固體介質擊穿電壓的因素

影響固體介質擊穿電壓的主要因素

擊穿電壓的主要因素
影響固體介質擊穿電壓的因素甚多，下面介紹幾種主要的影響因素。
電壓作用時間
如果電壓作用時間很短（例如以下），固體介質的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓
當然也較高。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數分鐘到數小
時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時很難分清，例如在工頻交流
耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結果。電壓作用時間長達數十
小時甚至幾年才發生擊穿時，大多屬于電化學擊穿的范疇。
以常用的油浸電工紙板為例，在圖中，以頻擊穿電壓（峰值）作為基準值，縱坐標以標么值來表示。電擊穿與熱擊穿的分界點時間約在之間，作用時間大于此值后，熱過程和電化學作用使得擊穿電壓明顯下降。不過擊穿電壓與更長
時間（圖中達數百小時）的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪㈩l試驗電壓作為基
礎來估計固體介質在工頻電壓作用下長期工作時的熱擊穿電壓。許多有機絕緣材料的短
時間電氣強度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長時間電氣強度很低，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（例如旋轉
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。
圖油浸電工紙板的擊穿電壓與加電壓時間的關系時
電場均勻程度和介質的厚度
處于均勻電場中的固體介質，其擊穿電壓往往較高，且隨介質厚度的增加近似地成線
性增大若在不均勻電場中，介質厚度增加將使電場更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度
的增加而線性上升。當厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加厚度的意義就更
小了。
56 ··高壓電器穩定性試驗新技術、新設備應用與操作及檢驗標準實務全書
常用的固體介質一般都含有雜質和氣隙，這時即使處于均勻電場中，介質內部的電場
分布也是不均勻的，zui大電場強度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經過真空干燥、
真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。
頻率
在電擊穿區域內，如果頻率的變化不造成電場均勻度的改變，則擊穿電壓與頻率幾乎
無關。在熱擊穿區域內，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，在工頻時的擊穿電壓為（有效值），而在高頻時擊穿
電壓僅為（有效值）。這是因為頻率上升使介質損耗上升，導致發熱，促使熱擊
穿過程的發展。
溫度
固體介質在某個溫度范圍內其擊穿性質屬于電擊穿，這時的擊穿場強很高，且與溫度
幾乎無關。超過某個溫度后將發生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低如果其周圍媒質的
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，在工作電壓下即有熱擊穿的危險。不同的固體介質其耐熱性
能和耐熱等級是不同的，因此它們由電擊穿轉為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。
受潮
受潮對固體介質擊穿電壓的影響與材料的性質有關。對不易吸潮的材料，如聚乙烯、
聚四氟乙烯等中性介質，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右容易吸潮的極性介質，如棉紗、
紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時的百分之幾或更低，這是因電導率和介
質損耗大大增加的緣故。所以高壓絕緣結構在制造時要注意除去水分，在運行中要注意
防潮，并定期檢查受潮情況。
累積效應
固體介質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
內部可能出現局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時，局部損傷
會逐步發展，這稱為累積效應。顯然，它會導致固體介質擊穿電壓的下降。
在幅值不高的內部過電壓下以及幅值雖高、但作用時間很短的雷電過電壓下，由于加
電壓時間短，可能來不及形成貫穿性的擊穿通道，但可能在介質內部引起強烈的局部放
電，從而引起局部損傷。
主要以固體介質作絕緣材料的電氣設備，隨著施加沖擊或工頻試驗電壓次數的增多，
可能因累積效應而使其擊穿電壓下降。因此，在確定這類電氣設備耐壓試驗加電壓次數
和試驗電壓值時，應考慮這種累積效應，而在設計固體絕緣結構時，應保證一定的絕緣裕
度。
57 *篇高壓電器設備試驗技術總論··
第四節電介質的老化
電氣設備在長期運行中，其介質不可避免的要承受熱的、電的、化學的和機械力的作
用。在這些因素的作用下，介質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，如電導變大、變大和絕緣強度下降等，這種在性能方面出的不可逆的劣化現
象稱為介質的老化。
電介質的老化分為三類：由電場作用引起的電老化、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。
一、電老化
電老化分為局部放電老化、電導性老化和電解性老化三種類型。
介質內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
質層間、介質與電極間或介質內部殘留的也可能是浸漬劑與介質材料的膨脹系數不同由
溫度變化所引起的介質在運行中也可能分解出氣體，形成小氣泡介質中的水分電離分
解也能產生氣泡。氣體介質的相對介電常數接近，比固、液體介質的相對介電常數小得
多，因而在電場作用下的場強就比鄰近的固、液體介質中的場強大得多，而擊穿場強又比
固、液體介質的低得多，所以zui容易在這些氣隙或氣泡中產生局部放電。
局部放電將產生如下后果：
帶電粒子撞擊氣泡（或氣隙）表面的介質，特別是對有機絕緣物，能使主鏈斷裂，高
分子解聚或部分變為低分子，介質的物理性能變差。
局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質開裂、分層、變脆，高溫同時能使材料產生化學分
解，使該部分電導和損耗變大。
局部放電產生的和等氣體對有機物產生氧化侵蝕，使介質逐漸劣化，特別
是介質受潮后，還可能與潮氣結合生成亞硝酸或硝酸，對介質及金屬電極都產生腐
蝕。]

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