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影響固體擊穿電壓的因素和提高擊穿電壓的措施與老化
閱讀：872發布時間：2024-8-22
影響固體電介質的擊穿電壓的因素
1.電壓作用時間
電壓作用時間越長，擊穿電壓越低，而且對于大多數固體電介質來說存在著明顯的分界點。當電壓作用時間足夠長，以致引起熱擊穿或電化學擊穿時，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時間為105~106μs，小于此值的擊穿屬于電擊穿，因為在這段時間內，熱與化學的影響都來不及起作用。在此區域內，在較寬的時間范圍內擊穿電壓與電壓作用時間幾乎無關，只有在時間小于微秒級時擊穿電壓才升高，這與氣體放電的伏秒特性很相似。當時間大于105~106μs時，隨加壓時間的增加，擊穿電壓明顯下降，這只能用發展較慢的熱過程來解釋，屬于熱擊穿。當電壓作用時間更長時，擊穿電壓僅為1min工頻擊穿電壓(幅值)的幾分之一，此時是由于絕緣老化，絕緣性能降低后發生了電化學擊穿。
2，電場均勻程度和介質厚度
在均勻電場中，固體電介質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厚度的增加近似地呈線性增加。在不均勻電場中，介質厚度越大，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。值得注意的一點是，當介質厚度增加到散熱困難以致出現熱擊穿時，再靠繼續增加厚度來提高擊穿電壓就沒有多大意義了。
3. 溫度
當環境溫度較低時，固體電介質的擊穿電壓與溫度幾乎無關,屬于電擊穿。當環境溫度高到一定程度，電擊穿轉為熱擊穿時，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周圍環境溫度關系的試驗結果，試驗曲線明顯分為兩個范圍，周圍溫度在t0以下時，擊穿電壓與介質溫度無關，屬于電擊穿；當周圍溫度超過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值也會因介質的厚度、冷卻條件和所加電壓性質等因素的不同而在很大范圍內變動。
4.電壓種類
在相同條件下，固體電介質在直流、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，固體電介質的損耗(主要為電導損耗)比工頻交流電壓下的損耗(除電導損耗外，還包括極化損耗甚至還有游離損耗)小，電介質發熱少，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，因為高頻下局部放電嚴重，發熱也嚴重，使其擊穿電壓低。在沖擊電壓下，由于電壓作用時間極短，熱的效應和電化學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
固體電介質受潮后其擊穿電壓的下降程度與材料的吸水性有關。對不易吸潮的電介質，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，如棉紗、紙等纖維材料，受潮后擊穿電壓僅為干燥時的幾百分之一。所以高壓電氣設備的絕緣在制造時應注意烘干，在運行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。
6. 累積效應
由于固體電介質屬于非自恢復絕緣，若每次施加某一電壓時，都會使絕緣產生一定程度的損傷，那么在多次施加同樣電壓時，絕緣的損傷會逐步積累，這稱為累積效應。顯然，累積效應會使固體電介質的絕緣性能劣化，導致擊穿電壓下降。因此在確定電氣設備試驗電壓和試驗次數時應注意到這種累積效應，而在設計絕緣結構時也應留有一定的裕度。
7.機械負荷
均勻和致密的固體電介質在彈性限度內，擊穿電壓與其機械變形無關。但對某些具有孔隙的不均勻固體電介質，機械應力和變形對其擊穿電壓影響較大。機械應力可能使電介質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產生開裂、松散，如該介質放在氣體中，則氣體將填充到裂縫內，從而使擊穿電壓下降。
提高固體電介質的擊穿電壓的措施
1.改進絕緣設計
采用合理的絕緣結構，使各部分絕緣的耐電強度與其所承擔的場強有適當配合。改善電極形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻。使邊緣效應減小到低程度，改善電極與電介質的接觸狀態，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差。改進密封結構，確保可靠密封等。
2.改進制造工藝
盡可能地清除固體電介質中殘留的雜質、氣泡、水分等，使固體電介質盡可能均勻致密。這可通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強浸漬(油、膠、漆等)等方法來達到。
3.改善運行條件
注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強散熱冷卻(如自然通風、強迫通風、氫冷、汕冷、水內冷等)。
電介質的老化
電氣設備的絕緣在運行中受到電場、高溫、機械力等作用將產生一系列的化學、物理變化，以致機械性能逐漸變差，強度逐漸變弱，甚至喪失絕緣性能，這種過程稱為電介質的老化。電介質的老化分為三類：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、電導性老化和電解性老化三種類型。
1. 局部放電老化
介質內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層間、介質與電極間或介質內部殘留的，也可能是浸漬劑與介質材料的膨脹系數不同由溫度變化所引起的。介質在運行中也可能分解出氣體，形成小氣泡。介質中的水分電離分解也能產生氣泡。氣體介質的相對介電常數接近1，比固體、液體介質的相對介電常數小得多，因而在交變電場作用下的場強就比鄰近的固、液體介質中的場強大得多，而擊穿場強又比固液體介質的低得多，所以最容易在這些氣隙或氣泡中產生局部放電。
局部放電將產生以下后果。
(1)帶電粒子撞擊氣泡(或氣隙)表面的介質，特別是對有機絕緣物，能使主鏈斷裂，高分子解聚或部分變為低分子，介質的物理性能變差。
(2)局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質開裂、分層、變酥，同時高溫能使材料產生化學分解，使該部分電導和損耗變大。
(3)局部放電產生的O2和NO2等氣體對有機物產生氧化侵蝕，使介質逐漸劣化。特別是介質受潮后，NO2還可能與潮氣結合生成亞硝酸或硝酸，對介質及金屬電極都會產生腐蝕。
(4)電場的局部畸變改變了介質的原有電場分布，使局部介質承受過高的場強。
通過上述多種效應的綜合，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展，最終導致絕緣被貫通擊穿。
2.電導性老化
在交流電壓作用下，在某些高分子有機合成的固體介質中存在另外一種性質的老化，它不是由氣泡游離造成的，而是由液態的導電物質所引起的。如果在兩電極的絕緣層中或在固體介質與電極的交界面處存在某些液態的導電物質(如水或在介質制造過程中殘留下來的某些電解質溶液)，當該處電場強度超過某一臨界值時，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，形成近似樹狀的導電泄痕，稱為“水樹枝"，最終導致絕緣層擊穿。
產生“水樹枝"的機理是水或其他電解液中的離子在交變電場作用下往復撞擊絕緣物，使其疲勞損壞和化學分解，電解液便隨之逐漸滲透擴散到介質深處，形成“水樹枝"。
3.電解性老化
在直流電壓作用下，即使所加電壓遠低于局部放電起始電壓，由于介質內部進行著電化學過程，介質也會逐漸老化，最終導致擊穿。電介質的電導主要是介質中的雜質分子離解后沿電場方向遷移引起的, 具有電解的性質。介質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電通道。這個過程對電介質層很薄的電容器絕緣危害尤其大。介質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原子。它們或是再與介質分子起化學反應，形成新的有害化合物，使介質受到破壞；或是與金屬電極起化學反應，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。
實踐證明，即使是無機介質，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。當有潮氣浸入電介質時，水分本身就能離解出H+和O-離子，加速電解性老化。溫度升高會使化學和電化學反應加速，電解性老化也隨之加快。
4.電老化對絕緣壽命的影響
經驗表明，在介質工作溫度恒定的條件下，如果外施電場強度E不致使介質中出現顯著的局部放電，則由電老化所決定的固體絕緣的壽命平均值τ與E的關系在多數情況下滿足：
式(3-21)兩邊取對數得：
式中：K為與介質材料、絕緣結構有關的常數；n為與介質材料、絕緣結構有關的表示老化速度特性的指數。
式(3-22)在對數坐標系下為一直線，如圖3-26所示。可以利用這一曲線來推算當場強提高時介質的平均壽命值。
熱老化
電介質長期工作在較高溫度下，由于受熱使固體介質變硬，失去彈性，變脆，發生龜裂，機械強度降低，受振動時易脫落、磨損，甚至變成粉狀。也有些固體介質變軟、發黏、喪失機械強度。變壓器油的酸價上升、顏色加重等使電氣性能逐漸劣化，稱為電介質的熱老化。其原因是在較高溫度下，電介質內部發生了緩慢的熱解裂、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間外，還有介質所處環境的濕度、壓力、氧的含量、電場強度和機械載荷的大小。
當存在水分及空氣時，紙的熱解裂將加速。若使用礦物油加以浸漬，使空氣進入紙中受阻，這樣可以大大降低老化速度。但在某些情況下，由于纖維素分解時在油中生成的產物(如有機酸、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的短時絕緣強度，但在實際運行中介質在受熱的同時也要受到機械應力和電動力的作用，常常造成損傷，從而導致擊穿的后果。
由于溫度直接影響熱老化的進程，即影響絕緣的壽命，為了保證設備絕緣的使用壽命必須規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工作溫度，見表3-2。
表3-2 電工絕緣材料的絕緣等級
級別 | 最高持續工作溫度/℃ | 材料舉例 |
Y | 90 | 未浸漬過的木材、棉紗、天然絲和紙等材料或其他組合物、聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡膠 |
A | 105 | 礦物油及浸漬入其中的Y級材料，油性漆、油性樹脂及其漆包線 |
E | 120 | 由酚醛樹脂、糠醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂制成的塑料、膠紙板、聚酯薄膜及聚酯纖維，環氧樹脂，聚脂漆及其漆包線，油改性三聚氰胺漆 |
B | 130 | 以合適的樹脂或瀝青浸漬、用有機補強材料加工過的云母、玻璃纖維、石棉等制品，聚磨漆及其漆包線，使用無機填充料的塑料 |
F | 155 | 用耐熱有機樹脂或漆所黏合或浸漬的無機物（云母、石棉、玻璃纖維及其制品) |
H | 180 | 硅有機樹脂、硅有機漆或用它們黏合或浸漬過的無機材料，硅有機膠 |
C | ＞180 | 不采用任何有機黏合劑或浸漬劑的無機物，如云母、石英、石板、陶瓷、玻璃或玻璃纖維、石棉水泥制品、玻璃云母模壓品等，聚四氟乙烯塑料 |
使用溫度如超過表3-2中所規定的溫度，介質將迅速老化，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，當溫度分別升高10℃和12℃時，熱壽命縮短一半。這個規律通常稱為熱老化的8℃規則、10℃規則和12℃規則。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。
介質受潮將導致其電導和損耗增大，因而會使絕緣材料進一步發熱，導致熱老化速度加快。此外，水分的存在使化學反應更加活躍，產生氣體，形成氣泡，引起局部放電。在直流電壓作用下，電導增大，使局部放電形成的反電場場強下降加快，因而使單位時間內的放電次數增加，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，近年來特別重視發展密封的絕緣結構。鑒于受潮對絕緣的危害性，對電氣設備必須定期檢查絕緣的受潮情況。
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