固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的擊穿特性

固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)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(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，因此被廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣和絕緣支撐等。最常見的固體電介質(zhì)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(yīng)用得最多的液體電介質(zhì)是變壓器油。固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)與氣體電介質(zhì)的電氣特性有很大不同。首先固體及液體的有機介質(zhì)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(zhì)一旦發(fā)生擊穿即對絕緣造成不可逆轉(zhuǎn)的性破壞，故稱其為非自恢復(fù)絕緣；固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的擊穿機理與氣體電介質(zhì)也不同。雖然目前人們對固體和液體電介質(zhì)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(zhì)的擊穿機理

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

4.1.1 電擊穿

固體電介質(zhì)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(guān)于固體電介質(zhì)電擊穿的機理有種種理論和假設(shè)，歸結(jié)起來即認(rèn)為在強電場下固體電介質(zhì)內(nèi)部存在的少量帶電粒子作劇烈的運動，與固體電介質(zhì)晶格結(jié)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(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)增大而導(dǎo)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(guān)，與電壓作用時間也關(guān)系不大，介質(zhì)

形成電子崩，從而破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)增大而導(dǎo)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(guān)，與電壓作用時間也關(guān)系不大，介質(zhì)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(dá)10⁵～10⁶kV/m。當(dāng)介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電時，固體電介質(zhì)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(zhì)內(nèi)部的熱不穩(wěn)定所造成的。當(dāng)固體電介質(zhì)較長時間地處在外電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部的損耗而發(fā)熱，致使溫度升高，從而使介質(zhì)的電導(dǎo)和tanδ都增大，這反過來又使溫度進一步升高。若到達(dá)某一溫度后，發(fā)熱量等于散熱量，介質(zhì)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(dá)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(zhì)的溫度不斷升高，直至介質(zhì)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(zhì)的功率損耗P隨溫度的升高增大，且關(guān)系式為

式中：tanδ₀為溫度t₀時的介質(zhì)損耗角正切；t為溫度；δ為與介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；C為絕緣結(jié)構(gòu)的電容；U為外加電壓。

單位時間產(chǎn)生的熱量Q₁與介質(zhì)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(guān)系可用圖4-1來表示。由于體電介質(zhì)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(guān)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(zhì)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(dāng)電壓為較低值U₁時，相應(yīng)的發(fā)熱曲線Q(U₁)與Q₂相交于A點，對應(yīng)的溫度為t_A，A點為穩(wěn)定的工作點。一旦介質(zhì)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(zhì)就有一個穩(wěn)定的工作溫度t_A，不會引發(fā)熱擊穿。

當(dāng)電壓升高到U₂時，相應(yīng)的發(fā)熱曲線Q₁(U₂)與Q₂相切于K點，對應(yīng)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(dá)到熱平衡。如果有偶然因素使介質(zhì)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(dāng)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(zhì)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(zhì)的散熱條件相關(guān)。由于厚度大的介質(zhì)散熱困難，所以熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)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(zhì)的tanδ增大，都會使介質(zhì)發(fā)熱量增大，導(dǎo)致熱擊穿電壓下降。

4.1.3 電化學(xué)擊穿

固體電介質(zhì)在長期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電，產(chǎn)生活性氣體O₃、NO、NO₂，對介質(zhì)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(dǎo)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(xué)擊穿。電化學(xué)擊穿是一個復(fù)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(zhì)劣化后電氣強度下降，而以電擊穿形式完成。

在電化學(xué)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(dāng)有機絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)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(zhì)上留下纖細(xì)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(zhì)引起電化學(xué)劣化的結(jié)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(zhì)擊穿電壓的因素

影響固體電介質(zhì)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(zhǔn)值(100%)，縱坐標(biāo)用標(biāo)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，通常可將1min工頻試驗電壓作為基礎(chǔ)來估計固體電介質(zhì)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(jié)構(gòu)中(如旋轉(zhuǎn)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(guān)，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(zhì)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(zhì)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(zhì)厚度的增加使電場更不均勻，擊穿電壓也不再隨介質(zhì)厚度的增加而線性增加。當(dāng)介質(zhì)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(zhì)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(zhì)電擊穿的場強很高，而與溫度幾乎無關(guān)，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(zhì)的散熱，會使熱擊穿電壓下降。所以，用固體介質(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(fēng)冷、油冷及加裝散熱器等。

4.2.4受潮

固體介質(zhì)受潮會使擊穿電壓大大降低，其降低程度與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對于不易吸潮的材料，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(dǎo)率和介質(zhì)損耗均大大增加的緣故。所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)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(yīng)

固體介質(zhì)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(yīng)。顯然，由于累積效應(yīng)會使固體介質(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)備試驗電壓和試驗次數(shù)時應(yīng)充分考慮固體介質(zhì)的這種累積效應(yīng)，在設(shè)計固體絕緣結(jié)構(gòu)時亦應(yīng)保證一定的絕緣裕度。

4.3固體電介質(zhì)的老化

電介質(zhì)在電場的長時間作用下，會逐漸發(fā)生某些物理化學(xué)變化，從而使介質(zhì)的物理、化學(xué)性能產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化，導(dǎo)致電介質(zhì)的電氣及機械強度下降，介質(zhì)損耗及電導(dǎo)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，還常常互相影響，加速老化過程，盡管老化過程是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)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(zhì)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(zhì)不同，又可分為電離性老化、電導(dǎo)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(rèn)為是：帶電粒子對介質(zhì)的撞擊可使有機介質(zhì)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(xué)分解；局部放電產(chǎn)生的活性氣體O₃、NO、NO₂對介質(zhì)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(zhì)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(dǎo)致絕緣擊穿。因此，許多高壓電氣設(shè)備都將局部放電水平作為檢驗其絕緣質(zhì)量的重要指標(biāo)。

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(dāng)固體介質(zhì)內(nèi)部含有氣隙時，氣隙及與其相串聯(lián)的固體介質(zhì)中的場強分布是與它們的介電常數(shù)成反比。氣體介質(zhì)的介電常數(shù)比固體介質(zhì)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(zhì)中的電場強度高得多，而氣體的電氣強度又較固體介質(zhì)低，所以當(dāng)外加電壓還遠(yuǎn)小于固體介質(zhì)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(zhì)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(zhì)的電容，C_a是固體介質(zhì)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(zhì)時，C_g上分得的電壓為

當(dāng)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(fù)電荷在外加電場作用下分別聚積在氣隙與固體介質(zhì)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(fù)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(dāng)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(dǎo)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(fù)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(shè)在C_a上的電壓變動為?u，則有

這就是說，當(dāng)氣隙放電時，固體介質(zhì)兩端的電壓也會產(chǎn)生電壓降落?u，這相當(dāng)于固體介質(zhì)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(guān)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(fù)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(dāng)外加電壓較高時，局部放電在半周期內(nèi)可以重復(fù)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(dǎo)致放電熄滅，直到空間電荷通過介質(zhì)內(nèi)部的電導(dǎo)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(zhì)的電導(dǎo)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(zhì)在直流電壓下的局部放電所產(chǎn)生的破壞作用遠(yuǎn)比交流電壓下小。

2. 電導(dǎo)性老化

電導(dǎo)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(dǎo)電物質(zhì)(最常見的是水分或制造過程中殘留的某些電解質(zhì)溶液)，在電場強度超過某一定值時，這些導(dǎo)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(zhì)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(fù)沖擊介質(zhì)，使其疲勞損傷和化學(xué)分解，隨之逐漸滲透擴散到介質(zhì)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(yuǎn)低于局部放電起始電壓的情況下，由于介質(zhì)內(nèi)部進行的化學(xué)過程(尤其在直流電壓下最為嚴(yán)重)造成對介質(zhì)的腐蝕、氧化，使介質(zhì)逐漸老化。當(dāng)有潮氣侵入電介質(zhì)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(xué)反應(yīng)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(zhì)的熱老化

固體電介質(zhì)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(zhì)失去彈性、變硬、變脆，機械強度降低，也有些介質(zhì)表現(xiàn)為變軟、發(fā)黏、變形，失去機械強度，與此同時介質(zhì)的電導(dǎo)變大，介質(zhì)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(guān)。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(xué)變化，包括氧化、熱裂解和縮聚等，這些化學(xué)反應(yīng)的速率決定了材料的熱老化壽命。因此，可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)推出材料壽命和溫度的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定使用溫度；α為熱老化系數(shù)，由絕緣的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)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(shù)效益，在當(dāng)今的技術(shù)經(jīng)濟條件下，對大多數(shù)電氣設(shè)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(rèn)定為20～25年，由此就可以確定出該設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)使用溫度。