高電壓技術(shù)—固體電介質(zhì)的擊穿了解原子的結(jié)構(gòu)及電離的概念學(xué)習(xí)目標(biāo)能把提高固體介質(zhì)擊穿電壓措施應(yīng)用在工程實(shí)踐上知曉固體介質(zhì)的三種擊穿形式及特點(diǎn)知曉、領(lǐng)會(huì)影響固體介質(zhì)擊穿的主要因素了解固體介質(zhì)的作用、分類及特點(diǎn)01固體電介質(zhì)的擊穿理論概述一.固體電介質(zhì)的擊穿1.固體電介質(zhì)的固有耐電強(qiáng)度比氣體和液體電介質(zhì)高。通常，空氣的耐電強(qiáng)度一般在3kV/mm~40kV/mm左右；液體的耐電強(qiáng)度在10kV/mm~20kV/mm；而固體的耐電強(qiáng)度在十幾~幾百kV/mm2.固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后其絕緣性能不能恢復(fù)。固體電介質(zhì)擊穿后會(huì)出現(xiàn)燒焦或熔化的通道、裂縫等，即使去掉外施電壓，也不能像氣體、液體電介質(zhì)那樣恢復(fù)絕緣性能，屬于非自恢復(fù)絕緣。1、電擊穿與氣體擊穿過程相似。作用時(shí)間短，擊穿電壓高。2、熱擊穿由熱不穩(wěn)定過程造成的。3、電化學(xué)擊穿作用時(shí)間長，擊穿電壓低擊穿形式：一.固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系電擊穿機(jī)理固體電介質(zhì)的電擊穿理論與氣體的擊穿相似，認(rèn)為是在強(qiáng)電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部少量的帶電質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離形成電子崩，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時(shí)，破壞了固體電介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?.電擊穿一.固體電介質(zhì)的擊穿電擊穿特點(diǎn)電壓作用時(shí)間短；擊穿電壓高；擊穿電壓與環(huán)境溫度無關(guān)；電場均勻程度對擊穿電壓影響很大。1.電擊穿一.固體電介質(zhì)的擊穿熱擊穿是由于固體電介質(zhì)內(nèi)部的熱不穩(wěn)定過程造成的。在長期電壓作用下，由于電導(dǎo)和極化損耗的存在，使介質(zhì)發(fā)熱升溫，而電介質(zhì)電導(dǎo)具有正的溫度系數(shù)，溫度升高電導(dǎo)變大，損耗發(fā)熱也隨之增大。如果散熱條件不好或電壓達(dá)到某一臨界值，使發(fā)熱量超過散熱量，則介質(zhì)的溫度會(huì)不斷上升，以致引起電介質(zhì)分解、炭化或燒焦，最終擊穿。熱擊穿機(jī)理2.熱擊穿一.固體電介質(zhì)的擊穿熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降；隨外施電壓作用時(shí)間的增長而下降；隨外施電壓頻率的增高而下降；周圍媒質(zhì)的散熱條件越差，熱擊穿電壓越低；固體電介質(zhì)的厚度增加或其tgδ增大，都會(huì)使介質(zhì)發(fā)熱量增大，導(dǎo)致熱擊穿電壓下降。熱擊穿特點(diǎn)2.熱擊穿一.固體電介質(zhì)的擊穿電化學(xué)擊穿機(jī)理電介質(zhì)在運(yùn)行中長期受到電、熱、化學(xué)和機(jī)械力等的聯(lián)合作用，使其物理、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化，最終導(dǎo)致?lián)舸?.電化學(xué)擊穿一.固體電介質(zhì)的擊穿電化學(xué)擊穿特點(diǎn)電化學(xué)擊穿是固體電介質(zhì)在電壓長期作用下劣化、老化而引起的，它與固體電介質(zhì)本身的制造工藝、工作條件等有密切關(guān)系，擊穿電壓比電擊穿和熱擊穿更低，甚至在工作電壓下都可能發(fā)生。3.電化學(xué)擊穿一.固體電介質(zhì)的擊穿思考1.在雷電沖擊作用下的固體電介質(zhì)往往以哪種形式擊穿？2.在高溫環(huán)境下或受潮時(shí)固體電介質(zhì)往往以哪種形式擊穿？3.在長期工作電壓作用下的固體電介質(zhì)往往以哪種形式擊穿？4.固體電介質(zhì)的厚度增加，越容易發(fā)生哪種形式的擊穿？一.固體電介質(zhì)的擊穿02影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素影響因素影響因素電壓作用時(shí)間電場均勻程度和介質(zhì)厚度溫度電壓種類受潮累積效應(yīng)機(jī)械負(fù)荷1.電壓作用時(shí)間1-66電壓作用時(shí)間越長，擊穿電壓越低，而且對于大多數(shù)固體電介質(zhì)來說存在著明顯的分界點(diǎn)。當(dāng)電壓作用時(shí)間足夠長，以致引起熱擊穿或電化學(xué)擊穿時(shí)，擊穿電壓急劇下降。1-66二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素2.電場均勻程度和介質(zhì)厚度在均勻電場中，固體電介質(zhì)的擊穿電壓要高于不均勻電場中的擊穿電壓，且其擊穿電壓隨著介質(zhì)厚度的增加近似地成線性增加。在不均勻電場中，介質(zhì)厚度越大，電場越不容易均勻，擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性增加。值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)介質(zhì)厚度增加到散熱困難以致出現(xiàn)熱擊穿時(shí)，再靠繼續(xù)增加厚度來提高擊穿電壓就沒有多大意義了。二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素3.溫度工頻電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)：固體電介質(zhì)擊穿電壓與溫度幾乎無關(guān)，屬于電擊穿；當(dāng)環(huán)境溫度高到一定程度：電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿，擊穿電壓大幅度下降。且環(huán)境溫度越高，熱擊穿電壓越低。不同材料，臨界溫度t0不同即使同一材料，t0值也因介質(zhì)厚度、冷卻條件和所加電壓性質(zhì)等因素的不同而在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素4.電壓種類在相同條件下，固體電介質(zhì)在直流、交流和沖擊電壓下的擊穿電壓往往是不同的。在直流電壓下，固體電介質(zhì)的損耗（主要為電導(dǎo)損耗）比工頻交流電壓下的損耗（除電導(dǎo)損耗外，還包括極化損耗甚至還有游離損耗）小，電介質(zhì)發(fā)熱少，因此直流擊穿電壓比工頻擊穿電壓（幅值）高。而交流電壓下，工頻交流擊穿電壓要高于高頻交流擊穿電壓，因?yàn)楦哳l下局部放電嚴(yán)重，發(fā)熱也嚴(yán)重，使其擊穿電壓最低。在沖擊電壓下，由于電壓作用時(shí)間極短，熱的效應(yīng)和電化學(xué)的影響來不及起作用，因此擊穿電壓比工頻交流和直流下都高。沖擊電壓＞直流電壓＞工頻交流電壓＞高頻電壓二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素5.受潮1.固體介質(zhì)受潮后其擊穿電壓的下降程度與材料的吸水性有關(guān)。2.對不易吸潮的電介質(zhì)，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，受潮后擊穿電壓下降一半左右；3.對易吸潮的電介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，受潮后擊穿電壓僅為干燥時(shí)的幾百分之一。二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素6.累積效應(yīng)固體電介質(zhì)屬于非自恢復(fù)絕緣，每次施加某一電壓時(shí)，都會(huì)使絕緣產(chǎn)生一定程度的損傷，在多次施加同樣電壓時(shí)，絕緣的損傷會(huì)逐步積累，稱為累積效應(yīng)。累積效應(yīng)使固體電介質(zhì)的絕緣性能劣化，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆怠槭裁唇^緣出廠試驗(yàn)高于預(yù)防性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素7.機(jī)械負(fù)荷均勻和致密的固體電介質(zhì)在彈性限度內(nèi)，擊穿電壓與其機(jī)械變形無關(guān)但對某些具有孔隙的不均勻固體電介質(zhì)，機(jī)械應(yīng)力和變形對其擊穿電壓影響較大。機(jī)械應(yīng)力可能使電介質(zhì)中的孔隙減少或縮小，從而使擊穿電壓提高；也可能使某些原來較完整的電介質(zhì)產(chǎn)生開裂、松散，如該介質(zhì)放在氣體中，則氣體將填充到裂縫內(nèi)，從而使擊穿電壓下降。二.影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素03提高固體電介質(zhì)的擊穿電壓的措施三.提高固體電介質(zhì)的擊穿電壓的措施1.改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度與其所承擔(dān)的場強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜希桓纳齐姌O形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻。使邊緣效應(yīng)減小到最小程度改善電極與電介質(zhì)的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，確保可靠密封等。2.改進(jìn)制造工藝環(huán)氧樹脂真空澆注罐盡可能地清除固體電介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使固體電