固體介質(zhì)擊穿電壓的因素

更新時間：2009-06-15 | 點(diǎn)擊率：8486

影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素

擊穿電壓的主要因素
影響固體介質(zhì)擊穿電壓的因素甚多，下面介紹幾種主要的影響因素。
電壓作用時間
如果電壓作用時間很短（例如以下），固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓
當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小
時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時很難分清，例如在工頻交流
耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時間長達(dá)數(shù)十
小時甚至幾年才發(fā)生擊穿時，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。
以常用的油浸電工紙板為例，在圖中，以頻擊穿電壓（峰值）作為基準(zhǔn)值，縱坐標(biāo)以標(biāo)么值來表示。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時間約在之間，作用時間大于此值后，熱過程和電化學(xué)作用使得擊穿電壓明顯下降。不過擊穿電壓與更長
時間（圖中達(dá)數(shù)百小時）的擊穿電壓相差已不太大，所以通常可將頻試驗電壓作為基
礎(chǔ)來估計固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長期工作時的熱擊穿電壓。許多有機(jī)絕緣材料的短
時間電氣強(qiáng)度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長時間電氣強(qiáng)度很低，這一
點(diǎn)必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結(jié)構(gòu)中（例如旋轉(zhuǎn)
電機(jī)），就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機(jī)絕緣材料。
圖油浸電工紙板的擊穿電壓與加電壓時間的關(guān)系時
電場均勻程度和介質(zhì)的厚度
處于均勻電場中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨介質(zhì)厚度的增加近似地成線
性增大若在不均勻電場中，介質(zhì)厚度增加將使電場更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度
的增加而線性上升。當(dāng)厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加厚度的意義就更
小了。
56 ··高壓電器穩(wěn)定性試驗新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用與操作及檢驗標(biāo)準(zhǔn)實務(wù)全書
常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時即使處于均勻電場中，介質(zhì)內(nèi)部的電場
分布也是不均勻的，zui大電場強(qiáng)度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過真空干燥、
真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。
頻率
在電擊穿區(qū)域內(nèi)，如果頻率的變化不造成電場均勻度的改變，則擊穿電壓與頻率幾乎
無關(guān)。在熱擊穿區(qū)域內(nèi)，如果頻率使和變化不大，則擊穿電壓將與頻率的平方根成反比。如厚度為的玻璃，在工頻時的擊穿電壓為（有效值），而在高頻時擊穿
電壓僅為（有效值）。這是因為頻率上升使介質(zhì)損耗上升，導(dǎo)致發(fā)熱，促使熱擊
穿過程的發(fā)展。
溫度
固體介質(zhì)在某個溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時的擊穿場強(qiáng)很高，且與溫度
幾乎無關(guān)。超過某個溫度后將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低如果其周圍媒質(zhì)的
溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。因此，以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)
備，如果某處局部溫度過高，在工作電壓下即有熱擊穿的危險。不同的固體介質(zhì)其耐熱性
能和耐熱等級是不同的，因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。
受潮
受潮對固體介質(zhì)擊穿電壓的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。對不易吸潮的材料，如聚乙烯、
聚四氟乙烯等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右容易吸潮的極性介質(zhì)，如棉紗、
紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時的百分之幾或更低，這是因電導(dǎo)率和介
質(zhì)損耗大大增加的緣故。所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)在制造時要注意除去水分，在運(yùn)行中要注意
防潮，并定期檢查受潮情況。
累積效應(yīng)
固體介質(zhì)在不均勻電場中以及在幅值不很高的過電壓，特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)
內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時，局部損傷
會逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。顯然，它會導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿電壓的下降。
在幅值不高的內(nèi)部過電壓下以及幅值雖高、但作用時間很短的雷電過電壓下，由于加
電壓時間短，可能來不及形成貫穿性的擊穿通道，但可能在介質(zhì)內(nèi)部引起強(qiáng)烈的局部放
電，從而引起局部損傷。
主要以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，隨著施加沖擊或工頻試驗電壓次數(shù)的增多，
可能因累積效應(yīng)而使其擊穿電壓下降。因此，在確定這類電氣設(shè)備耐壓試驗加電壓次數(shù)
和試驗電壓值時，應(yīng)考慮這種累積效應(yīng)，而在設(shè)計固體絕緣結(jié)構(gòu)時，應(yīng)保證一定的絕緣裕
度。
57 *篇高壓電器設(shè)備試驗技術(shù)總論··
第四節(jié)電介質(zhì)的老化
電氣設(shè)備在長期運(yùn)行中，其介質(zhì)不可避免的要承受熱的、電的、化學(xué)的和機(jī)械力的作
用。在這些因素的作用下，介質(zhì)的物理性能逐漸劣化，如變脆、變粘、起層等，電氣性能逐
漸降低，如電導(dǎo)變大、變大和絕緣強(qiáng)度下降等，這種在性能方面出的不可逆的劣化現(xiàn)
象稱為介質(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。
一、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。
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，使介
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，比固、液體介質(zhì)的相對介電常數(shù)小得
多，因而在電場作用下的場強(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zui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)生如下后果：
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。
局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質(zhì)開裂、分層、變脆，高溫同時能使材料產(chǎn)生化學(xué)分
解，使該部分電導(dǎo)和損耗變大。
局部放電產(chǎn)生的和等氣體對有機(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，還可能與潮氣結(jié)合生成亞硝酸或硝酸，對介質(zhì)及金屬電極都產(chǎn)生腐
蝕。]