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固體電介質擊穿電壓的過程
閱讀：725發布時間：2023-12-28
固體電介質擊穿電壓的過程：
1．固體電介質擊穿特性的劃分
固體由介質有幾種不同的擊穿形式：一種是與氣體擊穿過程相類似的電擊穿；一種是與熱的過程相聯系的熱擊穿；還有一種是長時間的電化學擊穿。固體電介質的幾種擊穿形式與電壓的作用時間密切相關，如圖4-22所示。下面先結合擊穿電壓和電壓作用時間的關系，以及擊穿電壓和電介質溫度的關系，說明電擊穿和熱擊穿的區別及聯系。
圖4-23所示為油浸電工紙板擊穿電壓和電壓作用時間關系的試驗結果。在極短時間的電壓作用下，擊穿電壓隨擊穿時間的縮短而提高，類似于氣體電介質擊穿的伏秒特性；擊穿時間在10μs～0.2s范圍內時擊穿電壓大致恒定，與時間無關。這兩段的擊穿都具有電0μs~0.擊穿性質。電壓作用時間繼續加長，則擊穿電壓隨擊穿前電壓作用時間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點。至于電壓作用時間更長的電化學擊穿，又稱電老化，其擊穿時間在幾十個小時以上，甚至幾年。
圖4-24是聚乙烯材料的擊穿電壓和電介質周圍環境溫度關系的試驗結果。實驗曲線明顯分為兩個范圍，周圍溫度在t。以下時，擊穿電壓和電介質溫度無關，屬于電擊穿；當周圍溫度超過to后，擊穿電壓隨溫度的增加而明顯下降，屬于熱擊穿。不同材料的轉折溫度t。是不同的，即使是同種材料，材料越厚，電介質損耗越大，散熱越困難，t。就越低，即導致熱擊穿的環境溫度就越低。
2．電擊穿
電擊穿理論是建立在固體電介質中發生碰撞電離基礎上的，固體電介質中存在的少量傳導電子，在電場加速下與晶格結點上的原子碰撞，從而擊穿。根據對碰撞電離的不同解釋，電擊穿理論又分為固有擊穿理論與電子崩擊穿理論。
電擊穿的特點：電壓作用時間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與電介質溫度、散熱條件、電介質厚度、頻率等因素都無關，但和電場的均勻程度關系極大。此外與電介質特性也有很大關系，如果電介質內含氣孔或其他缺陷，這類缺陷對電場造成畸變，導致電介質擊穿電壓降低。在極不均勻電場及沖擊電壓作用下，電介質有明顯的不全擊穿現象，不全擊穿導致絕緣性能逐漸下降的效應稱為累積效應。電介質擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數的增加而下降。
3．熱擊穿
由于電介質損耗的存在，固體電介質在電場中會逐漸發熱升溫，溫度的升高又會導致固體電介質電阻的下降，使電流進一步增大，損耗發熱也隨之增大。在電介質不斷發熱升溫的同時，也存在一個通過電極及其他電介質向外不斷散熱的過程。一旦發熱超過散熱，則電介質溫度會不斷上升，以致引起電介質分解炭化，最終擊穿，這一過程稱為電介質的熱擊穿過程。
發熱、散熱與溫度的關系曲線如圖4-25所示，圖中曲線1、2、3分別為在電壓U1、U2、U3(U1>U2>U3)電介質發熱量Q與電介質中最高溫度的關系，直線4表示固體電介質中最高溫度大于周圍環境溫度to時，散出的熱量Q與電介質中最高溫度tm的關系。
對曲線1，發熱永遠大于散熱，電介質溫度將不斷升高，因此在電壓U1J1下最終發生熱擊穿。
曲線3部分在直線4之下，電介質溫度t≤ta時，不會發生熱擊穿，電介質溫度會逐漸升高，最終穩定在ta因此稱ta為穩定的熱平衡點。
電介質溫度t>tb時，情況類似曲線1，最終發生熱擊穿。
電介質溫度時，雖然發熱等于散熱，似乎電介質溫度不會再上升，但這時只要稍有擾動，使t略大于tb，則電介質溫度將不斷上升，再也回不到tb，直至熱擊穿。因此稱tb為不穩定的熱平衡點。
ta<t<tb時，不會發生熱擊穿，電介質溫度最終將穩定在
曲線2與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓；tk為臨界熱擊穿溫度。
對平板狀電介質的發熱、散熱進行計算推導，可得出熱擊穿電壓Ub與各種發熱、散熱因素的關系如下：
其中，f為頻率；h為電介質厚度；εr為相對介電常數；為熱擊穿臨界溫度；t。為環境溫度；tano。為溫度t。時的電介質損耗角正切；λ為導熱系數；σ為散熱系數。
當發熱因素f,εr,to,tanδo。上升或增加時，熱擊穿電壓Ub將下降；當散熱因素σ，λ上升時，熱擊穿電壓Ub將上升；而電介質厚度h在分子分母中都有，可見增加厚度，擊穿電壓Ub，不一定上升。因此在發生熱擊穿時，采取加厚絕緣材料的辦法不一定有效。
4．電化學擊穿（電老化）
在電場的長時間作用下逐漸使電介質的物理、化學性能發生不可逆的劣化，最終導致擊穿，這過程稱電老化。電老化的類型有電離性老化、電導性老化和電解性老化。前兩種主要在交流電壓下產生；后一種主要在直流電壓下產生。有機電介質表面絕緣性能破壞的表現，還有表面漏電起痕。
（1）電離性老化
在電介質夾層或電介質內部如果存在氣隙或氣泡，在交變場下氣隙或氣泡的場強會比鄰近固體電介質內的場強大得多，而氣體的起始電離場強又比固體電介質低得多，所以在該氣隙或氣泡內很容易發生電離。
此種電離對固體電介質的絕緣有許多不良后果。例如，氣泡體積膨脹使電介質開裂、分層，并使該部分絕緣的電導和電介質損耗增大；電離的作用還可使有機絕緣物分解，新分解出的氣體又會加入到新的電離過程中；還會產生對絕緣或金屬有腐蝕作用的氣體，如O3,NO2等；電離還會造成電場的局部畸變，使局部電介質承受過高的電壓，對電離的進一步發展起促進作用。
氣隙或氣泡的電離，通過上述綜合效應會造成鄰近絕緣物的分解、破壞（表現為變酥、炭化等形式），并沿電場方向逐漸向絕緣層深處發展，在有機絕緣材料中放電發展通道會呈樹枝狀發展，稱為“電樹枝"。
這種電離性老化過程和局部放電密切相關，所以許多高電壓電氣設備都將局部放電水平作為檢驗絕緣質量的重要指標。
（2）電導性老化
如果在兩電極之間的絕緣層中存在液態導電物質（例如水），當該處場強超過某定值時，該液體會沿電場方向逐漸深入到絕緣層中，形成近似樹枝狀的痕跡，稱為“水樹枝"，水樹枝呈絨毛狀的一片或多片，有扇狀、羽毛狀、蝴蝶狀等多種形式。
產生和發展“水樹枝"所需的場強比產生和發展“電樹枝"所需的場強低得多。產生水樹枝的原因是水或其他電解液中的離子在交變電場下反復沖擊絕緣物，使其發生疲勞損壞和化學分解，電解液便隨之逐漸滲透、擴散到絕緣深處。
（3）電解性老化
在直流電壓的長期作用下，即使所加電壓遠低于局部放電的起始電壓，由于電介質內部進行著電化學過程，電介質也會逐漸老化，最終導致擊穿。無機絕緣材料，如陶瓷、玻璃、云母等在直流電壓長期作用下，也存在顯著的電解性老化。當有潮氣侵入電介質時，水分子本身就會離解出H＋和O2，會加速電解性老化。
（4）表面漏電起痕及電蝕損
這是電介質表面的一種電老化問題。在潮濕、臟污的電介質表面會流過泄漏電流，在電流密度較大處會先形成干燥帶，電壓分布隨之不均勻，在干燥帶上分擔較高電壓，從而會形成放電小火花或小電弧，此種放電現象會使絕緣體表面過熱，局部炭化、燒蝕，形成漏電痕跡，漏電痕跡的持續發展可能逐漸形成沿絕緣體表面貫通兩端電極的放電通道。在潮濕、臟污地區，此種放電現象會對設備絕緣造成嚴重危害。耐漏電起痕及耐電蝕損能力也是衡量電介質性能的一項重要指標。
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