讀：908發(fā)布時間：2023-12-28
固體電介質(zhì)擊穿電壓的過程：
1．固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分
固體由介質(zhì)有幾種不同的擊穿形式：一種是與氣體擊穿過程相類似的電擊穿,；一種是與熱的過程相聯(lián)系的熱擊穿；還有一種是長時間的電化學(xué)擊穿,。固體電介質(zhì)的幾種擊穿形式與電壓的作用時間密切相關(guān),，如圖4-22所示。下面先結(jié)合擊穿電壓和電壓作用時間的關(guān)系,，以及擊穿電壓和電介質(zhì)溫度的關(guān)系,，說明電擊穿和熱擊穿的區(qū)別及聯(lián)系。
圖4-23所示為油浸電工紙板擊穿電壓和電壓作用時間關(guān)系的試驗結(jié)果,。在極短時間的電壓作用下,，擊穿電壓隨擊穿時間的縮短而提高，類似于氣體電介質(zhì)擊穿的伏秒特性,；擊穿時間在10μs～0.2s范圍內(nèi)時擊穿電壓大致恒定,，與時間無關(guān)。這兩段的擊穿都具有電0μs~0.擊穿性質(zhì),。電壓作用時間繼續(xù)加長,，則擊穿電壓隨擊穿前電壓作用時間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點,。至于電壓作用時間更長的電化學(xué)擊穿,，又稱電老化,，其擊穿時間在幾十個小時以上，甚至幾年,。
圖4-24是聚乙烯材料的擊穿電壓和電介質(zhì)周圍環(huán)境溫度關(guān)系的試驗結(jié)果,。實驗曲線明顯分為兩個范圍，周圍溫度在t,。以下時,，擊穿電壓和電介質(zhì)溫度無關(guān)，屬于電擊穿,；當(dāng)周圍溫度超過to后,，擊穿電壓隨溫度的增加而明顯下降，屬于熱擊穿,。不同材料的轉(zhuǎn)折溫度t,。是不同的，即使是同種材料,，材料越厚,，電介質(zhì)損耗越大，散熱越困難,，t,。就越低，即導(dǎo)致熱擊穿的環(huán)境溫度就越低,。
2．電擊穿
電擊穿理論是建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎(chǔ)上的,，固體電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子，在電場加速下與晶格結(jié)點上的原子碰撞,，從而擊穿。根據(jù)對碰撞電離的不同解釋,，電擊穿理論又分為固有擊穿理論與電子崩擊穿理論,。
電擊穿的特點：電壓作用時間短，擊穿電壓高,，擊穿電壓與電介質(zhì)溫度,、散熱條件、電介質(zhì)厚度,、頻率等因素都無關(guān),，但和電場的均勻程度關(guān)系極大。此外與電介質(zhì)特性也有很大關(guān)系,，如果電介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其他缺陷,，這類缺陷對電場造成畸變，導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿電壓降低,。在極不均勻電場及沖擊電壓作用下,，電介質(zhì)有明顯的不全擊穿現(xiàn)象,，不全擊穿導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降的效應(yīng)稱為累積效應(yīng)。電介質(zhì)擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數(shù)的增加而下降,。
3．熱擊穿
由于電介質(zhì)損耗的存在,，固體電介質(zhì)在電場中會逐漸發(fā)熱升溫，溫度的升高又會導(dǎo)致固體電介質(zhì)電阻的下降,，使電流進(jìn)一步增大,，損耗發(fā)熱也隨之增大。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時,，也存在一個通過電極及其他電介質(zhì)向外不斷散熱的過程,。一旦發(fā)熱超過散熱，則電介質(zhì)溫度會不斷上升,，以致引起電介質(zhì)分解炭化,，最終擊穿，這一過程稱為電介質(zhì)的熱擊穿過程,。
發(fā)熱,、散熱與溫度的關(guān)系曲線如圖4-25所示，圖中曲線1,、2,、3分別為在電壓U1、U2,、U3(U1>U2>U3)電介質(zhì)發(fā)熱量Q與電介質(zhì)中最高溫度的關(guān)系,，直線4表示固體電介質(zhì)中最高溫度大于周圍環(huán)境溫度to時，散出的熱量Q與電介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系,。
對曲線1,，發(fā)熱永遠(yuǎn)大于散熱，電介質(zhì)溫度將不斷升高,，因此在電壓U1J1下最終發(fā)生熱擊穿,。
曲線3部分在直線4之下，電介質(zhì)溫度t≤ta時,，不會發(fā)生熱擊穿,，電介質(zhì)溫度會逐漸升高，最終穩(wěn)定在ta因此稱ta為穩(wěn)定的熱平衡點,。
電介質(zhì)溫度t>tb時,，情況類似曲線1，最終發(fā)生熱擊穿,。
電介質(zhì)溫度時,，雖然發(fā)熱等于散熱，似乎電介質(zhì)溫度不會再上升,，但這時只要稍有擾動,，使t略大于tb,，則電介質(zhì)溫度將不斷上升，再也回不到tb,，直至熱擊穿,。因此稱tb為不穩(wěn)定的熱平衡點。
ta<t<tb時,，不會發(fā)生熱擊穿,，電介質(zhì)溫度最終將穩(wěn)定在
曲線2與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓,；tk為臨界熱擊穿溫度,。
對平板狀電介質(zhì)的發(fā)熱、散熱進(jìn)行計算推導(dǎo),，可得出熱擊穿電壓Ub與各種發(fā)熱,、散熱因素的關(guān)系如下：
其中，f為頻率,；h為電介質(zhì)厚度,；εr為相對介電常數(shù)；為熱擊穿臨界溫度,；t,。為環(huán)境溫度；tano,。為溫度t,。時的電介質(zhì)損耗角正切；λ為導(dǎo)熱系數(shù),；σ為散熱系數(shù),。
當(dāng)發(fā)熱因素f,εr,to,tanδo。上升或增加時,，熱擊穿電壓Ub將下降,；當(dāng)散熱因素σ，λ上升時,，熱擊穿電壓Ub將上升；而電介質(zhì)厚度h在分子分母中都有,，可見增加厚度,，擊穿電壓Ub，不一定上升,。因此在發(fā)生熱擊穿時,，采取加厚絕緣材料的辦法不一定有效。
4．電化學(xué)擊穿（電老化）
在電場的長時間作用下逐漸使電介質(zhì)的物理,、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化,，最終導(dǎo)致?lián)舸?，這過程稱電老化。電老化的類型有電離性老化,、電導(dǎo)性老化和電解性老化,。前兩種主要在交流電壓下產(chǎn)生；后一種主要在直流電壓下產(chǎn)生,。有機(jī)電介質(zhì)表面絕緣性能破壞的表現(xiàn),，還有表面漏電起痕。
（1）電離性老化
在電介質(zhì)夾層或電介質(zhì)內(nèi)部如果存在氣隙或氣泡,，在交變場下氣隙或氣泡的場強(qiáng)會比鄰近固體電介質(zhì)內(nèi)的場強(qiáng)大得多,，而氣體的起始電離場強(qiáng)又比固體電介質(zhì)低得多，所以在該氣隙或氣泡內(nèi)很容易發(fā)生電離,。
此種電離對固體電介質(zhì)的絕緣有許多不良后果,。例如，氣泡體積膨脹使電介質(zhì)開裂,、分層,，并使該部分絕緣的電導(dǎo)和電介質(zhì)損耗增大；電離的作用還可使有機(jī)絕緣物分解,，新分解出的氣體又會加入到新的電離過程中,；還會產(chǎn)生對絕緣或金屬有腐蝕作用的氣體，如O3,NO2等,；電離還會造成電場的局部畸變,，使局部電介質(zhì)承受過高的電壓，對電離的進(jìn)一步發(fā)展起促進(jìn)作用,。
氣隙或氣泡的電離,，通過上述綜合效應(yīng)會造成鄰近絕緣物的分解、破壞（表現(xiàn)為變酥,、炭化等形式）,，并沿電場方向逐漸向絕緣層深處發(fā)展，在有機(jī)絕緣材料中放電發(fā)展通道會呈樹枝狀發(fā)展,，稱為“電樹枝",。
這種電離性老化過程和局部放電密切相關(guān)，所以許多高電壓電氣設(shè)備都將局部放電水平作為檢驗絕緣質(zhì)量的重要指標(biāo),。
（2）電導(dǎo)性老化
如果在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)（例如水）,，當(dāng)該處場強(qiáng)超過某定值時，該液體會沿電場方向逐漸深入到絕緣層中,，形成近似樹枝狀的痕跡,，稱為“水樹枝"，水樹枝呈絨毛狀的一片或多片,，有扇狀,、羽毛狀,、蝴蝶狀等多種形式。
產(chǎn)生和發(fā)展“水樹枝"所需的場強(qiáng)比產(chǎn)生和發(fā)展“電樹枝"所需的場強(qiáng)低得多,。產(chǎn)生水樹枝的原因是水或其他電解液中的離子在交變電場下反復(fù)沖擊絕緣物,，使其發(fā)生疲勞損壞和化學(xué)分解，電解液便隨之逐漸滲透,、擴(kuò)散到絕緣深處,。
（3）電解性老化
在直流電壓的長期作用下，即使所加電壓遠(yuǎn)低于局部放電的起始電壓,，由于電介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行著電化學(xué)過程,，電介質(zhì)也會逐漸老化，最終導(dǎo)致?lián)舸?。無機(jī)絕緣材料,，如陶瓷、玻璃,、云母等在直流電壓長期作用下,，也存在顯著的電解性老化。當(dāng)有潮氣侵入電介質(zhì)時,，水分子本身就會離解出H＋和O2,，會加速電解性老化。
（4）表面漏電起痕及電蝕損
這是電介質(zhì)表面的一種電老化問題,。在潮濕,、臟污的電介質(zhì)表面會流過泄漏電流，在電流密度較大處會先形成干燥帶,，電壓分布隨之不均勻,，在干燥帶上分擔(dān)較高電壓，從而會形成放電小火花或小電弧,，此種放電現(xiàn)象會使絕緣體表面過熱,，局部炭化、燒蝕,，形成漏電痕跡,，漏電痕跡的持續(xù)發(fā)展可能逐漸形成沿絕緣體表面貫通兩端電極的放電通道。在潮濕,、臟污地區(qū),，此種放電現(xiàn)象會對設(shè)備絕緣造成嚴(yán)重危害。耐漏電起痕及耐電蝕損能力也是衡量電介質(zhì)性能的一項重要指標(biāo),。
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