影響固體電介質(zhì)的擊穿電壓的因素

1.電壓作用時(shí)間

電壓作用時(shí)間越長，擊穿電壓越低，而且對于大多數(shù)固體電介質(zhì)來說存在著明顯的分界點(diǎn)。當(dāng)電壓作用時(shí)間足夠長，以致引起熱擊穿或電化學(xué)擊穿時(shí)，擊穿電壓急劇下降。以常用的油浸電工紙板為例，如圖3-24所示，以1min工頻擊穿電壓(幅值)作為基準(zhǔn)值(100%)，則在長期工作電壓下的擊穿電壓值僅為其幾分之一，而在雷電沖擊電壓作用下的擊穿電壓值為其300%以上。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時(shí)間為105~106μs，小于此值的擊穿屬于電擊穿，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，熱與化學(xué)的影響都來不及起作用。在此區(qū)域內(nèi)，在較寬的時(shí)間范圍內(nèi)擊穿電壓與電壓作用時(shí)間幾乎無關(guān)，只有在時(shí)間小于微秒級時(shí)擊穿電壓才升高，這與氣體放電的伏秒特性很相似。當(dāng)時(shí)間大于105~106μs時(shí)，隨加壓時(shí)間的增加，擊穿電壓明顯下降，這只能用發(fā)展較慢的熱過程來解釋，屬于熱擊穿。當(dāng)電壓作用時(shí)間更長時(shí)，擊穿電壓僅為1min工頻擊穿電壓(幅值)的幾分之一，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，電場均勻程度和介質(zhì)厚度

在均勻電場中，固體電介質(zhì)的擊穿電壓要高于不均勻電場中的擊穿電壓，且其擊穿電壓隨著介質(zhì)厚度的增加近似地呈線性增加。在不均勻電場中，介質(zhì)厚度越大，電場越不容易均勻，擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性增加。值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)介質(zhì)厚度增加到散熱困難以致出現(xiàn)熱擊穿時(shí)，再靠繼續(xù)增加厚度來提高擊穿電壓就沒有多大意義了。

3. 溫度

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，固體電介質(zhì)的擊穿電壓與溫度幾乎無關(guān),屬于電擊穿。當(dāng)環(huán)境溫度高到一定程度，電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿時(shí)，擊穿電壓大幅度下降。如圖3-25所示為聚乙烯材料的擊穿電壓與介質(zhì)周圍環(huán)境溫度關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)曲線明顯分為兩個(gè)范圍，周圍溫度在t0以下時(shí)，擊穿電壓與介質(zhì)溫度無關(guān)，屬于電擊穿；當(dāng)周圍溫度超過t0后，擊穿電壓隨溫度的增加而明顯下降，屬于熱擊穿。且環(huán)境溫度越高，熱擊穿電壓越低。對于不同材料，臨界溫度t0是不同的，即使是同一材料，t0值也會因介質(zhì)的厚度、冷卻條件和所加電壓性質(zhì)等因素的不同而在很大范圍內(nèi)變動。

4.電壓種類

在相同條件下，固體電介質(zhì)在直流、交流和沖擊電壓下的擊穿電壓往往是不同的。在直流電壓下，固體電介質(zhì)的損耗(主要為電導(dǎo)損耗)比工頻交流電壓下的損耗(除電導(dǎo)損耗外，還包括極化損耗甚至還有游離損耗)小，電介質(zhì)發(fā)熱少，因此直流擊穿電壓比工頻擊穿電壓(幅值)高。而在交流電壓下，工頻交流擊穿電壓要高于高頻交流擊穿電壓，因?yàn)楦哳l下局部放電嚴(yán)重，發(fā)熱也嚴(yán)重，使其擊穿電壓低。在沖擊電壓下，由于電壓作用時(shí)間極短，熱的效應(yīng)和電化學(xué)的影響來不及起作用，因此擊穿電壓比工頻交流和直流下都高。

5.受潮

固體電介質(zhì)受潮后其擊穿電壓的下降程度與材料的吸水性有關(guān)。對不易吸潮的電介質(zhì)，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，受潮后擊穿電壓下降一半左右。對易吸潮的電介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，受潮后擊穿電壓僅為干燥時(shí)的幾百分之一。所以高壓電氣設(shè)備的絕緣在制造時(shí)應(yīng)注意烘干，在運(yùn)行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。

6. 累積效應(yīng)

由于固體電介質(zhì)屬于非自恢復(fù)絕緣，若每次施加某一電壓時(shí)，都會使絕緣產(chǎn)生一定程度的損傷，那么在多次施加同樣電壓時(shí)，絕緣的損傷會逐步積累，這稱為累積效應(yīng)。顯然，累積效應(yīng)會使固體電介質(zhì)的絕緣性能劣化，導(dǎo)致擊穿電壓下降。因此在確定電氣設(shè)備試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)次數(shù)時(shí)應(yīng)注意到這種累積效應(yīng)，而在設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)也應(yīng)留有一定的裕度。

7.機(jī)械負(fù)荷

均勻和致密的固體電介質(zhì)在彈性限度內(nèi)，擊穿電壓與其機(jī)械變形無關(guān)。但對某些具有孔隙的不均勻固體電介質(zhì)，機(jī)械應(yīng)力和變形對其擊穿電壓影響較大。機(jī)械應(yīng)力可能使電介質(zhì)中的孔隙減少或縮小，從而使擊穿電壓提高。也可能使某些原來較完整的電介質(zhì)產(chǎn)生開裂、松散，如該介質(zhì)放在氣體中，則氣體將填充到裂縫內(nèi)，從而使擊穿電壓下降。

提高固體電介質(zhì)的擊穿電壓的措施

1.改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)

采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度與其所承擔(dān)的場強(qiáng)有適當(dāng)配合。改善電極形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻。使邊緣效應(yīng)減小到低程度，改善電極與電介質(zhì)的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差。改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，確?？煽棵芊獾?。

2.改進(jìn)制造工藝

盡可能地清除固體電介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使固體電介質(zhì)盡可能均勻致密。這可通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強(qiáng)浸漬(油、膠、漆等)等方法來達(dá)到。

3.改善運(yùn)行條件

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、汕冷、水內(nèi)冷等)。

電介質(zhì)的老化

電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行中受到電場、高溫、機(jī)械力等作用將產(chǎn)生一系列的化學(xué)、物理變化，以致機(jī)械性能逐漸變差，強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，甚至喪失絕緣性能，這種過程稱為電介質(zhì)的老化。電介質(zhì)的老化分為三類：由電場作用引起的電老化、由高溫作用引起的熱老化和由受潮所加速劣化的受潮老化。下面分別介紹三種老化的過程。

電老化

電老化分為局部放電老化、電導(dǎo)性老化和電解性老化三種類型。

1. 局部放電老化

介質(zhì)內(nèi)部不可避免地存在某些小氣泡或氣隙，它們可能是由于浸漬工藝不完善而在介質(zhì)層間、介質(zhì)與電極間或介質(zhì)內(nèi)部殘留的，也可能是浸漬劑與介質(zhì)材料的膨脹系數(shù)不同由溫度變化所引起的。介質(zhì)在運(yùn)行中也可能分解出氣體，形成小氣泡。介質(zhì)中的水分電離分解也能產(chǎn)生氣泡。氣體介質(zhì)的相對介電常數(shù)接近1，比固體、液體介質(zhì)的相對介電常數(shù)小得多，因而在交變電場作用下的場強(qiáng)就比鄰近的固、液體介質(zhì)中的場強(qiáng)大得多，而擊穿場強(qiáng)又比固液體介質(zhì)的低得多，所以最容易在這些氣隙或氣泡中產(chǎn)生局部放電。

局部放電將產(chǎn)生以下后果。

(1)帶電粒子撞擊氣泡(或氣隙)表面的介質(zhì)，特別是對有機(jī)絕緣物，能使主鏈斷裂，高分子解聚或部分變?yōu)榈头肿?，介質(zhì)的物理性能變差。

(2)局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質(zhì)開裂、分層、變酥，同時(shí)高溫能使材料產(chǎn)生化學(xué)分解，使該部分電導(dǎo)和損耗變大。

(3)局部放電產(chǎn)生的O2和NO2等氣體對有機(jī)物產(chǎn)生氧化侵蝕，使介質(zhì)逐漸劣化。特別是介質(zhì)受潮后，NO2還可能與潮氣結(jié)合生成亞硝酸或硝酸，對介質(zhì)及金屬電極都會產(chǎn)生腐蝕。

(4)電場的局部畸變改變了介質(zhì)的原有電場分布，使局部介質(zhì)承受過高的場強(qiáng)。

通過上述多種效應(yīng)的綜合，將氣泡周圍的絕緣物分解、破壞(變酥、炭化等)，并沿電場方向逐漸向兩極發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣被貫通擊穿。

2.電導(dǎo)性老化

在交流電壓作用下，在某些高分子有機(jī)合成的固體介質(zhì)中存在另外一種性質(zhì)的老化，它不是由氣泡游離造成的，而是由液態(tài)的導(dǎo)電物質(zhì)所引起的。如果在兩電極的絕緣層中或在固體介質(zhì)與電極的交界面處存在某些液態(tài)的導(dǎo)電物質(zhì)(如水或在介質(zhì)制造過程中殘留下來的某些電解質(zhì)溶液)，當(dāng)該處電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，這些溶液便會在電場力的作用下沿著電場的方向逐漸深入到絕緣層中去，形成近似樹狀的導(dǎo)電泄痕，稱為“水樹枝"，最終導(dǎo)致絕緣層擊穿。

產(chǎn)生“水樹枝"的機(jī)理是水或其他電解液中的離子在交變電場作用下往復(fù)撞擊絕緣物，使其疲勞損壞和化學(xué)分解，電解液便隨之逐漸滲透擴(kuò)散到介質(zhì)深處，形成“水樹枝"。

3.電解性老化

在直流電壓作用下，即使所加電壓遠(yuǎn)低于局部放電起始電壓，由于介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行著電化學(xué)過程，介質(zhì)也會逐漸老化，最終導(dǎo)致?lián)舸?。電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是介質(zhì)中的雜質(zhì)分子離解后沿電場方向遷移引起的, 具有電解的性質(zhì)。介質(zhì)中往往存在某些金屬和非金屬離子。正電荷的金屬離子到達(dá)陰極被中和電量后，形成金屬原子沉積在陰極表面，逐漸形成從陰極向陽極延伸的金屬性導(dǎo)電通道。這個(gè)過程對電介質(zhì)層很薄的電容器絕緣危害尤其大。介質(zhì)中的非金屬性離子如H+、O-、CI-等遷移到電極被中和電量后，形成活性的該類物質(zhì)原子。它們或是再與介質(zhì)分子起化學(xué)反應(yīng)，形成新的有害化合物，使介質(zhì)受到破壞；或是與金屬電極起化學(xué)反應(yīng)，形成對金屬電極的腐蝕；或是以分子的形式存在，行成小氣泡。

實(shí)踐證明，即使是無機(jī)介質(zhì)，如陶瓷、玻璃、云母等，在直流電壓作用下也存在顯著的電解性老化。當(dāng)有潮氣浸入電介質(zhì)時(shí)，水分本身就能離解出H+和O-離子，加速電解性老化。溫度升高會使化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)加速，電解性老化也隨之加快。

4.電老化對絕緣壽命的影響

經(jīng)驗(yàn)表明，在介質(zhì)工作溫度恒定的條件下，如果外施電場強(qiáng)度E不致使介質(zhì)中出現(xiàn)顯著的局部放電，則由電老化所決定的固體絕緣的壽命平均值τ與E的關(guān)系在多數(shù)情況下滿足：

式(3-21)兩邊取對數(shù)得：

式中：K為與介質(zhì)材料、絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；n為與介質(zhì)材料、絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)的表示老化速度特性的指數(shù)。

式(3-22)在對數(shù)坐標(biāo)系下為一直線，如圖3-26所示。可以利用這一曲線來推算當(dāng)場強(qiáng)提高時(shí)介質(zhì)的平均壽命值。

熱老化

電介質(zhì)長期工作在較高溫度下，由于受熱使固體介質(zhì)變硬，失去彈性，變脆，發(fā)生龜裂，機(jī)械強(qiáng)度降低，受振動時(shí)易脫落、磨損，甚至變成粉狀。也有些固體介質(zhì)變軟、發(fā)黏、喪失機(jī)械強(qiáng)度。變壓器油的酸價(jià)上升、顏色加重等使電氣性能逐漸劣化，稱為電介質(zhì)的熱老化。其原因是在較高溫度下，電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生了緩慢的熱解裂、氧化裂解以及低分子化合物逸出等化學(xué)變化。

影響熱老化的主要因素除了溫度及在此溫度下的工作時(shí)間外，還有介質(zhì)所處環(huán)境的濕度、壓力、氧的含量、電場強(qiáng)度和機(jī)械載荷的大小。

當(dāng)存在水分及空氣時(shí)，紙的熱解裂將加速。若使用礦物油加以浸漬，使空氣進(jìn)入紙中受阻，這樣可以大大降低老化速度。但在某些情況下，由于纖維素分解時(shí)在油中生成的產(chǎn)物(如有機(jī)酸、過氧化物等)又降低了上述措施的效果。

在沒有外力作用的情況下，熱老化幾乎不改變介質(zhì)的短時(shí)絕緣強(qiáng)度，但在實(shí)際運(yùn)行中介質(zhì)在受熱的同時(shí)也要受到機(jī)械應(yīng)力和電動力的作用，常常造成損傷，從而導(dǎo)致?lián)舸┑暮蠊?/span>

由于溫度直接影響熱老化的進(jìn)程，即影響絕緣的壽命，為了保證設(shè)備絕緣的使用壽命必須規(guī)定各類絕緣材料的最高允許工作溫度。國際電工委員會根據(jù)不同材料的耐熱性劃分成耐熱等級，并確定各等級絕緣材料的最高持續(xù)工作溫度，見表3-2。

表3-2 電工絕緣材料的絕緣等級

使用溫度如超過表3-2中所規(guī)定的溫度，介質(zhì)將迅速老化，壽命大大縮短，如圖3-27所示。由圖3-27可見，絕緣等級越低，絕緣的熱壽命受溫度的影響越敏感。例如絕緣材料，溫度每增高8℃，則壽命縮短一半。B級絕緣材料和H級絕緣材料，當(dāng)溫度分別升高10℃和12℃時(shí)，熱壽命縮短一半。這個(gè)規(guī)律通常稱為熱老化的8℃規(guī)則、10℃規(guī)則和12℃規(guī)則。油的熱老化主要是氧化過程引起的，為了延長油的使用壽命，首先要防止油與空氣接觸。對于電容器、電纜及某些類型的套管，可以采用全封閉的方法，以延長壽命。對于電力變壓器等油量較多的電氣設(shè)備，通常備有油膨脹器(如變壓器的油枕)，在油面和器壁的空間用充氮的方法避免油與空氣接觸。也可以在油中加入少量的抗氧化劑，使油的老化速度減緩。

受潮老化

介質(zhì)受潮將導(dǎo)致其電導(dǎo)和損耗增大，因而會使絕緣材料進(jìn)一步發(fā)熱，導(dǎo)致熱老化速度加快。此外，水分的存在使化學(xué)反應(yīng)更加活躍，產(chǎn)生氣體，形成氣泡，引起局部放電。在直流電壓作用下，電導(dǎo)增大，使局部放電形成的反電場場強(qiáng)下降加快，因而使單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)增加，使電老化加速。所以受潮將使絕緣材料的使用壽命縮短。

為了防止和限制絕緣在運(yùn)行中受潮，要采取一定的措旋，如對纖維材料要用浸漬劑浸漬，使氣孔封閉。但一般的浸漬劑難以進(jìn)入微氣孔，所以浸漬只能限制而不能防止受潮。因此，近年來特別重視發(fā)展密封的絕緣結(jié)構(gòu)。鑒于受潮對絕緣的危害性，對電氣設(shè)備必須定期檢查絕緣的受潮情況。