影响固体击穿电压的因素和提高击穿电压的措施与老化

影响固体电介质的击穿电压的因素

1.电压作用时间

电压作用时间越长，击穿电压越低，而且对于大多数固体电介质来说存在着明显的分界点。当电压作用时间足够长，以致引起热击穿或电化学击穿时，击穿电压急剧下降。以常用的油浸电工纸板为例，如图3-24所示，以1min工频击穿电压(幅值)作为基准值(100%)，则在长期工作电压下的击穿电压值仅为其几分之一，而在雷电冲击电压作用下的击穿电压值为其300%以上。电击穿与热击穿的分界点时间为105~106μs，小于此值的击穿属于电击穿，因为在这段时间内，热与化学的影响都来不及起作用。在此区域内，在较宽的时间范围内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升高，这与气体放电的伏秒特性很相似。当时间大于105~106μs时，随加压时间的增加，击穿电压明显下降，这只能用发展较慢的热过程来解释，属于热击穿。当电压作用时间更长时，击穿电压仅为1min工频击穿电压(幅值)的几分之一，此时是由于绝缘老化，绝缘性能降低后发生了电化学击穿。

2，电场均匀程度和介质厚度

在均匀电场中，固体电介质的击穿电压要高于不均匀电场中的击穿电压，且其击穿电压随着介质厚度的增加近似地呈线性增加。在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不容易均匀，击穿电压不再随厚度的增加而线性增加。值得注意的一点是，当介质厚度增加到散热困难以致出现热击穿时，再靠继续增加厚度来提高击穿电压就没有多大意义了。

3. 温度

当环境温度较低时，固体电介质的击穿电压与温度几乎无关,属于电击穿。当环境温度高到一定程度，电击穿转为热击穿时，击穿电压大幅度下降。如图3-25所示为聚乙烯材料的击穿电压与介质周围环境温度关系的试验结果，试验曲线明显分为两个范围，周围温度在t0以下时，击穿电压与介质温度无关，属于电击穿；当周围温度超过t0后，击穿电压随温度的增加而明显下降，属于热击穿。且环境温度越高，热击穿电压越低。对于不同材料，临界温度t0是不同的，即使是同一材料，t0值也会因介质的厚度、冷却条件和所加电压性质等因素的不同而在很大范围内变动。

4.电压种类

在相同条件下，固体电介质在直流、交流和冲击电压下的击穿电压往往是不同的。在直流电压下，固体电介质的损耗(主要为电导损耗)比工频交流电压下的损耗(除电导损耗外，还包括极化损耗甚至还有游离损耗)小，电介质发热少，因此直流击穿电压比工频击穿电压(幅值)高。而在交流电压下，工频交流击穿电压要高于高频交流击穿电压，因为高频下局部放电严重，发热也严重，使其击穿电压低。在冲击电压下，由于电压作用时间极短，热的效应和电化学的影响来不及起作用，因此击穿电压比工频交流和直流下都高。

5.受潮

固体电介质受潮后其击穿电压的下降程度与材料的吸水性有关。对不易吸潮的电介质，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，受潮后击穿电压下降一半左右。对易吸潮的电介质，如棉纱、纸等纤维材料，受潮后击穿电压仅为干燥时的几百分之一。所以高压电气设备的绝缘在制造时应注意烘干，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。

6. 累积效应

由于固体电介质属于非自恢复绝缘，若每次施加某一电压时，都会使绝缘产生一定程度的损伤，那么在多次施加同样电压时，绝缘的损伤会逐步积累，这称为累积效应。显然，累积效应会使固体电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注意到这种累积效应，而在设计绝缘结构时也应留有一定的裕度。

7.机械负荷

均匀和致密的固体电介质在弹性限度内，击穿电压与其机械变形无关。但对某些具有孔隙的不均匀固体电介质，机械应力和变形对其击穿电压影响较大。机械应力可能使电介质中的孔隙减少或缩小，从而使击穿电压提高。也可能使某些原来较完整的电介质产生开裂、松散，如该介质放在气体中，则气体将填充到裂缝内，从而使击穿电压下降。

提高固体电介质的击穿电压的措施

1.改进绝缘设计

采用合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度与其所承担的场强有适当配合。改善电极形状及表面光洁度，尽可能使电场分布均匀。使边缘效应减小到低程度，改善电极与电介质的接触状态，消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差。改进密封结构，确保可靠密封等。

2.改进制造工艺

尽可能地清除固体电介质中残留的杂质、气泡、水分等，使固体电介质尽可能均匀致密。这可通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍(油、胶、漆等)等方法来达到。

3.改善运行条件

注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却(如自然通风、强迫通风、氢冷、汕冷、水内冷等)。

电介质的老化

电气设备的绝缘在运行中受到电场、高温、机械力等作用将产生一系列的化学、物理变化，以致机械性能逐渐变差，强度逐渐变弱，甚至丧失绝缘性能，这种过程称为电介质的老化。电介质的老化分为三类：由电场作用引起的电老化、由高温作用引起的热老化和由受潮所加速劣化的受潮老化。下面分别介绍三种老化的过程。

电老化

电老化分为局部放电老化、电导性老化和电解性老化三种类型。

1. 局部放电老化

介质内部不可避免地存在某些小气泡或气隙，它们可能是由于浸渍工艺不完善而在介质层间、介质与电极间或介质内部残留的，也可能是浸渍剂与介质材料的膨胀系数不同由温度变化所引起的。介质在运行中也可能分解出气体，形成小气泡。介质中的水分电离分解也能产生气泡。气体介质的相对介电常数接近1，比固体、液体介质的相对介电常数小得多，因而在交变电场作用下的场强就比邻近的固、液体介质中的场强大得多，而击穿场强又比固液体介质的低得多，所以最容易在这些气隙或气泡中产生局部放电。

局部放电将产生以下后果。

(1)带电粒子撞击气泡(或气隙)表面的介质，特别是对有机绝缘物，能使主链断裂，高分子解聚或部分变为低分子，介质的物理性能变差。

(2)局部温度升高，气泡膨胀，使介质开裂、分层、变酥，同时高温能使材料产生化学分解，使该部分电导和损耗变大。

(3)局部放电产生的O2和NO2等气体对有机物产生氧化侵蚀，使介质逐渐劣化。特别是介质受潮后，NO2还可能与潮气结合生成亚硝酸或硝酸，对介质及金属电极都会产生腐蚀。

(4)电场的局部畸变改变了介质的原有电场分布，使局部介质承受过高的场强。

通过上述多种效应的综合，将气泡周围的绝缘物分解、破坏(变酥、炭化等)，并沿电场方向逐渐向两极发展，最终导致绝缘被贯通击穿。

2.电导性老化

在交流电压作用下，在某些高分子有机合成的固体介质中存在另外一种性质的老化，它不是由气泡游离造成的，而是由液态的导电物质所引起的。如果在两电极的绝缘层中或在固体介质与电极的交界面处存在某些液态的导电物质(如水或在介质制造过程中残留下来的某些电解质溶液)，当该处电场强度超过某一临界值时，这些溶液便会在电场力的作用下沿着电场的方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树状的导电泄痕，称为“水树枝”，最终导致绝缘层击穿。

产生“水树枝”的机理是水或其他电解液中的离子在交变电场作用下往复撞击绝缘物，使其疲劳损坏和化学分解，电解液便随之逐渐渗透扩散到介质深处，形成“水树枝”。

3.电解性老化

在直流电压作用下，即使所加电压远低于局部放电起始电压，由于介质内部进行着电化学过程，介质也会逐渐老化，最终导致击穿。电介质的电导主要是介质中的杂质分子离解后沿电场方向迁移引起的, 具有电解的性质。介质中往往存在某些金属和非金属离子。正电荷的金属离子到达阴极被中和电量后，形成金属原子沉积在阴极表面，逐渐形成从阴极向阳极延伸的金属性导电通道。这个过程对电介质层很薄的电容器绝缘危害尤其大。介质中的非金属性离子如H+、O-、CI-等迁移到电极被中和电量后，形成活性的该类物质原子。它们或是再与介质分子起化学反应，形成新的有害化合物，使介质受到破坏；或是与金属电极起化学反应，形成对金属电极的腐蚀；或是以分子的形式存在，行成小气泡。

实践证明，即使是无机介质，如陶瓷、玻璃、云母等，在直流电压作用下也存在显著的电解性老化。当有潮气浸入电介质时，水分本身就能离解出H+和O-离子，加速电解性老化。温度升高会使化学和电化学反应加速，电解性老化也随之加快。

4.电老化对绝缘寿命的影响

经验表明，在介质工作温度恒定的条件下，如果外施电场强度E不致使介质中出现显著的局部放电，则由电老化所决定的固体绝缘的寿命平均值τ与E的关系在多数情况下满足：

式(3-21)两边取对数得：

式中：K为与介质材料、绝缘结构有关的常数；n为与介质材料、绝缘结构有关的表示老化速度特性的指数。

式(3-22)在对数坐标系下为一直线，如图3-26所示。可以利用这一曲线来推算当场强提高时介质的平均寿命值。

热老化

电介质长期工作在较高温度下，由于受热使固体介质变硬，失去弹性，变脆，发生龟裂，机械强度降低，受振动时易脱落、磨损，甚至变成粉状。也有些固体介质变软、发黏、丧失机械强度。变压器油的酸价上升、颜色加重等使电气性能逐渐劣化，称为电介质的热老化。其原因是在较高温度下，电介质内部发生了缓慢的热解裂、氧化裂解以及低分子化合物逸出等化学变化。

影响热老化的主要因素除了温度及在此温度下的工作时间外，还有介质所处环境的湿度、压力、氧的含量、电场强度和机械载荷的大小。

当存在水分及空气时，纸的热解裂将加速。若使用矿物油加以浸渍，使空气进入纸中受阻，这样可以大大降低老化速度。但在某些情况下，由于纤维素分解时在油中生成的产物(如有机酸、过氧化物等)又降低了上述措施的效果。

在没有外力作用的情况下，热老化几乎不改变介质的短时绝缘强度，但在实际运行中介质在受热的同时也要受到机械应力和电动力的作用，常常造成损伤，从而导致击穿的后果。

由于温度直接影响热老化的进程，即影响绝缘的寿命，为了保证设备绝缘的使用寿命必须规定各类绝缘材料的最高允许工作温度。国际电工委员会根据不同材料的耐热性划分成耐热等级，并确定各等级绝缘材料的最高持续工作温度，见表3-2。

表3-2 电工绝缘材料的绝缘等级

使用温度如超过表3-2中所规定的温度，介质将迅速老化，寿命大大缩短，如图3-27所示。由图3-27可见，绝缘等级越低，绝缘的热寿命受温度的影响越敏感。例如绝缘材料，温度每增高8℃，则寿命缩短一半。B级绝缘材料和H级绝缘材料，当温度分别升高10℃和12℃时，热寿命缩短一半。这个规律通常称为热老化的8℃规则、10℃规则和12℃规则。油的热老化主要是氧化过程引起的，为了延长油的使用寿命，首先要防止油与空气接触。对于电容器、电缆及某些类型的套管，可以采用全封闭的方法，以延长寿命。对于电力变压器等油量较多的电气设备，通常备有油膨胀器(如变压器的油枕)，在油面和器壁的空间用充氮的方法避免油与空气接触。也可以在油中加入少量的抗氧化剂，使油的老化速度减缓。

受潮老化

介质受潮将导致其电导和损耗增大，因而会使绝缘材料进一步发热，导致热老化速度加快。此外，水分的存在使化学反应更加活跃，产生气体，形成气泡，引起局部放电。在直流电压作用下，电导增大，使局部放电形成的反电场场强下降加快，因而使单位时间内的放电次数增加，使电老化加速。所以受潮将使绝缘材料的使用寿命缩短。

为了防止和限制绝缘在运行中受潮，要采取一定的措旋，如对纤维材料要用浸渍剂浸渍，使气孔封闭。但一般的浸渍剂难以进入微气孔，所以浸渍只能限制而不能防止受潮。因此，近年来特别重视发展密封的绝缘结构。鉴于受潮对绝缘的危害性，对电气设备必须定期检查绝缘的受潮情况。