绝缘材料放电:固体电介质的击穿

固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系
固体介质的击穿常见有电击穿热击穿电化学击穿三种形式。其击穿电场强度与电压作用时间的关系及不同击穿形式的范围如下图所示。固体电介质击穿后,出现烧焦或熔化的通道裂缝等,即使去掉外施电压,也不像气体、液体电介质那样,能自己恢复绝缘性能(指气体或液体绝缘在电弧作用下还没有发生强烈的化学变化之前)。

电击穿

固体电介质电击穿的理论是以在介质中发生碰撞电离为基础的。它不包括由边 缘效应、介质劣化等因素引起的击穿。

固体电介质的中间存在少量处于导电能量状态的电子(传导电子)。它在电场加速下将与晶格点上的原子碰撞,但因固体介质中的原子相互联系十分紧密,所以必须考虑传导电子与晶格碰撞。

由碰撞电离引起击穿有下述两种解释:固体击穿理论是考虑单位时间传导电子从电场中获得的能量与单位时间内由于碰撞而失去的能量之间,因不平衡而引起击穿;另一种击穿理论则认为:传导电子由电场作用得到了可使晶格原子电离的能量,产生了电子崩,当电子崩发展到足够强时,引起固体电介质击穿。

电击穿的特点:电压作用时间短,击穿电压高,电介质温度不高;击穿场强与电场均匀程度有密切关系,而与周围环境温度的高低几乎无关。

热击穿

固体电介质热击穿的概念是:电介质在电场作用下,固体介质分子极化、电导过程中产生介质损耗,引起发热,使介质温度升高,而介质的电阻具有负的温度系数,即温度上升时电阻将变小,这又会使电流进一步增大,损耗发热亦随之增方。因此,如果介质中发生的热量比散发的热量大时,介质温度将不断上升,进而弓j起介质分解、炭化,使其绝缘特性完全丧失即发生了热击穿。热量传递给周围固体介质分子,这些分子受热加快运动,并在电场作用下电导加快,加快击穿。若在电介质所能耐受的温度下,建立了平衡,则热击穿就不会发生。

热击穿的特点

  1. 击穿电压随周围媒质温度增加而降低。
  2. 材料厚度增加,由于散热条件变坏而击穿场强降低。
  3. 电源频率越高,介质损耗越大,击穿电压降低。
  4. 击穿一般发生于材料最难以向周围媒质散热的部分,例如材料的中心。而击穿处有烧坏或熔化的痕迹。

电化学击穿

固体电介质的电化学击穿的主要概念是:在电场作用下,由于电极和电介质接触处的空气隙或由于在介质中的气孔,气孔中还有空气和水分子,这些气孔电场集中、电场强度高,电场强度先在气隙或气孔上击穿,将其中的水分子、空气分子先行击穿电离,形成臭氧O3、碱性OH、二氧化氮NO2,这些极具腐蚀性的不稳定离子很快与周围固体介质分子发生化学反应,致使其性能发生变化,增大了局部的电导或介质损耗,从而降低了介质的绝缘性能。在足够长时间的作用下,绝缘性能完全丧失,也就是发生了电化学击穿。

电化学击穿的过程,首先电介质在电场作用下发生化学反应,引起电介质的老化。然后再发生具有热击穿特点的电化学击穿。

固体介质的电击穿、热击穿和电化学击穿是不能截然分开的,往往同时存在,如带电作业工具1min工频耐压试验的击穿应有电和热的联合作用。

影响固体电介质电击穿的因素

影响固体介质击穿电压的主要因素有:电压种类(交流、直流、冲击)、电压作用时间、周围电场的均匀程度、累积效应、温度、受潮和机械负荷等。

如下图表明了常用固体介质在较长期电压作用下,击穿场强的下降情况。其中号称“塑料之王”的聚四氟乙烯,可以耐受很高的温度,短时击穿场强也高,但是由于耐受局部放电的性能比较差,在长期的局部放电作用下绝缘性能会迅速劣化。在长期工作电压下,击穿电压仅为工频1min耐压时的几分之一。这说明,由于局部放电对介质的损害,使其中出现了电化学击穿。很多有机绝缘材料都有这种缺点。

用固体介质在较长期电压作用下,击穿场强的下降情况

常用固体介质在较长期电压作用下,击穿场强的下降情况

如图下图所示,温度为某一数值t0°C以下时,固体介质的击穿场强很高,而且与温度几乎无关,属于电击穿,在t0°C以上时,周围温度越高,散热条件越差,热击穿电压越低。对于不同材料,此转折温度t0°C是不同的;即使同一材料,如果尺寸越大,散热越困难,t0°C就可能出现在更低的温度范围,即在周围温度较低时,就出现了热击穿。

1mm厚的玻璃在工频下的击穿电压与绝对温度的关系

1mm厚的玻璃在工频下的击穿电压Ub与绝对温度T的关系

均匀致密的固体介质如处于均匀电场中,其击穿电压往往较高,而且与固体介质的厚度近似成直线关系如图下图所示;如果在不均匀电场中,则随着介质厚度的增加,电场更不均匀,击穿电压已不随厚度的增加而直线上升,这时击穿电压和电场分布的不均匀程度有关。

聚酯薄膜在室温下击穿电压与厚度的关系

聚酯薄膜在室温下击穿电压与厚度的关系

常用的固体介质往往不很均匀致密,即使处于均匀电场中,由于气孔或其他缺陷都将使电场畸变,最高场强常是集中在缺陷处,使气体中先产生局部放电,也会逐渐损害到固体介质。经过干燥、浸油等工艺过程让矿物油充满空气隙,则允许工作场强可明显提高。

介质的冲击击穿电压常大于其工频击穿电压,而且其直流击穿电压也常比工频击穿电压(幅值)要高得多,其原因是直流电压下固体介质的损耗小并且局部放电 也较弱。相反,高频电压会使局部放电加强,介质损耗增大,引起严重发热,容易导致介质发生热击穿;另外,局部放电引起的绝缘劣化则容易过早引发介质内部电化学击穿

在不均匀电场中,强烈的局部放电常使固体介质受到损伤。因为固体介质不能自行恢复局部放电等因素造成的损伤,而且被损伤的部位将作为绝缘薄弱之处在下次的电压作用下进一步受到放电损伤,如此不断积累,最终使介质击穿。这就是累积效应。材料受潮或开裂等都将使绝缘介质的击穿电压显著下降。

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