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固體電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng),、電壓擊穿影響因素
閱讀：3283發(fā)布時間：2024-3-29
固體電介質(zhì)的擊穿與氣體、液體電介質(zhì)的擊穿比較,，主要有兩點不同：一是固體電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)一般比氣體和液體電介質(zhì)高,，例如在均勻電場中，云母的工頻擊穿場強(qiáng)可達(dá)2000～3000kV/cm,；二是固體電介質(zhì)擊穿后其絕緣性能不能恢復(fù),。擊穿以后在介質(zhì)中留有不能恢復(fù)的痕跡，如貫穿兩電極的熔洞,、燒穿的孔道,、開裂等，撤去電壓后不能像氣體,、液體電介質(zhì)那樣恢復(fù)絕緣性能,。
一、固體電介質(zhì)的擊穿形式
固體電介質(zhì)有三種擊穿形式,，不同形式的擊穿過程不同,，擊穿場強(qiáng)和擊穿時間也不同。
1. 電擊穿
固體電介質(zhì)的電擊穿過程與氣體相似,，由碰撞游離形成電子崩,，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時，破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致擊穿,。電擊穿的主要特征是：電壓擊穿高(相對于另外兩種擊穿形式),；擊穿過程極快；擊穿前發(fā)熱不顯著,；與環(huán)境溫度無關(guān),，當(dāng)介質(zhì)損耗很小，又有良好散熱條件,，以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電時的擊穿通常為電擊穿,。
2.熱擊穿
當(dāng)固體電介質(zhì)加上電壓，由于損耗而發(fā)熱,，使介質(zhì)溫度升高,。而介質(zhì)的電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即溫度升高電阻變小,，這又使電流進(jìn)一步增大,，發(fā)熱也跟著增大,，直到某個溫度下，發(fā)熱量等于散熱量,，達(dá)到熱的平衡，溫度不再升高,，介質(zhì)不擊穿,。然而，當(dāng)電壓升高至某一臨界值(稱為臨界熱電壓擊穿)時,，在所有溫度下,，發(fā)熱量總是大于散熱量，因此介質(zhì)溫度將持續(xù)上升,，引起介質(zhì)的局部分解,、熔化、燒焦等,，使介質(zhì)擊穿,，這就是熱擊穿。由于熱擊穿是溫度升至很高情況下導(dǎo)致的,，這當(dāng)然需要一定的電壓作用時間,。
熱擊穿的主要特點為：發(fā)生熱擊穿時，介質(zhì)溫度尤其是擊穿通道處的溫度特別高,，電壓擊穿與電壓作用時間,、周圍溫度以及散熱條件有關(guān)。
3.電化學(xué)擊穿
固體電介質(zhì)受到電,、熱,、化學(xué)和機(jī)械力的長期作用，其絕緣性能以及其他性能的劣化,，稱為絕緣的老化,。由于絕緣老化而最終導(dǎo)致發(fā)生熱擊穿或電擊穿，稱為電化學(xué)擊穿,。電化學(xué)擊穿通常是在長期電壓作用以后(數(shù)十小時至若干年)逐步發(fā)展形成的,，它與固體電介質(zhì)本身的耐游離性能、制造工藝,、工作條件等都有密切的關(guān)系,。此外，電化學(xué)擊穿是在其絕緣性能下降之后的擊穿,，其電壓擊穿要比電擊穿和熱擊穿的電壓擊穿低,，所以對固體電介質(zhì)的老化和由于老化引起的電化學(xué)擊穿應(yīng)引起足夠的重視。
二,、影響固體電介質(zhì)電壓擊穿的因素
1.電壓作用時間
電壓作用時間對電壓擊穿的影響很大,。通常,，對于多數(shù)固體電介質(zhì)，其電壓擊穿隨電壓作用時間的延長而明顯地下降,，且明顯存在臨界點,。圖2-14為常用的電工紙板電壓擊穿與 電壓作用時間的關(guān)系。從圖中可以看出,，作用時間很短的電壓下,，電壓擊穿約為1min 工頻電壓擊穿（幅值）的300%。且電壓作用時間再增加的一段范圍內(nèi),，電壓擊穿與電壓作用時間幾乎無關(guān),。圖2-14中虛線左邊區(qū)域?qū)?/span>于電擊穿范圍，因為在這段時間內(nèi),，熱與化學(xué)的影響都來不及起作用,。在此區(qū)域，當(dāng)時間小于微秒級時(與放電時延相近),，電壓擊穿隨電壓時間縮短而升高,，這與氣體放電的伏秒特性很相似。虛線右邊的區(qū)域,，隨擊穿時間的增加,，電壓擊穿顯著下降，這只能用發(fā)展較慢的熱過程來解釋,，即擊穿屬于熱擊穿,。如果電壓作用時間更長，電壓擊穿僅為工頻1min電壓擊穿的幾分之一,。這表明,，此時是由于絕緣老化，絕緣性能降低后發(fā)生了電化學(xué)擊穿,。
2.電場均勻程度與介質(zhì)厚度
均勻電場中的擊穿場強(qiáng)要高于不均勻電場中的擊穿場強(qiáng),。在均勻電場中的電壓擊穿隨介質(zhì)厚度增加近似成線性關(guān)系，而在不均勻電場中的電壓擊穿不隨介質(zhì)厚度的增加而線性增加,，這是因為厚度增加,，電場不均勻程度也增加。還要注意的是,，隨著介質(zhì)厚度的增加,，散熱條件也變差，所以當(dāng)厚度增加到可能出現(xiàn)熱擊穿時,，采用增加厚度來提高電壓擊穿的意義不大,。
3.電壓種類
同一固體電介質(zhì)、相同電極情況下，直流電壓作用下的電壓擊穿要高于工頻交流電壓(幅值)下的電壓擊穿,，這是由于在直流電壓下介質(zhì)損耗主要為電導(dǎo)損耗,，而在工頻交流電壓下還包括極化損耗甚至還有游離損耗。另外,，交流電壓下工頻交流電壓擊穿要高于高頻交流電壓擊穿,，因為極化損耗隨頻率升高而增大。由于電壓作用時間短而電壓擊穿更高,。
4.電壓作用的累積效應(yīng)
固體電介質(zhì)在電壓作用下,，有時雖未形成貫穿的擊穿通道，但已在介質(zhì)中形成局部損傷或局部擊穿,，在多次電壓作用下這種局部損傷或不擊穿會擴(kuò)大而導(dǎo)致擊穿，所以電壓擊穿隨加壓次數(shù)增多而下降,，這就是電壓擊穿的累積效應(yīng),。大部分有機(jī)材料都有明顯的累積效應(yīng)。
5. 受潮
固體電介質(zhì)受潮后電壓擊穿會迅速下降,，其下降程度與材料吸潮性有關(guān),。對于不易吸潮的聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質(zhì),，吸潮后的電壓擊穿就可大約降低一半,，而易吸潮的棉紗、紙等纖維材料,，吸潮后電壓擊穿可能僅為干燥時的百分之幾甚至更低,。所以高壓電氣設(shè)備的絕緣不但在制造時要注意除去水分，而且運行中還要注意防潮,，并定期進(jìn)行受潮情況的檢測,。
三、提高固體電介質(zhì)電壓擊穿的措施
為了提高固體電介質(zhì)的電壓擊穿,，可從以下幾個方面著手：
(1)改進(jìn)制造工藝,。如盡可能地清除固體介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡,、水分等,，使介質(zhì)盡可能均勻致密。這可以通過精選材料,、改善工藝,、真空干燥、加強(qiáng)浸漬(油,、膠,、漆等)方法來達(dá)到。
(2)改進(jìn)絕緣設(shè)計,。如采用合理的絕緣結(jié)構(gòu),，使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度能與其所承擔(dān)的場強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜?。改進(jìn)電極形狀，使電場盡可能均勻,。改善電極與絕緣體的接觸狀態(tài),，以消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差(如采用半導(dǎo)體漆)。
(3)改善運行條件,。如注意防潮,，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強(qiáng)散熱冷卻(如自然通風(fēng),，強(qiáng)迫通風(fēng),，氫冷、水內(nèi)冷等),。
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