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(shí)間

 如果電壓作用時(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)，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。不過(guò)二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流耐壓試驗(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(zhǎng)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。

 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(lái)表示。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時(shí)間約在之間，作用時(shí)間大于此值后，熱過(guò)程和電化學(xué)作用使得擊穿電壓明顯下降。不過(guò)擊穿電壓與更長(zhǎng)時(shí)間(圖中達(dá)數(shù)百小時(shí))的擊穿電壓相差已不太大，所以通常可將頻試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來(lái)估計(jì)固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(wú)機(jī)絕緣材料。圖油浸電工紙板的擊穿電壓與加電壓時(shí)間的關(guān)系時(shí)電場(chǎng)均勻程度和介質(zhì)的厚度處于均勻電場(chǎng)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(chǎng)中，介質(zhì)厚度增加將使電場(chǎng)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。

 高壓電器穩(wěn)定性試驗(yàn)新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用與操作及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(shí)即使處于均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)分布也是不均勻的，最大電場(chǎng)強(qiáng)度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過(guò)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(chǎng)均勻度的改變，則擊穿電壓與頻率幾乎無(wú)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(shí)的擊穿電壓為(有效值)，而在高頻時(shí)擊穿電壓僅為(有效值)。這是因?yàn)轭l率上升使介質(zhì)損耗上升，導(dǎo)致發(fā)熱，促使熱擊穿過(guò)程的發(fā)展。

 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(chǎng)強(qiáng)很高，且與溫度幾乎無(wú)關(guān)。超過(guò)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(guò)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(jí)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(duì)固體介質(zhì)擊穿電壓的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)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)行中要注意受潮，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(chǎng)中以及在幅值不很高的過(guò)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(huì)逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。顯然，它會(huì)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(guò)電壓下以及幅值雖高、但作用時(shí)間很短的雷電過(guò)電壓下，由于加電壓時(shí)間短，可能來(lái)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(yàn)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(yàn)加電壓次數(shù)和試驗(yàn)電壓值時(shí)，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。

 第一篇高壓電器設(shè)備試驗(yàn)技術(shù)總論··

 第四節(jié)電介質(zhì)的老化

電氣設(shè)備在長(zhǎng)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(chǎng)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(guò)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(duì)介電常數(shù)接近，比固、液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)小得多，因而在電場(chǎng)作用下的場(chǎng)強(qiáng)就比鄰近的固、液體介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)大得多，而擊穿場(chǎng)強(qiáng)又比固、液體介質(zhì)的低得多，所以最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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)介質(zhì)及金屬電極都產(chǎn)生腐蝕。