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固體電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng),、電壓擊穿影響因素
閱讀：4330發(fā)布時(shí)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(diǎn)不同：一是固體電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般比氣體和液體電介質(zhì)高,，例如在均勻電場(chǎng)中，云母的工頻擊穿場(chǎng)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(kāi)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(guò)程不同,，擊穿場(chǎng)強(qiáng)和擊穿時(shí)間也不同。
1. 電擊穿
固體電介質(zhì)的電擊穿過(guò)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(shí)，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(duì)于另外兩種擊穿形式),；擊穿過(guò)程極快；擊穿前發(fā)熱不顯著,；與環(huán)境溫度無(wú)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(shí)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(gè)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(chēng)為臨界熱電壓擊穿)時(shí)，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(shí)間,。
熱擊穿的主要特點(diǎn)為：發(fā)生熱擊穿時(shí),，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(shí)間,、周?chē)鷾囟纫约吧釛l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(zhǎng)期作用,，其絕緣性能以及其他性能的劣化，稱(chēng)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(chēng)為電化學(xué)擊穿。電化學(xué)擊穿通常是在長(zhǎng)期電壓作用以后(數(shù)十小時(shí)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(duì)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(shí)間
電壓作用時(shí)間對(duì)電壓擊穿的影響很大。通常,，對(duì)于多數(shù)固體電介質(zhì),，其電壓擊穿隨電壓作用時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯地下降，且明顯存在臨界點(diǎn),。圖2-14為常用的電工紙板電壓擊穿與 電壓作用時(shí)間的關(guān)系,。從圖中可以看出，作用時(shí)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(shí)間再增加的一段范圍內(nèi)，電壓擊穿與電壓作用時(shí)間幾乎無(wú)關(guān),。圖2-14中虛線左邊區(qū)域?qū)?/span>于電擊穿范圍,，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，熱與化學(xué)的影響都來(lái)不及起作用,。在此區(qū)域,，當(dāng)時(shí)間小于微秒級(jí)時(shí)(與放電時(shí)延相近),，電壓擊穿隨電壓時(shí)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(shí)間的增加,，電壓擊穿顯著下降，這只能用發(fā)展較慢的熱過(guò)程來(lái)解釋?zhuān)?/span>擊穿屬于熱擊穿,。如果電壓作用時(shí)間更長(zhǎng),，電壓擊穿僅為工頻1min電壓擊穿的幾分之一。這表明,，此時(shí)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(chǎng)均勻程度與介質(zhì)厚度
均勻電場(chǎng)中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)要高于不均勻電場(chǎng)中的擊穿場(chǎng)強(qiáng),。在均勻電場(chǎng)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(chǎng)中的電壓擊穿不隨介質(zhì)厚度的增加而線性增加，這是因?yàn)楹穸仍黾?，電?chǎng)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(shí)，采用增加厚度來(lái)提高電壓擊穿的意義不大。
3.電壓種類(lèi)
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?yàn)闃O化損耗隨頻率升高而增大,。由于電壓作用時(shí)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(shí)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(huì)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(huì)迅速下降,，其下降程度與材料吸潮性有關(guān)。對(duì)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(shí)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(shí)要注意除去水分,，而且運(yùn)行中還要注意防潮,，并定期進(jìn)行受潮情況的檢測(cè)。
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(gè)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(guò)精選材料,、改善工藝、真空干燥,、加強(qiáng)浸漬(油,、膠、漆等)方法來(lái)達(dá)到。
(2)改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì),。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(chǎng)強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜稀８倪M(jìn)電極形狀,，使電場(chǎng)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(yùn)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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