69精品久久久久9999 影响电击穿、电气强度、击穿电压设备的因素有哪些？

固体电介质和液体电介质的击穿特性

固体电 介质 和液体电 介质 的 电气强度 一般都比空气的 电气强度 高得多，其用作内绝缘可以大大减小 电气设备 的结构尺寸，因此被广泛用作 电气设备 的内绝缘和绝缘支撑等。最常见的固体电 介质 有绝缘纸、环氧树脂、玻璃纤维板、云母、电瓷、硅橡胶及塑料等，应用得最多的液体电 介质 是变压器油。固体电 介质 和液体电 介质 与气体电 介质 的 电气 特性有很大不同。首先固体及液体的有机 介质 在运行过程中会逐渐发生老化，从而影响绝缘的 电气强度 和寿命；其次固体电 介质 一旦发生 击穿 即对绝缘造成不可逆转的性破坏，故称其为非自恢复绝缘；固体电 介质 和液体电 介质 的 击穿 机理与气体电 介质 也不同。虽然目前人们对固体和液体电 介质击穿 过程的理解不如气体的那么清楚，但已经提出了几种不同的 击穿 机埋。

4.1固体电介质的击穿机理

在电场作用下，固体电 介质 的 击穿 可能会因电的作用、热的作用或电化学的作用所引起，因此 击穿 过程比较复杂。

4.1.1 电 击穿

固体电 介质 的电 击穿 是指仅由于电场的作用而直接造成固体绝缘 击穿 的物理现象。

关于固体电 介质 电 击穿 的机理有种种理论和假设，归结起来即认为在强电场下固体电 介质 内部存在的少量带电粒子作剧烈的运动，与固体电 介质 晶格结点上的原子发生碰撞电离，形成电子崩，从而破坏了固体 介质 的晶格结构，使电导增大而导致 击穿 。

电 击穿 的主要特点是 击穿电压 与周围环境温度无关，与 电压 作用时间也关系不大， 介质

形成电子崩，从而破坏了固体 介质 的晶格结构，使电导增大而导致 击穿 。

电 击穿 的主要特点是 击穿电压 与周围环境温度无关，与 电压 作用时间也关系不大， 介质 发热不显著；但电场的均匀程度对 击穿电压 影响很大。电 击穿 所需的场强比较高，一般可达 10 ⁵ ～10 ⁶ kV/m。当 介质 的电导很小，又有良好的散热条件以及 介质 内部不存在局部放电时，固体电 介质 所发生的 击穿 一般为电 击穿 。

4.1.2 热 击穿

热 击穿 是由于电 介质 内部的热不稳定所造成的。当固体电 介质 较长时间地处在外 电压 作用下，由于 介质 内部的损耗而发热，致使温度升高，从而使 介质 的电导和 tan δ 都增大，这反过来又使温度进一步升高。若到达某一温度后，发热量等于散热量， 介质 的温度则停止上升而处于热稳定状态，这时将不致引起绝缘 强度 的破坏。然而，这种热稳定状态不是在任何情况下都能建立的。如果散热条件不好，或 电压 达到某一临界值，使绝缘的发热量总是大 于 散热量，这时将会使 介质 的温度不断升高，直至 介质 分解、熔化、碳化或烧焦，造成热破坏而丧失其绝缘性能，这就是热 击穿 的过 程。

在交流 电压 作用下，单位体积 介质 的功率损耗 P随温度的升高增大，且关系式为

式中： tan δ ₀ 为温度t ₀ 时的 介质 损耗角正切；t为温度； δ 为与 介质 有关的系数；C为绝缘结 构的电容； U为外加 电压 。

单位时间产生的热量 Q ₁ 与 介质 损耗功率P成正比，即

即

式中： A为比例 常数 。

假定产生的热量只能从电极两边散出，则单位时间内散出的热量 Q ₂ 为

式中： σ 为散热系数；S为散热面积。

Q ₁ 和 Q ₂ 与温度的关系可用图4-1来表示。由于体电 介质 的tan δ 随温度按指数规律上升， 故 Q ₁ 也随温度按指数规律上升(图1-1中曲线1~3)，Q ₂ 则与温度呈线性关系(见图4-1中曲线4)。在不同的外加 电压 下，可画出不同的发热曲线Q ₁ (U ₁ )、Q ₁ (U ₂ )、Q ₁ (U ₃ )，此处U ₁ ＜U ₂ ＜U ₃ 。 显然，只有发热量和散热 量 处于热平衡状态时，即Q ₁ =Q ₂ ， 介质 才会处于热稳定状态，具有某一稳定的工作温度，不会发生热 击穿 。

由图 4-1可见，当 电压 为较低值U ₁ 时，相应的发热曲线Q(U ₁ )与Q ₂ 相交于A点，对应的温度为 t _A ，A点为稳定的工作点。一旦 介质 温度上升，t＞ t _A ，则由于散热量大于发热量，将使温度下降到 t _A ；t＜ t _A ， 则由于发热量大于散热量又会使温度再回升到 t _A ，所以 介质 就有一个稳定的工作温度 t _A ，不会引发热 击穿 。

当 电压 升高到 U ₂ 时，相应的发热曲线Q ₁ (U ₂ )与Q ₂ 相切于K点，对应于K点的温度为t _K ， K点是不稳 定的热平衡点，仅仅在 t= t _K 时才达到热平衡。如果有 偶然因素使 介质 温度略有升高，则由于 Q ₁ ＞Q ₂ 而使 温度继续升高，直到发生热 击穿 ，因此，可以将 电压 U ₂ 看作是发生热 击穿 的临界 电压 值。这是因为当U＞U ₂ 时，曲线Q ₁ (U ₃ )不再与Q ₂ 有交点，这时不论在什么温度下总是发热大于散热，使 介质 的温度不断上升，必然会造成热 击穿 。

热 击穿 的主要特点是 击穿电压 随环境温度的升高呈指数规律下降， 击穿电压 直接与 介质 的散热条件相关。由于厚度大的 介质 散热困难，所以热 击穿电压 并不随 介质 厚度成正比增加。热 击穿 需要热量的积累，而热量的积累需要时间，因此加压时间短时，热 击穿电压 将增高。此外， 电压 频率或 介质 的 tan δ 增大，都会使 介质 发热量增大，导致热 击穿电压 下降。

4.1.3 电化学 击穿

固体电 介质 在长期工作 电压 作用下，由于 介质 内部发生局部放电，产生活性气体 O ₃ 、 NO、NO ₂ ，对 介质 产生氧化和腐蚀作用，同时产生热量引起局部发热，以及在局部放电过程中带电粒子的撞击作用，导致绝缘劣化或损伤，使其 电气强度 逐步下降并引起 击穿 的现象称为电化学 击穿 。电化学 击穿 是一个复杂而缓慢过程，在临近最终 击穿 阶段，可能因劣化处损耗增加，温度过高而以热 击穿 形式完成；也可能因 介质 劣化后 电气强度 下降，而以电 击穿 形式完成。

在电化学 击穿 中，还有一种树枝状或丛状放电的情况，这通常是发生在有机 绝缘材料 (如交联聚乙烯)的场合。当有机 绝缘材料 中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状或丛状放电，并在有机固体 介质 上留下纤细的放电痕迹，这就是树枝状放电劣化。在交流 电压 下，树枝状放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体 介质 引起电化学劣化的结果。在冲击 电压 下，则可能是局部电场 强度 超过了材料的电 击穿 场强所致。

4.2影响固体电介质击穿电压的因素

影响固体电 介质击穿电压 的因素很多，下面仅对主要影响因素作一些介绍。

4.2.1 电压作用时间

以常用的油浸电工纸板为例，如图 4-2所示，以其1min 工频击穿电压 (峰值)为基准值(100%)，纵坐标用标幺值表示。电 击穿 与热 击穿 的分界点时间在10 ⁵ ～10 ⁶ μ s之间， 电压 作用时间大于此值后的 击 穿 为热 击穿 ，小于此值的 击穿 则属于电 击穿 。由图可见， 电压 作用时间越长， 击穿电压 越低，1min 击穿电压 与更长时间的 击穿电压 已相差不大。所以，通常可将1min 工频 试验 电压 作为基础来估计固体电 介质 在 工频电压 作用下长期工作时的热 击穿电压 。尚需指出，许多有机 绝缘材料 的短时间 电 气强度 虽然很高，但由于它们耐局部放电的性能 较差，以致其长时间 电气强度 较低，这一点必须予以重视。在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中 (如旋转电机)，就必须采 用云母等耐局部放电性能好的无机 绝缘材料 。

由图 4-2还可以看出，在电 击穿 区域内，在 较宽的时间范围内油浸电工纸板 击穿电压 与 电压 作用时间几乎无关，只有在时间小于微秒级时 击穿电压 才随 电压 作用时间减小而升高，这一点与气体放电的伏秒特性很相似。其雷电冲击 击穿电 压 约为 工频击穿电压 的3倍。

4.2.2 电场均匀程度

均匀、致密的固体 介质 如处于均匀电场中，其 击穿电压 往往比较高，且 击穿电压 随 介质 厚度的增加近似地呈线性增加。若在不均匀电场巾，则 击穿电压 较均匀电场中降低，且随着 介质 厚度的增加使电场更不均匀， 击穿电压 也不再随 介质 厚度的增加而线性增加。当 介质 厚度的增加使散热困难时，又会促使发生热 击穿 ，这时靠增加 介质 厚度来提高 击穿电压 就没有多大的意义。

4.2.3温度

固体 介质 电 击穿 的场强很高，而与温度几乎无关，但其热 击穿电压 则随温度的升高而降低。由于环境温度高不利于固体 介质 的散热，会使热 击穿电压 下降。所以，用固体 介质 作 绝缘材料 的 电气设备 ，如果某处局部温度过高，在工作 电压 下就会有热 击穿 的危险。为了降低绝缘的温度，常采取一些散热措施，如加强风冷、油冷及加装散热器等。

4.2.4受潮

固体 介质 受潮会使 击穿电压 大大降低，其降低程度与 介质 的性质有关。对于不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性 介质 ，受潮后 击穿电压 仅降低一半左右；对于易吸潮的材料，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的 击穿电压 可能只有干燥时的百分之几或更低，这是因为电导率和 介质 损耗均大大增加的缘故。所以高压绝缘结构不但在制造时要注意除去水分，在运行中也要注意防潮，并定期检查受潮情况，一旦受潮必须进行干燥处理。

4.2.5 累积效应

固体 介质 在不均匀电场中，或者在雷电冲击 电压 下，其内部可能出现局部放电或者损伤，但并未形成贯穿性的 击穿 通道，但在多次冲击或 工频 试验 电压 作用下，这种局部放电或者伤痕会逐步扩大，这称为累积效应。显然，由于累积效应会使固体 介质 的绝缘性能劣化，导致 击穿电压 下降。因此，在确定 电气设备 试验 电压 和试验次数时应充分考虑固体 介质 的这种累积效应，在设计固体绝缘结构时亦应保证一定的绝缘裕度。

4.3固体电介质的老化

电 介质 在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理化学变化，从而使 介质 的物理、化学性能产生不可逆转的劣化，导致电 介质 的 电气 及机械 强度 下降， 介质 损耗及电导增大等，这一现象称为绝缘的老化。

引起绝缘老化的原因很多，主要有热的作用、电的作用、机械力的作用以及周围环境因素的影响，如受潮、氧、臭氧、氮氧化物、各种射线以及微生物的作用等。各种不同的因素除了本身能对绝缘产生老化作用外，还常常互相影响，加速老化过程，尽管老化过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，但从老化的特征上可将其大体划分为电老化和热老化两大类型。

4.3.1 固体介质的电老化

电老化主要是由于电场的作用所产生。根据电老化的性质不同，又可分为电离性老化、电导性老化和电解性老化。

1.电离性老化

电离性老化主要指绝缘内部存在的气隙或气泡在较强电场下发生电离而产生局部放电所引起的绝缘老化。

局部放电引起绝缘老化的机理被认为是：带电粒子对 介质 的撞击可使有机 介质 主链断裂，使高分子解聚或部分变成低分子；局部放电引起局部过热，高温使 绝缘材料 产生化学分解；局部放电产生的活性气体 O ₃ 、NO、NO ₂ 对 介质 的氧化和腐蚀，以及由局部放电产生的紫外线或X射线使 介质 分解和解聚；随后放电道通沿电场方向逐渐向绝缘深处发展，在某些高分 子 有机绝缘中常发展成树枝状，称为 “电树枝"。电树枝的不断发展最终将导致绝缘 击穿 。因此，许多高压 电气设备 都将局部放 电 水平作为检验其绝缘质量的重要指标。

绝缘中气隙或气泡引起局部放电的机理可以这样来解释：当固体 介质 内部含有气隙时，气隙及与其相串联的固体 介质 中的场强分布是与它们的 介电常数 成反比。气体 介质 的 介电常数 比固体 介质 的 介电常数 小得多，因此气隙中的电场 强度 要比固体 介质 中的电场 强度 高得多，而气体的 电气强度 又较固体 介质 低，所以当外加 电压 还远小于固体 介质 的 击穿电压 时，气隙中的气体就首先发生电离而产生局部放电。

下面对局部放电的发展过程作简单分析。

固体 介质 内部有单个小气隙时的等效电路如图 4-3所示。图中，C _g 为气隙的电容，C _b 是与气隙串联的固体 介质 的电容，C _a 是固体 介质 其余完好部分 的电容， Z为气隙放电脉冲的电源阻抗。一般情况下气隙较小，所以 C _b ≪ C _g ，且 C _b ≪ C _a 。

将瞬时值为 u的交流 电压 施加在固体 介质 时，C _g 上分得的 电压 为

当 u _g 随u增大到气隙的放电 电压 U _s 时，气隙放电。放电产生的正负电荷在外加电场作用下分别聚积在气隙与固体 介质 的上下交界面上，它们建立的电场与外加电场方向相反，从而使C _g 上的 电压 急剧下降到剩余 电压 U _r ，放电熄灭。但由于外加 电压 u还在上升，C _g 上的 电压 又随外加 电压 u充电到U _S ，开始第二次放电。同理，第二次放电产生的正负电荷所建立的电场与外加电场方向相反，所以C _g 上的 电压 会再次下降到剩余 电压 U _r ，放电熄灭。当外加 电压 u 不断下降时，气隙界面电荷产生的附加电场会超过外加电场，导致反向放电发生。依此类推，可以推出第四次、第五 次、第六次等放电出现的位置与放电的极性，如图 4-4(a)所示。因此，随着C _g 的充放电过程使局部放电重复发生，从而在电路中产生由局部放电引起的脉冲电流，如图4-4(b)所示，其频率范围在200～400kHz。

C _g 每次放电时，其放电电荷量为

其中： q _r 为真实放电量。由于C _g 、C _b 和C _a 实际上都是无法测定的，所以q _r 也无法测定。但是气隙放电引起的 电压 变动(U _s - U _r )会按反比分配在C _b 、C _a 上(因从气隙两端看C _b 、C _a 是相串联的)。设在C _a 上的 电压 变动为 ∆ u，则有

这就是说，当气隙放电时，固体 介质 两端的 电压 也会产生 电压 降落 ∆ u，这相当于固体 介质 放掉电荷q，即

其中： q为视在放电量。

通过电源充电在回路中形成电流脉冲。 ∆ u和q的值都是可以测量的，因此，通常将q作为度量局部放电 强度 的参数。从以上各式可以看出，q既是发生局部放电时试品电容所放掉的电荷，也是电容C _b 上的电荷增量。比较式(4-6)和式(4-8)可得

即视在放电量通常比真实放电量小得多，但 q与 q _r 呈线性关系，因此通过测量q可以相对地反映出 q _r 的大小。

实验研究表明，视在放电量，放电重复率和一次放电所消耗的能量是反映局部放电强弱的三个基本参数。

如前所述，在交流 电压 下，当外加 电压 较高时，局部放电在半周期内可以重复多次发生，而在直流 电压 下情况就不一样。由于直流 电压 的大小和方向均不变，所以一旦气隙产生放电，所产生的空间电荷建立的附加电场会使气隙中的电场削弱，导致放电熄灭，直到空间电荷通过 介质 内部的电导消散，使附加电场减小到一定程度后，才能开始第二次放电。由于电 介质 的电导很小，所以空间电荷的消散速度极慢。因此，在其他条件相同的情况下，直流 电压 下单位时间内的放电次数一般要比交流 电压 下小 3～4个数量级，从而使得 介质 在直流 电压 下的局部放电所产生的破坏作用远比交 流 电压 下小。

2. 电导性老化

电导性老化指某些高分子机合成 绝缘材料 内部在某些液态的导电物质 (最常见的是水分或制造过程中残留的某些电解质溶液)，在电场 强度 超过某一定值时，这些导电液就会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树枝状的痕迹，称为 “水树枝"，使 介质 的绝缘特性老化。

“水树枝"是由于水或其他电解液中的离子在交变电场作用下往复冲击 介质 ，使其疲劳损伤和化学分解，随之逐渐渗透扩散到 介质 深处所形成的。实践表明，产生 “水树枝"所需的电场 强度 要比产生 “电树枝"所需的场强低得多；“水树枝"一旦产生其发展速度也比“电树枝"快。

3.电解性老化

电解性老化指在所加 电压 还远低于局部放电起始 电压 的情况下，由于 介质 内部进行的化学过程 (尤其在直流 电压 下最为严重)造成对 介质 的腐蚀、氧化，使 介质 逐渐老化。当有潮 气侵入电 介质 时，由于水分本身就能离解出 H ⁺ 和O ^- 离子，则会加速电解性老化。随着温度的升高，化学反应速度加快，电解性老化的速度也随之加快。

4.3.2固体电介质的热老化

固体电 介质 的性能在长期受热的情况下逐渐劣化，失去原来的优良性能，称为热老化。热老化的主要过程为热裂解、氧化裂解以及低分子挥发物的逸出。热老化的特征大多数是使 介质 失去弹性、变硬、变脆，机械 强度 降低，也有些 介质 表现为变软、发黏、变形，失去机械 强度 ，与此同时 介质 的电导变大， 介质 损耗增加， 击穿电压 降低，绝缘性能变坏。

由于温度的升高将使热老化过程加速，所以根据热老化决定的绝缘寿命与绝缘的工作温度密切相关。国际电工委员会将各种电工 绝缘材料 按其耐热性能划分等级，并确定各级 绝缘材料 的最高持续工作温度，见表 41。

表 4-1                      电工绝缘材料的耐热等级

使用温度超过表 4-1的规定， 绝缘材料 将迅速老化，寿命大大缩短。实验表明，A绝缘的工作温度超过规定值8℃，则寿命大约缩短一半，这通常称为热老化的8℃规则。实际上对其他各级绝缘的温度规定值并不都是8℃，如B级绝缘为10℃，H极绝缘为12℃等。

有机 绝缘材料 在热的作用下发生着各种化学变化，包括氧化、热裂解和缩聚等，这些化学反应的速率决定了材料的热老化寿命。因此，可应用化学反应动力学推出材料寿命和温度的关系。在温度低于 绝缘材料 的上限工作温度时，有机绝缘由热老化所决定的绝缘寿命的近似计算式为

式中： T为实际使用温度下的绝缘寿命；A为标准使用温度下的绝缘寿命； θ 为绝缘的实际使用温度； θ ₀ 为绝缘的标定使用温度； α 为热老化系数，由绝缘的性质、结构等因素决定，对A绝缘 α 在0.065~0.12范围内。

为了获得最佳的经济技术效益，在当今的技术经济条件下，对大多数 电气设备 (如发电机、变压器、电动机等)绝缘的正常使用寿命一般认定为20～25年，由此就可以确定出该 设备 的标准使用温度。