了解固體電介質(zhì)的三種擊穿形式和原理

【模塊描述】本模塊介紹固體電介質(zhì)的擊穿特性、擊穿形式及原理。通過(guò)概念描述、要點(diǎn)歸納，掌握固體電介質(zhì)具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、非自恢復(fù)絕緣特性，了解固體電介質(zhì)的三種擊穿形式和原理。

【正文】

一、固體電介質(zhì)的擊穿特性

固體介質(zhì)的擊穿與氣體、液體電介質(zhì)相比，主要有以下不同：

(1)固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)高。固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般比氣體和液體電介質(zhì)高，例如，在均勻電場(chǎng)中，云母的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)2000～3000kV/cm。

(2)固體電介質(zhì)絕緣具有非自恢復(fù)性。固休電介質(zhì)擊穿后會(huì)留下痕跡，如貫穿電極孔道、開(kāi)裂，撤去電壓后不能像氣體電介質(zhì)那樣恢復(fù)原有的絕緣性能。

(3)固體電介質(zhì)具有累積效應(yīng)。固體介質(zhì)在沖擊電壓作用下絕緣損傷會(huì)擴(kuò)大甚至擊穿，這種現(xiàn)象稱為累積效應(yīng)。大部分有機(jī)材料有明顯的累積效應(yīng)，玻璃、云母等無(wú)機(jī)材料沒(méi)有明顯的累積效應(yīng)。

(4)固體電介質(zhì)擊穿具有體積效應(yīng)。固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)分散性很大，這與材料的不均 勻性有關(guān)。加大試樣的面積和體積，使絕緣材料弱點(diǎn)出現(xiàn)的概率增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低，這就是所謂擊穿的體積效應(yīng)。圖TYBZ01403002-1 給出了聚乙烯的短時(shí)擊穿強(qiáng)度與絕緣厚度的關(guān)系，由圖可見(jiàn)，隨著絕緣厚度的增加，擊穿強(qiáng)度大大降低。因此在小試樣的短時(shí)樣上的試驗(yàn)結(jié)果并不適用于大尺寸的絕緣結(jié)構(gòu)。

二、固體電介質(zhì)的擊穿形式

1.電擊穿

固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場(chǎng)的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象，其擊穿過(guò)程與氣體相似。在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件，且內(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。

電擊穿的主要特征；①擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，可達(dá)10⁵~10⁶kV/m；②與周圍環(huán)境溫度無(wú)關(guān)；③除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大；④介質(zhì)發(fā)熱不顯著；⑤電場(chǎng)均勻程度對(duì)擊穿有顯著影響。

2.熱擊穿

固體介質(zhì)會(huì)因介質(zhì)模耗而發(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。

在交流電壓和直流電壓下的熱擊穿理論相同，但由于直流電壓下的介質(zhì)損耗較小，所以真流電壓下，正常未受潮的絕緣很少發(fā)生熱擊穿。交流電壓頻率升高時(shí)，介質(zhì)損耗迅速增大，熱擊穿的概率也大大增加，有時(shí)需要采取冷卻措施，如中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的電容器，一般需要在夾層中通冷卻水加以冷卻。

由于熱擊穿所需時(shí)間較長(zhǎng)，常常需要幾個(gè)小時(shí)，故沖擊電壓作用下固體介質(zhì)常發(fā)生電擊穿，而不發(fā)生熱擊穿。另外，即使提高工頻試驗(yàn)電壓，熱擊穿也常常需要好幾分鐘。因此絕緣試驗(yàn)中常用的1min耐壓不能考驗(yàn)固體介質(zhì)的熱擊穿特性，例如，對(duì)帶電作業(yè)的操作工具的耐壓試驗(yàn)要求施加電壓5min。

3.電化學(xué)擊穿

固體介質(zhì)在長(zhǎng)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)部缺陷(如氣隙或氣泡)引起局部性質(zhì)的放電，是引起電化學(xué)擊穿的重要因素。提高局部放電電壓的措施有：

(1)提高氣隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)，如充油設(shè)備用高油壓來(lái)提高油中氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

(2)設(shè)法用油或高強(qiáng)度氣體填充空穴，如用于電容器、電纜、互感器及電容套管中的油紙絕緣，多層介質(zhì)用油浸漬均可有效提高局部放電電壓。