高電壓技術：4-2固體介質(zhì)的擊穿

1、第二節(jié) 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿理論 電擊穿理論 熱擊穿理論 電化學擊穿 影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素 電壓作用時間 電場均勻程度 溫度 受潮 累積效應在電場作用下，固體介質(zhì)可能因以下過程而被擊穿：電過程（電擊穿） 熱過程（熱擊穿） 電化學過程（電化學擊穿）實際電氣設備中的固體介質(zhì)擊穿過程是錯綜復雜的，常取決于以下多種因素：介質(zhì)本身的特性； 絕緣結構形式； 電場均勻性；外加電壓波形； 外加電壓時間； 工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）常用的有機絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時電氣強度很高，但在工作電壓的長期作用下，會產(chǎn)生電離、老化等過程，從而使其電氣強度大

2、幅度下降。所以，對這類絕緣材料或絕緣結構，不僅要注意其短時耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓下的耐電性能。一、固體介質(zhì)的擊穿理論(一)電擊穿理論1、固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。2、在介質(zhì)的電導很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿，擊穿場強可達105-106kV/m。3、電擊穿的主要特征： 與周圍環(huán)境溫度有關； 除時間很短的情況，與電壓作用時間關系不大； 介質(zhì)發(fā)熱不顯著； 電場均勻程度對擊穿有顯著影響。(二)熱擊穿理論固體介質(zhì)會因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，如果周圍環(huán)境溫度高，散熱條件不好，介質(zhì)溫度將不斷上

3、升而導致絕緣的破壞，如介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，從而引起熱擊穿。為簡單起見，以圖3-21中的平板狀固體介質(zhì)為例，對熱平衡問題進行討論。設平板電極和介質(zhì)的面積都足夠大，介質(zhì)以及介質(zhì)中的電場都是均勻的 ，于是介質(zhì)發(fā)熱均勻;介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量主要沿垂直于電極的方向（x軸方向）流向介質(zhì)表面和平板電極。在這種條件下，固體介質(zhì)沿厚度2h的雙向散熱可看作是沿厚度h的單向散熱。電介質(zhì)的損耗率（單位體積的功率損耗）設在1cm介質(zhì)中單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q0， Q0可直接由上式求得。于是在x軸方向厚度為h、橫截面為1cm的一條狀介質(zhì)中，單位時間產(chǎn)生的熱量為：曲線1，Q1Q2，介質(zhì)一定擊穿；曲線2，與散熱曲線4交

4、于k點，它是不穩(wěn)定的平衡點，ttk時，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。 曲線3和曲線4有a、b兩個交點，a為穩(wěn)定的熱平衡點，b為不穩(wěn)定的熱平衡點， ttb 時，介質(zhì)發(fā)生擊穿。可達到以下幾點結論：熱擊穿電壓會隨著周圍媒質(zhì)溫度t0的上升而下降，這時直線4會向右移動； 熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因厚度越大，介質(zhì)中心附近的熱量逸出越困難，所以固體介質(zhì)的擊穿場強隨h的增大而降低； 如果介質(zhì)的導熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升； f 或 增大時都會造成Q1增加，使曲線1、2、3向上移動。曲線2上移表示臨界擊穿電壓下降。(三)電化學擊穿 固體介質(zhì)在長期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等

5、原因，使絕緣劣化，電氣強度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學擊穿。 局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強度下降的主要原因為：1)產(chǎn)生活性氣體對介質(zhì)氧化、腐蝕； 2)溫升使局部介質(zhì)損耗增加； 3)切斷分子結構，導致介質(zhì)破壞。電化學擊穿電壓的大小與施加電壓時間的關系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。圖323是三種固體介質(zhì)的擊穿場強隨施加電壓的時間而變化的情況：曲線l、2下降較快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放電的性能差； 曲線3接近水平，表示硅有機玻璃云母帶的擊穿場強隨加電壓時間的增加下降很少可見無機絕緣材料耐局部放電的性能較好。在電化學

6、擊穿中，還有一種樹枝化放電的情況，這通常發(fā)生在有機絕緣材料的場合。當有機絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出現(xiàn)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機固體介質(zhì)上留下纖細的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。 在交流電壓下，樹枝化放電劣化是局部放電產(chǎn)生的帶電粒子沖撞固體介質(zhì)引起電化學劣化的結果。 在沖擊電壓下，則可能是局部電場強度超過了材料的電擊穿場強所造成的結果。二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素(一)電壓作用時間如果電壓作用時間很短(例如0.1s以下)，固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當然也較高。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

7、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1min耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結果。電壓作用時間長達數(shù)十小時甚至幾年才發(fā)生擊穿時，大多屬于電化學擊穿的范疇。在圖324中，以常用的油浸電工紙板為例，以lmin工頻擊穿電壓(峰值)作為基準值，縱坐標以標么值來表示。電擊穿與熱擊穿的分界點時間約在105106us之間，作用時間大于此值后，熱過程和電化學作用使得擊穿電壓明顯下降。不過lmin擊穿電壓與更長時間(圖中達數(shù)百小時)的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪min工頻試驗電壓作為基礎來估計固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長期工作時的熱擊穿電壓。

8、 許多有機絕緣材料的短時間電氣強度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長時間電氣強度很低，這一點必須予以重視。 在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結構中(例如旋轉電機)，就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機絕緣材料。(二)電場均勻程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。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，最大電場強度集中在氣隙

9、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。(三)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，這時的擊穿場強很高，且與溫度幾乎無關。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，熱擊穿電壓更低。因此，以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設備，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為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。(四)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。 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

10、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，這是因電導率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。 所以高壓絕緣結構在制造時要注意除去水分，在運行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。(五)累積效應固體介質(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。顯然，它會導致固體介質(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備，隨著施加沖擊或工頻試驗電壓次數(shù)的增多，很可能