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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：953發(fā)布時(shí)間：2024-8-22
影響固體電介質(zhì)的擊穿電壓的因素
1.電壓作用時(shí)間
電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，擊穿電壓越低，而且對(duì)于大多數(shù)固體電介質(zhì)來說存在著明顯的分界點(diǎn)。當(dāng)電壓作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，以致引起熱擊穿或電化學(xué)擊穿時(shí)，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(zhǔn)值(100%)，則在長(zhǎng)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(diǎn)時(shí)間為105~106μs，小于此值的擊穿屬于電擊穿，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，熱與化學(xué)的影響都來不及起作用。在此區(qū)域內(nèi)，在較寬的時(shí)間范圍內(nèi)擊穿電壓與電壓作用時(shí)間幾乎無關(guān)，只有在時(shí)間小于微秒級(jí)時(shí)擊穿電壓才升高，這與氣體放電的伏秒特性很相似。當(dāng)時(shí)間大于105~106μs時(shí)，隨加壓時(shí)間的增加，擊穿電壓明顯下降，這只能用發(fā)展較慢的熱過程來解釋，屬于熱擊穿。當(dāng)電壓作用時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，擊穿電壓僅為1min工頻擊穿電壓(幅值)的幾分之一，此時(shí)是由于絕緣老化，絕緣性能降低后發(fā)生了電化學(xué)擊穿。
2，電場(chǎng)均勻程度和介質(zhì)厚度
在均勻電場(chǎng)中，固體電介質(zhì)的擊穿電壓要高于不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓，且其擊穿電壓隨著介質(zhì)厚度的增加近似地呈線性增加。在不均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)厚度越大，電場(chǎng)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(diǎn)是，當(dāng)介質(zhì)厚度增加到散熱困難以致出現(xiàn)熱擊穿時(shí)，再靠繼續(xù)增加厚度來提高擊穿電壓就沒有多大意義了。
3. 溫度
當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，固體電介質(zhì)的擊穿電壓與溫度幾乎無關(guān),屬于電擊穿。當(dāng)環(huán)境溫度高到一定程度，電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿時(shí)，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(zhì)周圍環(huán)境溫度關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)曲線明顯分為兩個(gè)范圍，周圍溫度在t0以下時(shí)，擊穿電壓與介質(zhì)溫度無關(guān)，屬于電擊穿；當(dāng)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(huán)境溫度越高，熱擊穿電壓越低。對(duì)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(huì)因介質(zhì)的厚度、冷卻條件和所加電壓性質(zhì)等因素的不同而在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。
4.電壓種類
在相同條件下，固體電介質(zhì)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(zhì)的損耗(主要為電導(dǎo)損耗)比工頻交流電壓下的損耗(除電導(dǎo)損耗外，還包括極化損耗甚至還有游離損耗)小，電介質(zhì)發(fā)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?yàn)楦哳l下局部放電嚴(yán)重，發(fā)熱也嚴(yán)重，使其擊穿電壓低。在沖擊電壓下，由于電壓作用時(shí)間極短，熱的效應(yīng)和電化學(xué)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(zhì)受潮后其擊穿電壓的下降程度與材料的吸水性有關(guān)。對(duì)不易吸潮的電介質(zhì)，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，受潮后擊穿電壓下降一半左右。對(duì)易吸潮的電介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，受潮后擊穿電壓僅為干燥時(shí)的幾百分之一。所以高壓電氣設(shè)備的絕緣在制造時(shí)應(yīng)注意烘干，在運(yùn)行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。
6. 累積效應(yīng)
由于固體電介質(zhì)屬于非自恢復(fù)絕緣，若每次施加某一電壓時(shí)，都會(huì)使絕緣產(chǎn)生一定程度的損傷，那么在多次施加同樣電壓時(shí)，絕緣的損傷會(huì)逐步積累，這稱為累積效應(yīng)。顯然，累積效應(yīng)會(huì)使固體電介質(zhì)的絕緣性能劣化，導(dǎo)致擊穿電壓下降。因此在確定電氣設(shè)備試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)次數(shù)時(shí)應(yīng)注意到這種累積效應(yīng)，而在設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)也應(yīng)留有一定的裕度。
7.機(jī)械負(fù)荷
均勻和致密的固體電介質(zhì)在彈性限度內(nèi)，擊穿電壓與其機(jī)械變形無關(guān)。但對(duì)某些具有孔隙的不均勻固體電介質(zhì)，機(jī)械應(yīng)力和變形對(duì)其擊穿電壓影響較大。機(jī)械應(yīng)力可能使電介質(zhì)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(zhì)產(chǎn)生開裂、松散，如該介質(zhì)放在氣體中，則氣體將填充到裂縫內(nèi)，從而使擊穿電壓下降。
提高固體電介質(zhì)的擊穿電壓的措施
1.改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)
采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度與其所承擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)有適當(dāng)配合。改善電極形狀及表面光潔度，盡可能使電場(chǎng)分布均勻。使邊緣效應(yīng)減小到低程度，改善電極與電介質(zhì)的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差。改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，確?？煽棵芊獾?。
2.改進(jìn)制造工藝
盡可能地清除固體電介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使固體電介質(zhì)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(qiáng)浸漬(油、膠、漆等)等方法來達(dá)到。
3.改善運(yùn)行條件
注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強(qiáng)散熱冷卻(如自然通風(fēng)、強(qiáng)迫通風(fēng)、氫冷、汕冷、水內(nèi)冷等)。
電介質(zhì)的老化
電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行中受到電場(chǎng)、高溫、機(jī)械力等作用將產(chǎn)生一系列的化學(xué)、物理變化，以致機(jī)械性能逐漸變差，強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，甚至喪失絕緣性能，這種過程稱為電介質(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程。
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。
1. 局部放電老化
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而在介質(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1，比固體、液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)小得多，因而在交變電場(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)生以下后果。
(1)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。
(2)局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質(zhì)開裂、分層、變酥，同時(shí)高溫能使材料產(chǎn)生化學(xué)分解，使該部分電導(dǎo)和損耗變大。
(3)局部放電產(chǎn)生的O2和NO2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，NO2還可能與潮氣結(jié)合生成亞硝酸或硝酸，對(duì)介質(zhì)及金屬電極都會(huì)產(chǎn)生腐蝕。
(4)電場(chǎng)的局部畸變改變了介質(zhì)的原有電場(chǎng)分布，使局部介質(zhì)承受過高的場(chǎng)強(qiáng)。
通過上述多種效應(yīng)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(chǎng)方向逐漸向兩極發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣被貫通擊穿。
2.電導(dǎo)性老化
在交流電壓作用下，在某些高分子有機(jī)合成的固體介質(zhì)中存在另外一種性質(zhì)的老化，它不是由氣泡游離造成的，而是由液態(tài)的導(dǎo)電物質(zhì)所引起的。如果在兩電極的絕緣層中或在固體介質(zhì)與電極的交界面處存在某些液態(tài)的導(dǎo)電物質(zhì)(如水或在介質(zhì)制造過程中殘留下來的某些電解質(zhì)溶液)，當(dāng)該處電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，這些溶液便會(huì)在電場(chǎng)力的作用下沿著電場(chǎng)的方向逐漸深入到絕緣層中去，形成近似樹狀的導(dǎo)電泄痕，稱為“水樹枝"，最終導(dǎo)致絕緣層擊穿。
產(chǎn)生“水樹枝"的機(jī)理是水或其他電解液中的離子在交變電場(chǎng)作用下往復(fù)撞擊絕緣物，使其疲勞損壞和化學(xué)分解，電解液便隨之逐漸滲透擴(kuò)散到介質(zhì)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(yuǎn)低于局部放電起始電壓，由于介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行著電化學(xué)過程，介質(zhì)也會(huì)逐漸老化，最終導(dǎo)致?lián)舸?。電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是介質(zhì)中的雜質(zhì)分子離解后沿電場(chǎng)方向遷移引起的, 具有電解的性質(zhì)。介質(zhì)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(dá)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(dǎo)電通道。這個(gè)過程對(duì)電介質(zhì)層很薄的電容器絕緣危害尤其大。介質(zhì)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(zhì)原子。它們或是再與介質(zhì)分子起化學(xué)反應(yīng)，形成新的有害化合物，使介質(zhì)受到破壞；或是與金屬電極起化學(xué)反應(yīng)，形成對(duì)金屬電極的腐蝕；或是以分子的形式存在，行成小氣泡。
實(shí)踐證明，即使是無機(jī)介質(zhì)，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(dāng)有潮氣浸入電介質(zhì)時(shí)，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(huì)使化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)加速，電解性老化也隨之加快。
4.電老化對(duì)絕緣壽命的影響
經(jīng)驗(yàn)表明，在介質(zhì)工作溫度恒定的條件下，如果外施電場(chǎng)強(qiáng)度E不致使介質(zhì)中出現(xiàn)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(guān)系在多數(shù)情況下滿足：
式(3-21)兩邊取對(duì)數(shù)得：
式中：K為與介質(zhì)材料、絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；n為與介質(zhì)材料、絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)的表示老化速度特性的指數(shù)。
式(3-22)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下為一直線，如圖3-26所示?？梢岳眠@一曲線來推算當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)提高時(shí)介質(zhì)的平均壽命值。
熱老化
電介質(zhì)長(zhǎng)期工作在較高溫度下，由于受熱使固體介質(zhì)變硬，失去彈性，變脆，發(fā)生龜裂，機(jī)械強(qiáng)度降低，受振動(dòng)時(shí)易脫落、磨損，甚至變成粉狀。也有些固體介質(zhì)變軟、發(fā)黏、喪失機(jī)械強(qiáng)度。變壓器油的酸價(jià)上升、顏色加重等使電氣性能逐漸劣化，稱為電介質(zhì)的熱老化。其原因是在較高溫度下，電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)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(xué)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(shí)間外，還有介質(zhì)所處環(huán)境的濕度、壓力、氧的含量、電場(chǎng)強(qiáng)度和機(jī)械載荷的大小。
當(dāng)存在水分及空氣時(shí)，紙的熱解裂將加速。若使用礦物油加以浸漬，使空氣進(jìn)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(shí)在油中生成的產(chǎn)物(如有機(jī)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(zhì)的短時(shí)絕緣強(qiáng)度，但在實(shí)際運(yùn)行中介質(zhì)在受熱的同時(shí)也要受到機(jī)械應(yīng)力和電動(dòng)力的作用，常常造成損傷，從而導(dǎo)致?lián)舸┑暮蠊?/span>
由于溫度直接影響熱老化的進(jìn)程，即影響絕緣的壽命，為了保證設(shè)備絕緣的使用壽命必須規(guī)定各類絕緣材料的最高允許工作溫度。國(guó)際電工委員會(huì)根據(jù)不同材料的耐熱性劃分成耐熱等級(jí)，并確定各等級(jí)絕緣材料的最高持續(xù)工作溫度，見表3-2。
表3-2 電工絕緣材料的絕緣等級(jí)
級(jí)別 | 最高持續(xù)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(jí)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(huán)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?yàn)r青浸漬、用有機(jī)補(bǔ)強(qiáng)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(jī)填充料的塑料 |
F | 155 | 用耐熱有機(jī)樹脂或漆所黏合或浸漬的無機(jī)物（云母、石棉、玻璃纖維及其制品) |
H | 180 | 硅有機(jī)樹脂、硅有機(jī)漆或用它們黏合或浸漬過的無機(jī)材料，硅有機(jī)膠 |
C | ＞180 | 不采用任何有機(jī)黏合劑或浸漬劑的無機(jī)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(guī)定的溫度，介質(zhì)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(jí)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(jí)絕緣材料和H級(jí)絕緣材料，當(dāng)溫度分別升高10℃和12℃時(shí)，熱壽命縮短一半。這個(gè)規(guī)律通常稱為熱老化的8℃規(guī)則、10℃規(guī)則和12℃規(guī)則。油的熱老化主要是氧化過程引起的，為了延長(zhǎng)油的使用壽命，首先要防止油與空氣接觸。對(duì)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(zhǎng)壽命。對(duì)于電力變壓器等油量較多的電氣設(shè)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(zhì)受潮將導(dǎo)致其電導(dǎo)和損耗增大，因而會(huì)使絕緣材料進(jìn)一步發(fā)熱，導(dǎo)致熱老化速度加快。此外，水分的存在使化學(xué)反應(yīng)更加活躍，產(chǎn)生氣體，形成氣泡，引起局部放電。在直流電壓作用下，電導(dǎo)增大，使局部放電形成的反電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)下降加快，因而使單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)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(yùn)行中受潮，要采取一定的措旋，如對(duì)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(jìn)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(fā)展密封的絕緣結(jié)構(gòu)。鑒于受潮對(duì)絕緣的危害性，對(duì)電氣設(shè)備必須定期檢查絕緣的受潮情況。
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