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關于電擊穿強度儀器,、絕緣介電強度設備論述
閱讀：3035發(fā)布時間：2016-3-28
關于電擊穿強度儀器、絕緣介電強度設備論述
在強電場作用下,，固體電介質喪失電絕緣能力而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝щ姞顟B(tài),。導致?lián)舸┑膠ui低臨界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場中,，擊穿電壓與固體電介質厚度之比稱為擊穿電場強度（簡稱擊穿場強,，又稱介電強度），它反映固體電介質自身的耐電強度,。不均勻電場中,，擊穿電壓與擊穿處固體電介質厚度之比稱為平均擊穿場強，它低于均勻電場中固體電介質的介電強度,。固體電介質發(fā)生擊穿后,由于有巨大的電流通過,電介質中會出現(xiàn)熔化或燒焦的通道,，或出現(xiàn)機械損傷的裂紋。固體電介質的這些變化是不可逆的,，不能自己恢復原來的絕緣性能,。脆性固體電介質擊穿時,，常發(fā)生材料的碎裂，故可用擊穿效應來破碎非金屬礦石等,。
擊穿形式 根據(jù)擊穿的發(fā)展過程,，固體電介質的擊穿可分為3種形式:電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿,。它們的一般特征如表所示,。同一種電介質中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素,。隨著擊穿過程中固體電介質內部的變化,，擊穿過程可以從一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式?！? 電擊穿 取決于固體電介質中碰撞電離的一種擊穿形式,。電場使電介質中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的帶電質點，導致電介質喪失絕緣性能,。對于電擊穿有以下幾種不同的理論解釋：本征擊穿,、電子崩擊穿和電致機械應力擊穿，通常以本征擊穿代表電擊穿,，所以電擊穿有時又稱本征擊穿,。本征擊穿過程所需時間為10-8s數(shù)量級，擊穿場強大于1MV/cm,。
固體電介質內總會存在少量自由傳導(處于導帶的)電子,。在電場作用下，它們會從電場獲取能量,。單位時間內這些電子取得的能量A與電場強度E,、電子本身能量W、點格溫度T有關,。另一方面,，傳導電子也將因與固體電介質點格發(fā)生碰撞而失去一部分能量。單位時間內傳導電子失去的能量B與W和T有關,。當點格溫度T為定值時,，A、B與W的關系如圖1所示,。圖中E2>EC>E1,。當外加電場為E2>EC時,因一部分傳導電子的能量處于W2～WC之間，單位時間內這些電子獲得的能量A始終大于失去的能量B,，電子被加速，碰撞點格時產生電離,使處于導帶的電子不斷增加,，電流急劇上升,zui終導致固體電介質擊穿,。當外加電場為E1EC時,雖然偶而會有能量大于W1的電子出現(xiàn),且因此時A>B而使點格發(fā)生碰撞電離、產生新的傳導電子；但因電子能量大于W1的概率很低,所以傳導電子不斷增多的過程很難出現(xiàn),固體電介質不會擊穿,。處于臨界狀態(tài)的EC即為固體電介質的介電強度,。
熱擊穿在電場作用下，固體電介質承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿,，但因電介質內部熱量積累,、溫度過高而導致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝щ姞顟B(tài),。
固體電介質在電場作用下將因電導和極化損耗而發(fā)熱,。單位時間內固體電介質的發(fā)熱量A與作用電壓U、介質溫度t有關,。另一方面固體電介質也將向四周散發(fā)熱量,。單位時間內固體電介質的散熱量B與(t-t0)有關(t0為環(huán)境溫度)。A,、B與t的關系如圖2所示,。圖中U2>UC>U1。當外加電壓U2>UC時,，固體電介質中的發(fā)熱量A大于散熱量B,，介質溫度上升,且因A始終大于B,所以固體電介質的溫度不斷上升，zui終介質被燒焦,、燒熔或燒裂,，喪失絕緣性能，發(fā)生熱擊穿,。當外加電壓U1UC時,雖然開始時A>B,固體電介質溫度上升;但當溫度升到t1時,，發(fā)熱量A與散熱量B相等，建立起了熱平衡,。此時,若介質能耐受溫度t1的作用,則固體電介質能正常工作,不會發(fā)生熱擊穿,。當外加電壓等于UC時,當介質溫度升到t2時，建立起了熱平衡,，但不穩(wěn)定,。溫度略有升高,發(fā)熱量A即大于散熱量B,zui終仍然發(fā)生熱擊穿。電壓UC是發(fā)生熱擊穿的臨界電壓,。
電化學擊穿 在電場,、溫度等因素作用下，固體電介質發(fā)生緩慢的化學變化,，性能逐漸劣化,，zui終喪失絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝щ姞顟B(tài),。電化學擊穿過程包括兩部分：因固體電介質發(fā)生化學變化而引起的電介質老化,；與老化有關的擊穿過程,。
固體電介質發(fā)生緩慢化學變化的原因多種多樣。直流電壓下,，固體電介質因離子電導而發(fā)生電解,，結果在電極附近形成導電的金屬樹枝狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極,。在電場作用下,，固體電介質內部的氣泡中，或不同固體電介質之間的氣隙或油隙中,，會發(fā)生局部放電,。與固體電介質接觸的電極邊緣場強較強的局部區(qū)域內如有氣體或液體電介質，這里也會發(fā)生局部放電,。局部放電的長期作用會使固體電介質逐步損壞,。空氣中的放電將形成臭氧,、氮的氧化物等化學性質活潑的物質,，它們會使固體電介質發(fā)生化學變化。對有機固體電介質,，在電極上處或微小空氣隙處,，會發(fā)生樹枝狀放電，并留下炭化痕跡,。
電場越強,，溫度越高，電壓作用時間越長,，固體電介質的化學變化進行得越強烈,，其性能的劣化也越嚴重。
固體電介質的化學變化通常使其電導增加,，這會使固體電介質的溫度上升,，因而電化學擊穿的zui終形式是熱擊穿。
影響因素 影響固體電介質擊穿電壓的主要因素有：電場的不均勻程度,，作用電壓的種類及施加的時間,，溫度，固體電介質性能,、結構,，電壓作用次數(shù)，機械負荷,，受潮等,。
①電場的不均勻程度：均勻,、致密的固體電介質在均勻電場中的擊穿場強可達1～10MV/cm,。擊穿場強決定于物質的內部結構,，與外界因素的關系較小。當電介質厚度增加時,，由于電介質本身的不均勻性，擊穿場強會下降,。當厚度極小時 (-3～10-4cm),，擊穿場強又會增加。電場越不均勻,，擊穿場強下降越多,。電場局部加強處容易產生局部放電，在局部放電的長時間作用下,，固體電介質將產生化學擊穿,。
②作用電壓時間,、種類：固體電介質的三種擊穿形式與電壓作用時間有密切關系 （圖3）,。同一種固體電介質，在相同電場分布下,，其雷電沖擊擊穿電壓通常大于工頻擊穿電壓,，且直流擊穿電壓也大于工頻擊穿電壓。交流電壓頻率增高時,，由于局部放電更強,，介質損耗更大，發(fā)熱嚴重,，更易發(fā)生熱擊穿或導致化學擊穿提前到來,。
③溫度：當溫度較低,，處于電擊穿范圍內時,，固體電介質的擊穿場強與溫度基本無關。當溫度稍高,，固體電介質可能發(fā)生熱擊穿,。周圍溫度越高，散熱條件越差,，熱擊穿電壓就越低,。
④固體電介質性能,、結構：工程用固體電介質往往不很均勻,、致密，其中的氣孔或其他缺陷會使電場畸變,，損害固體電介質,。電介質厚度過大,，會使電場分布不均勻，散熱不易,，降低擊穿場強,。固體電介質本身的導熱性好，電導率或介質損耗小,，則熱擊穿電壓會提高,。
⑤電壓作用次數(shù)：當電壓作用時間不夠長,，或電場強度不夠高時,電介質中可能來不及發(fā)生*擊穿,而只發(fā)生不*擊穿,。這種現(xiàn)象在極不均勻電場中和雷電沖擊電壓作用下特別顯著。在電壓的多次作用下,，一系列的不*擊穿將導致介質的*擊穿,。由不*擊穿導致固體電介質性能劣化而積累起來的效應稱為累積效應。
?、迿C械負荷：固體電介質承受機械負荷時,，若材料開裂或出現(xiàn)微觀裂縫，擊穿電壓將下降,。
?、呤艹保汗腆w電介質受潮后，擊穿電壓將下降,。
提高擊穿電壓措施 根據(jù)固體電介質的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素,，提高固體電介質擊穿電壓的主要措施有:①改善電場分布（見電場調整）,如電極邊緣的固體電介質表面涂半導電漆；②調整多層絕緣中各層電介質所承受的電壓,；③對多孔性,、纖維性材料經干燥后浸油、浸漆,以防止吸潮,提高局部放電起始電壓,；④加強冷卻,，提高熱擊穿電壓；⑤改善環(huán)境條件,，防止高溫,，避免潮氣、臭氧等有害物質的侵蝕,。
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