固體電介質(zhì)的擊穿特性

第二節(jié)固體電介質(zhì)的擊穿特性固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿理論熱擊穿理論電化學(xué)擊穿影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素電壓作用時(shí)間電場均勻程度溫度受潮累積效應(yīng)固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!電過程（電擊穿）熱過程（熱擊穿）電化學(xué)過程（電化學(xué)擊穿）介質(zhì)本身的特性；絕緣結(jié)構(gòu)形式；電場均勻性；實(shí)際電氣設(shè)備中的固體介質(zhì)擊穿過程是錯綜復(fù)雜的，常取決于以下多種因素：在電場作用下，固體介質(zhì)可能因以下過程而被擊穿：固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!外加電壓波形；外加電壓時(shí)間；工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）常用的有機(jī)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(shí)電氣強(qiáng)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(qiáng)度大幅度下降。

所以，對這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時(shí)耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓下的耐電性能。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!3、電擊穿的主要特征：

①與周圍環(huán)境溫度有關(guān)；②除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大；③介質(zhì)發(fā)熱不顯著；④電場均勻程度對擊穿有顯著影響。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!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(jìn)行討論。設(shè)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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!（J/s）另:單位時(shí)間內(nèi)電極上1cm2面積所逸出的熱量為：（J/s）式中：－散熱系數(shù)，J/(s·cm2·oC);－電極表面溫度，oC；－周圍媒質(zhì)溫度，oC；如圖所示，在三個(gè)電壓下(U1>U2>U3)有發(fā)熱曲線1、2、3，4為散熱曲線。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!可達(dá)到以下幾點(diǎn)結(jié)論：①熱擊穿電壓會隨著周圍媒質(zhì)溫度t0的上升而下降，這時(shí)直線4會向右移動；②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(qiáng)隨h的增大而降低；③如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升；④f或增大時(shí)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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!電化學(xué)擊穿電壓的大小與施加電壓時(shí)間的關(guān)系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。圖3—23是三種固體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)隨施加電壓的時(shí)間而變化的情況：固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!在電化學(xué)擊穿中，還有一種樹枝化放電的情況，這通常發(fā)生在有機(jī)絕緣材料的場合。當(dāng)有機(jī)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(qiáng)區(qū)時(shí)，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機(jī)固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素(一)電壓作用時(shí)間如果電壓作用時(shí)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(dāng)然也較高。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!在圖3—24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(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(shí)間約在105～106us之間，作用時(shí)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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!(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(dāng)厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí)，增加厚度的意義就更小了。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!(三)溫度固體介質(zhì)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時(shí)的擊穿場強(qiáng)很高，且與溫度幾乎無關(guān)。超過某個(gè)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(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(xiǎn)。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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!(五)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(shí)，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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!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(yàn)電壓次數(shù)的增多，很可能因累積效應(yīng)而使其擊穿電壓下降。因此，對這些電氣設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，加電壓的次數(shù)和試驗(yàn)電壓值應(yīng)考慮這種累積效應(yīng)，而在設(shè)計(jì)固體絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證一定的絕緣裕度。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!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(dǎo)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(qiáng)可達(dá)105-106kV/m。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!(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)溫度將不斷上升而導(dǎo)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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!電介質(zhì)的損耗率（單位體積的功率損耗）（W/cm3）式中：-電介質(zhì)的電導(dǎo)率，S/cm

E-電介質(zhì)的電場強(qiáng)度，V/cm

f-外加電場的頻率，Hz設(shè)在1cm3介質(zhì)中單位時(shí)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1cm2的一條狀介質(zhì)中，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量為：固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!①曲線1，Q1>Q2，介質(zhì)一定擊穿；②曲線2，與散熱曲線4交于k點(diǎn)，它是不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，t>tk時(shí)，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。③曲線3和曲線4有a、b兩個(gè)交點(diǎn)，a為穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，b為不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，t>tb時(shí)，介質(zhì)發(fā)生擊穿。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!

(三)電化學(xué)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)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)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(qiáng)度下降的主要原因?yàn)椋?)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!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(jī)玻璃云母帶的擊穿場強(qiáng)隨加電壓時(shí)間的增加下降很少。可見無機(jī)絕緣材料耐局部放電的性能較好。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!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(xué)劣化的結(jié)果。在沖擊電壓下，則可能是局部電場強(qiáng)度超過了材料的電擊穿場強(qiáng)所造成的結(jié)果。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!不過二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)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(shí)間長達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至幾年才發(fā)生擊穿時(shí)，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。隨著電壓作用時(shí)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(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!

不過lmin擊穿電壓與更長時(shí)間(圖中達(dá)數(shù)百小時(shí))的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪min工頻試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來估計(jì)固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長期工作時(shí)的熱擊穿電壓。許多有機(jī)絕緣材料的短時(shí)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(shí)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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!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。常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時(shí)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(qiáng)度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!(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(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(shí)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(shí)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。固體電介質(zhì)的擊穿特性共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!在幅值不高的內(nèi)部過