提高材料擊穿電壓和擊穿強度的方法

提高固體電介質擊穿電壓的方法

【摘 要】文章介紹提高固體電介質擊穿電壓的方法。通過功能概述、要點歸納，掌握提高固體電介質擊穿電壓常用方法和措施。

【關鍵詞】介質擊穿；絕緣

在強電場作用下，固體電介質喪失電絕緣能力而由絕緣狀態突變為良導電狀態。導致擊穿的低臨界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場中，擊穿電壓與固體電介質厚度之比稱為擊穿電場強度（簡稱擊穿場強，又稱介電強度），它反映固體電介質自身的耐電強度。不均勻電場中，擊穿電壓與擊穿處固體電介質厚度之比稱為平均擊穿場強，它低于均勻電場中固體電介質的介電強度。

1、擊穿形式

根據擊穿的發展過程，固體電介質的擊穿可分為3種形式：電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿，同一種電介質中發生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素。隨著擊穿過程中固體電介質內部的變化，擊穿過程可以從一種形式轉變為另一種形式。

1.1 電擊穿

取決于固體電介質中碰撞電離的一種擊穿形式。電場使電介質中積聚起足夠數量和足夠能量的帶電質點，導致電介質喪失絕緣性能。對于電擊穿有以下幾種不同的理論解釋：本征擊穿、電子崩擊穿和電致機械應力擊穿，通常以本征擊穿代表電擊穿，所以電擊穿有時又稱本征擊穿。本征擊穿過程所需時間為10-8s數量級，擊穿場強大于1MV/cm。

1.2 熱擊穿

在電場作用下，固體電介質承受的電場強度雖不足以發生電擊穿，但因電介質內部熱量積累、溫度過高而導致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態突變為良導電狀態。

1.3 電化學擊穿

在電場、溫度等因素作用下，固體電介質發生緩慢的化學變化，性能逐漸劣化，最終喪失絕緣能力，從而由絕緣狀態突變為良導電狀態。電化學擊穿過程包括兩部分：因固體電介質發生化學變化而引起的電介質老化；與老化有關的擊穿過程。

固體電介質發生緩慢化學變化的原因多種多樣。直流電壓下，固體電介質因離子電導而發生電解，結果在電極附近形成導電的金屬樹枝狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極。在電場作用下，固體電介質內部的氣泡中，或不同固體電介質之間的氣隙或油隙中，會發生局部放電。與固體電介質接觸的電極邊緣場強較強的局部區域內如有氣體或液體電介質，這里也會發生局部放電。局部放電的長期作用會使固體電介質逐步損壞。

電場越強，溫度越高，電壓作用時間越長，固體電介質的化學變化進行得越強烈，其性能的劣化也越嚴重。

固體電介質的化學變化通常使其電導增加，這會使固體電介質的溫度上升，因而電化學擊穿的最終形式是熱擊穿。

影響因素：影響固體電介質擊穿電壓的主要因素有：電場的不均勻程度，作用電壓的種類及施加的時間，溫度，固體電介質性能、結構，電壓作用次數，機械負荷，受潮等。

2、提高固體擊穿電壓的方法：

（1）改進制造工藝，使介質可能做到均勻致密。

（2）改進絕緣設計，使電場分布均勻。

（3）改善絕緣的運行條件。

3、提高固體擊穿電壓的具體措施：

（1）通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強油浸（油、膠、漆），以清除固體電介質中殘留的雜質、氣泡、水分等。

如電力電容器內部的浸漬劑主要作用是填充固體絕緣介質的空隙，以提高介質的耐電強度，改善局部放電特性和增強散熱冷卻的能力。由于電容器絕緣介質的工作電場強度較高，同時冷卻條件較差，因此對浸漬的技術性能要求較高。目前采用表面粗化薄膜，并在高真空下浸漬而形成的全膜電容器已廣泛應用。

紙絕緣電纜在運行過程中，由于黏性浸漬劑的熱膨脹系數大，在負荷、溫度有變動體積改變明顯，而鉛鋁護套受熱后冷卻難以恢復原有尺寸，絕緣內部容易形成氣隙。故黏性浸漬電纜僅適用于35KV以下交流系統。

更高電壓的油紙電纜選用黏度較低的電纜油浸漬，并加以油壓，以減小油中氣隙，提高絕緣強度。由于薄紙的電氣強度高，通常包纏用的紙帶改用0.045～0.075mm的薄紙來代替常用的0.12mm厚的電纜紙。隨著絕緣材料的發展，用烷基苯等合成油來代替電纜油，用薄膜-纖維合成紙來代替電纜紙。

（2）采取合理的絕緣結構。使各部分絕緣的耐電強度與其承受的場強相匹配；改善電極形狀及表面光潔度，是電場分布均勻；改善電極與絕緣體的接觸狀態，消除接觸觸電的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差，如用半導體漆。

帶絕緣（總包絕緣）的三相交流電纜方式，電場屬非同軸圓柱分布，平行于紙層方向將出現較強的切線分量，從而容易出現滑閃放電。故10KV以上的三芯電纜不用帶絕緣結構而改用分相鉛包（或屏蔽）的，若線芯及金屬護層表面均光滑，其間絕緣層中的電場分布近于同軸圓柱體電場，電場分布較為均勻。

交流110KV及以上的高壓套管常用電容式套管，它是在導電桿上包以多層絕緣紙構成，在層間按設計要求位置加有鋁箔，以起到均壓作用。

油浸式變壓器中常用的絕緣紙有兩種：①電纜紙（通常用0.08～0.12mm厚），主要用于導線絕緣、層間絕緣及引線絕緣等；②更薄的電話紙和更柔軟的皺紋紙有利于包緊出線頭、引線等。絕緣紙板常用作繞組間的墊塊、隔板等，或制成絕緣筒及對鐵軛的角環等。在電場很不均勻的區域，如對鐵軛或高壓引線絕緣，也采用由紙漿制成合適形狀的絕緣成型件，以改善電場分布，防止發生沿面滑閃放電。通常變壓器繞組與鐵軛間的電場不如繞組中部均勻，故高壓進線布置在繞組中部，若需將高壓引線（或自耦變壓器的中壓引線）安置在繞組端部時，需要加進靜電板以改善繞組近端部處的電場分布。靜電板是在絕緣環上用金屬帶包纏成一個具有較大曲率半徑的不閉合金屬環，再包以很厚的絕緣層。

（3）在運行中，注意防止塵污、防潮和有害氣體的侵蝕，加強散熱冷卻，如自然通風、強迫通風、氫冷、油冷、水內冷等措施。如油、紙絕緣的配合使用，可以彌補各自缺點，顯著增強絕緣性能，但紙纖維為多孔性的極性介質，極易吸收水分，即使經過干燥油浸處理仍會吸潮。因此，在出廠前變壓器內纖維的含水量應降低到0.3%～0.5%，在現場如需吊芯，務必選擇晴朗干燥天氣，盡量縮短暴露時間。對于長期停運的變壓器再重新投入前，需檢查是否受潮，有時還可以先預熱干燥后再投入運行。