固體電介質和液體電介質的擊穿特性

固體電介質和液體電介質的電氣強度一般都比空氣的電氣強度高得多，其用作內(nèi)絕緣可以大大減小電氣設備的結構尺寸，因此被廣泛用作電氣設備的內(nèi)絕緣和絕緣支撐等。最常見的固體電介質有絕緣紙、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維板、云母、電瓷、硅橡膠及塑料等，應用得最多的液體電介質是變壓器油。固體電介質和液體電介質與氣體電介質的電氣特性有很大不同。首先固體及液體的有機介質在運行過程中會逐漸發(fā)生老化，從而影響絕緣的電氣強度和壽命；其次固體電介質一旦發(fā)生擊穿即對絕緣造成不可逆轉的性破壞，故稱其為非自恢復絕緣；固體電介質和液體電介質的擊穿機理與氣體電介質也不同。雖然目前人們對固體和液體電介質擊穿過程的理解不如氣體的那么清楚，但已經(jīng)提出了幾種不同的擊穿機埋。

4.1固體電介質的擊穿機理

在電場作用下，固體電介質的擊穿可能會因電的作用、熱的作用或電化學的作用所引起，因此擊穿過程比較復雜。

4.1.1 電擊穿

固體電介質的電擊穿是指僅由于電場的作用而直接造成固體絕緣擊穿的物理現(xiàn)象。

關于固體電介質電擊穿的機理有種種理論和假設，歸結起來即認為在強電場下固體電介質內(nèi)部存在的少量帶電粒子作劇烈的運動，與固體電介質晶格結點上的原子發(fā)生碰撞電離，形成電子崩，從而破壞了固體介質的晶格結構，使電導增大而導致擊穿。

電擊穿的主要特點是擊穿電壓與周圍環(huán)境溫度無關，與電壓作用時間也關系不大，介質

形成電子崩，從而破壞了固體介質的晶格結構，使電導增大而導致擊穿。

電擊穿的主要特點是擊穿電壓與周圍環(huán)境溫度無關，與電壓作用時間也關系不大，介質發(fā)熱不顯著；但電場的均勻程度對擊穿電壓影響很大。電擊穿所需的場強比較高，一般可達10⁵～10⁶kV/m。當介質的電導很小，又有良好的散熱條件以及介質內(nèi)部不存在局部放電時，固體電介質所發(fā)生的擊穿一般為電擊穿。

4.1.2 熱擊穿

熱擊穿是由于電介質內(nèi)部的熱不穩(wěn)定所造成的。當固體電介質較長時間地處在外電壓作用下，由于介質內(nèi)部的損耗而發(fā)熱，致使溫度升高，從而使介質的電導和tanδ都增大，這反過來又使溫度進一步升高。若到達某一溫度后，發(fā)熱量等于散熱量，介質的溫度則停止上升而處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，這時將不致引起絕緣強度的破壞。然而，這種熱穩(wěn)定狀態(tài)不是在任何情況下都能建立的。如果散熱條件不好，或電壓達到某一臨界值，使絕緣的發(fā)熱量總是大于散熱量，這時將會使介質的溫度不斷升高，直至介質分解、熔化、碳化或燒焦，造成熱破壞而喪失其絕緣性能，這就是熱擊穿的過程。

在交流電壓作用下，單位體積介質的功率損耗P隨溫度的升高增大，且關系式為

式中：tanδ₀為溫度t₀時的介質損耗角正切；t為溫度；δ為與介質有關的系數(shù)；C為絕緣結構的電容；U為外加電壓。

單位時間產(chǎn)生的熱量Q₁與介質損耗功率P成正比，即

即                    

式中：A為比例常數(shù)。

假定產(chǎn)生的熱量只能從電極兩邊散出，則單位時間內(nèi)散出的熱量Q₂為

式中：σ為散熱系數(shù)；S為散熱面積。

Q₁和Q₂與溫度的關系可用圖4-1來表示。由于體電介質的tanδ隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，故Q₁也隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升(圖1-1中曲線1~3)，Q₂則與溫度呈線性關系(見圖4-1中曲線4)。在不同的外加電壓下，可畫出不同的發(fā)熱曲線Q₁(U₁)、Q₁(U₂)、Q₁(U₃)，此處U₁＜U₂＜U₃。顯然，只有發(fā)熱量和散熱量處于熱平衡狀態(tài)時，即Q₁=Q₂，介質才會處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，具有某一穩(wěn)定的工作溫度，不會發(fā)生熱擊穿。

由圖4-1可見，當電壓為較低值U₁時，相應的發(fā)熱曲線Q(U₁)與Q₂相交于A點，對應的溫度為t_A，A點為穩(wěn)定的工作點。一旦介質溫度上升，t＞t_A，則由于散熱量大于發(fā)熱量，將使溫度下降到t_A；t＜t_A，則由于發(fā)熱量大于散熱量又會使溫度再回升到t_A，所以介質就有一個穩(wěn)定的工作溫度t_A，不會引發(fā)熱擊穿。

當電壓升高到U₂時，相應的發(fā)熱曲線Q₁(U₂)與Q₂相切于K點，對應于K點的溫度為t_K， K點是不穩(wěn)定的熱平衡點，僅僅在t=t_K時才達到熱平衡。如果有偶然因素使介質溫度略有升高，則由于Q₁＞Q₂而使溫度繼續(xù)升高，直到發(fā)生熱擊穿，因此，可以將電壓U₂看作是發(fā)生熱擊穿的臨界電壓值。這是因為當U＞U₂時，曲線Q₁(U₃)不再與Q₂有交點，這時不論在什么溫度下總是發(fā)熱大于散熱，使介質的溫度不斷上升，必然會造成熱擊穿。

熱擊穿的主要特點是擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降，擊穿電壓直接與介質的散熱條件相關。由于厚度大的介質散熱困難，所以熱擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加。熱擊穿需要熱量的積累，而熱量的積累需要時間，因此加壓時間短時，熱擊穿電壓將增高。此外，電壓頻率或介質的tanδ增大，都會使介質發(fā)熱量增大，導致熱擊穿電壓下降。

4.1.3 電化學擊穿

固體電介質在長期工作電壓作用下，由于介質內(nèi)部發(fā)生局部放電，產(chǎn)生活性氣體O₃、NO、NO₂，對介質產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，同時產(chǎn)生熱量引起局部發(fā)熱，以及在局部放電過程中帶電粒子的撞擊作用，導致絕緣劣化或損傷，使其電氣強度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學擊穿。電化學擊穿是一個復雜而緩慢過程，在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處損耗增加，溫度過高而以熱擊穿形式完成；也可能因介質劣化后電氣強度下降，而以電擊穿形式完成。

在電化學擊穿中，還有一種樹枝狀或叢狀放電的情況，這通常是發(fā)生在有機絕緣材料(如交聯(lián)聚乙烯)的場合。當有機絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質等因素而出現(xiàn)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀或叢狀放電，并在有機固體介質上留下纖細的放電痕跡，這就是樹枝狀放電劣化。在交流電壓下，樹枝狀放電劣化是局部放電產(chǎn)生的帶電粒子沖撞固體介質引起電化學劣化的結果。在沖擊電壓下，則可能是局部電場強度超過了材料的電擊穿場強所致。

4.2影響固體電介質擊穿電壓的因素

影響固體電介質擊穿電壓的因素很多，下面僅對主要影響因素作一些介紹。

4.2.1 電壓作用時間

以常用的油浸電工紙板為例，如圖4-2所示，以其1min工頻擊穿電壓(峰值)為基準值(100%)，縱坐標用標幺值表示。電擊穿與熱擊穿的分界點時間在10⁵～10⁶μs之間，電壓作用時間大于此值后的擊穿為熱擊穿，小于此值的擊穿則屬于電擊穿。由圖可見，電壓作用時間越長，擊穿電壓越低，1min擊穿電壓與更長時間的擊穿電壓已相差不大。所以，通?？蓪?/span>1min工頻試驗電壓作為基礎來估計固體電介質在工頻電壓作用下長期工作時的熱擊穿電壓。尚需指出，許多有機絕緣材料的短時間電氣強度雖然很高，但由于它們耐局部放電的性能 較差，以致其長時間電氣強度較低，這一點必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結構中(如旋轉電機)，就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機絕緣材料。

由圖4-2還可以看出，在電擊穿區(qū)域內(nèi)，在較寬的時間范圍內(nèi)油浸電工紙板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隨電壓作用時間減小而升高，這一點與氣體放電的伏秒特性很相似。其雷電沖擊擊穿電壓約為工頻擊穿電壓的3倍。

4.2.2 電場均勻程度

均勻、致密的固體介質如處于均勻電場中，其擊穿電壓往往比較高，且擊穿電壓隨介質厚度的增加近似地呈線性增加。若在不均勻電場巾，則擊穿電壓較均勻電場中降低，且隨著介質厚度的增加使電場更不均勻，擊穿電壓也不再隨介質厚度的增加而線性增加。當介質厚度的增加使散熱困難時，又會促使發(fā)生熱擊穿，這時靠增加介質厚度來提高擊穿電壓就沒有多大的意義。

4.2.3溫度

固體介質電擊穿的場強很高，而與溫度幾乎無關，但其熱擊穿電壓則隨溫度的升高而降低。由于環(huán)境溫度高不利于固體介質的散熱，會使熱擊穿電壓下降。所以，用固體介質作絕緣材料的電氣設備，如果某處局部溫度過高，在工作電壓下就會有熱擊穿的危險。為了降低絕緣的溫度，常采取一些散熱措施，如加強風冷、油冷及加裝散熱器等。

4.2.4受潮

固體介質受潮會使擊穿電壓大大降低，其降低程度與介質的性質有關。對于不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質，受潮后擊穿電壓僅降低一半左右；對于易吸潮的材料，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能只有干燥時的百分之幾或更低，這是因為電導率和介質損耗均大大增加的緣故。所以高壓絕緣結構不但在制造時要注意除去水分，在運行中也要注意防潮，并定期檢查受潮情況，一旦受潮必須進行干燥處理。

4.2.5 累積效應

固體介質在不均勻電場中，或者在雷電沖擊電壓下，其內(nèi)部可能出現(xiàn)局部放電或者損傷，但并未形成貫穿性的擊穿通道，但在多次沖擊或工頻試驗電壓作用下，這種局部放電或者傷痕會逐步擴大，這稱為累積效應。顯然，由于累積效應會使固體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(shù)時應充分考慮固體介質的這種累積效應，在設計固體絕緣結構時亦應保證一定的絕緣裕度。

4.3固體電介質的老化

電介質在電場的長時間作用下，會逐漸發(fā)生某些物理化學變化，從而使介質的物理、化學性能產(chǎn)生不可逆轉的劣化，導致電介質的電氣及機械強度下降，介質損耗及電導增大等，這一現(xiàn)象稱為絕緣的老化。

引起絕緣老化的原因很多，主要有熱的作用、電的作用、機械力的作用以及周圍環(huán)境因素的影響，如受潮、氧、臭氧、氮氧化物、各種射線以及微生物的作用等。各種不同的因素除了本身能對絕緣產(chǎn)生老化作用外，還常?；ハ嘤绊?，加速老化過程，盡管老化過程是一個非常復雜的物理化學變化過程，但從老化的特征上可將其大體劃分為電老化和熱老化兩大類型。

4.3.1 固體介質的電老化

電老化主要是由于電場的作用所產(chǎn)生。根據(jù)電老化的性質不同，又可分為電離性老化、電導性老化和電解性老化。

1.電離性老化

電離性老化主要指絕緣內(nèi)部存在的氣隙或氣泡在較強電場下發(fā)生電離而產(chǎn)生局部放電所引起的絕緣老化。

局部放電引起絕緣老化的機理被認為是：帶電粒子對介質的撞擊可使有機介質主鏈斷裂，使高分子解聚或部分變成低分子；局部放電引起局部過熱，高溫使絕緣材料產(chǎn)生化學分解；局部放電產(chǎn)生的活性氣體O₃、NO、NO₂對介質的氧化和腐蝕，以及由局部放電產(chǎn)生的紫外線或X射線使介質分解和解聚；隨后放電道通沿電場方向逐漸向絕緣深處發(fā)展，在某些高分子有機絕緣中常發(fā)展成樹枝狀，稱為“電樹枝"。電樹枝的不斷發(fā)展最終將導致絕緣擊穿。因此，許多高壓電氣設備都將局部放電水平作為檢驗其絕緣質量的重要指標。

絕緣中氣隙或氣泡引起局部放電的機理可以這樣來解釋：當固體介質內(nèi)部含有氣隙時，氣隙及與其相串聯(lián)的固體介質中的場強分布是與它們的介電常數(shù)成反比。氣體介質的介電常數(shù)比固體介質的介電常數(shù)小得多，因此氣隙中的電場強度要比固體介質中的電場強度高得多，而氣體的電氣強度又較固體介質低，所以當外加電壓還遠小于固體介質的擊穿電壓時，氣隙中的氣體就首先發(fā)生電離而產(chǎn)生局部放電。

下面對局部放電的發(fā)展過程作簡單分析。

固體介質內(nèi)部有單個小氣隙時的等效電路如圖4-3所示。圖中，C_g為氣隙的電容，C_b是與氣隙串聯(lián)的固體介質的電容，C_a是固體介質其余完好部分的電容，Z為氣隙放電脈沖的電源阻抗。一般情況下氣隙較小，所以C_b?C_g，且C_b?C_a。

將瞬時值為u的交流電壓施加在固體介質時，C_g上分得的電壓為

當u_g隨u增大到氣隙的放電電壓U_s時，氣隙放電。放電產(chǎn)生的正負電荷在外加電場作用下分別聚積在氣隙與固體介質的上下交界面上，它們建立的電場與外加電場方向相反，從而使C_g上的電壓急劇下降到剩余電壓U_r，放電熄滅。但由于外加電壓u還在上升，C_g上的電壓又隨外加電壓u充電到U_S，開始第二次放電。同理，第二次放電產(chǎn)生的正負電荷所建立的電場與外加電場方向相反，所以C_g上的電壓會再次下降到剩余電壓U_r，放電熄滅。當外加電壓u不斷下降時，氣隙界面電荷產(chǎn)生的附加電場會超過外加電場，導致反向放電發(fā)生。依此類推，可以推出第四次、第五次、第六次等放電出現(xiàn)的位置與放電的極性，如圖4-4(a)所示。因此，隨著C_g的充放電過程使局部放電重復發(fā)生，從而在電路中產(chǎn)生由局部放電引起的脈沖電流，如圖4-4(b)所示，其頻率范圍在200～400kHz。

C_g每次放電時，其放電電荷量為

其中：q_r為真實放電量。由于C_g、C_b和C_a實際上都是無法測定的，所以q_r也無法測定。但是氣隙放電引起的電壓變動(U_s-U_r)會按反比分配在C_b、C_a上(因從氣隙兩端看C_b、C_a是相串聯(lián)的)。設在C_a上的電壓變動為?u，則有

這就是說，當氣隙放電時，固體介質兩端的電壓也會產(chǎn)生電壓降落?u，這相當于固體介質放掉電荷q，即

其中：q為視在放電量。

通過電源充電在回路中形成電流脈沖。?u和q的值都是可以測量的，因此，通常將q作為度量局部放電強度的參數(shù)。從以上各式可以看出，q既是發(fā)生局部放電時試品電容所放掉的電荷，也是電容C_b上的電荷增量。比較式(4-6)和式(4-8)可得

即視在放電量通常比真實放電量小得多，但q與q_r呈線性關系，因此通過測量q可以相對地反映出q_r的大小。

實驗研究表明，視在放電量，放電重復率和一次放電所消耗的能量是反映局部放電強弱的三個基本參數(shù)。

如前所述，在交流電壓下，當外加電壓較高時，局部放電在半周期內(nèi)可以重復多次發(fā)生，而在直流電壓下情況就不一樣。由于直流電壓的大小和方向均不變，所以一旦氣隙產(chǎn)生放電，所產(chǎn)生的空間電荷建立的附加電場會使氣隙中的電場削弱，導致放電熄滅，直到空間電荷通過介質內(nèi)部的電導消散，使附加電場減小到一定程度后，才能開始第二次放電。由于電介質的電導很小，所以空間電荷的消散速度極慢。因此，在其他條件相同的情況下，直流電壓下單位時間內(nèi)的放電次數(shù)一般要比交流電壓下小3～4個數(shù)量級，從而使得介質在直流電壓下的局部放電所產(chǎn)生的破壞作用遠比交流電壓下小。

2. 電導性老化

電導性老化指某些高分子機合成絕緣材料內(nèi)部在某些液態(tài)的導電物質(最常見的是水分或制造過程中殘留的某些電解質溶液)，在電場強度超過某一定值時，這些導電液就會沿電場方向逐漸深入到絕緣層中去，形成近似樹枝狀的痕跡，稱為“水樹枝"，使介質的絕緣特性老化。

“水樹枝"是由于水或其他電解液中的離子在交變電場作用下往復沖擊介質，使其疲勞損傷和化學分解，隨之逐漸滲透擴散到介質深處所形成的。實踐表明，產(chǎn)生“水樹枝"所需的電場強度要比產(chǎn)生“電樹枝"所需的場強低得多；“水樹枝"一旦產(chǎn)生其發(fā)展速度也比“電樹枝"快。

3.電解性老化

電解性老化指在所加電壓還遠低于局部放電起始電壓的情況下，由于介質內(nèi)部進行的化學過程(尤其在直流電壓下最為嚴重)造成對介質的腐蝕、氧化，使介質逐漸老化。當有潮氣侵入電介質時，由于水分本身就能離解出H⁺和O^-離子，則會加速電解性老化。隨著溫度的升高，化學反應速度加快，電解性老化的速度也隨之加快。

4.3.2固體電介質的熱老化

固體電介質的性能在長期受熱的情況下逐漸劣化，失去原來的優(yōu)良性能，稱為熱老化。熱老化的主要過程為熱裂解、氧化裂解以及低分子揮發(fā)物的逸出。熱老化的特征大多數(shù)是使介質失去彈性、變硬、變脆，機械強度降低，也有些介質表現(xiàn)為變軟、發(fā)黏、變形，失去機械強度，與此同時介質的電導變大，介質損耗增加，擊穿電壓降低，絕緣性能變壞。

由于溫度的升高將使熱老化過程加速，所以根據(jù)熱老化決定的絕緣壽命與絕緣的工作溫度密切相關。國際電工委員會將各種電工絕緣材料按其耐熱性能劃分等級，并確定各級絕緣材料的最高持續(xù)工作溫度，見表41。

表4-1                      電工絕緣材料的耐熱等級

使用溫度超過表4-1的規(guī)定，絕緣材料將迅速老化，壽命大大縮短。實驗表明，A絕緣的工作溫度超過規(guī)定值8℃，則壽命大約縮短一半，這通常稱為熱老化的8℃規(guī)則。實際上對其他各級絕緣的溫度規(guī)定值并不都是8℃，如B級絕緣為10℃，H極絕緣為12℃等。

有機絕緣材料在熱的作用下發(fā)生著各種化學變化，包括氧化、熱裂解和縮聚等，這些化學反應的速率決定了材料的熱老化壽命。因此，可應用化學反應動力學推出材料壽命和溫度的關系。在溫度低于絕緣材料的上限工作溫度時，有機絕緣由熱老化所決定的絕緣壽命的近似計算式為

式中：T為實際使用溫度下的絕緣壽命；A為標準使用溫度下的絕緣壽命；θ為絕緣的實際使用溫度；θ₀為絕緣的標定使用溫度；α為熱老化系數(shù)，由絕緣的性質、結構等因素決定，對A絕緣α在0.065~0.12范圍內(nèi)。

為了獲得最佳的經(jīng)濟技術效益，在當今的技術經(jīng)濟條件下，對大多數(shù)電氣設備(如發(fā)電機、變壓器、電動機等)絕緣的正常使用壽命一般認定為20～25年，由此就可以確定出該設備的標準使用溫度。