固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的擊穿特性

固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度一般都比空氣的電氣強(qiáng)度高得多，其用作內(nèi)絕緣可以大大減小電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，因此被廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣和絕緣支撐等。最常見的固體電介質(zhì)有絕緣紙、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維板、云母、電瓷、硅橡膠及塑料等，應(yīng)用得最多的液體電介質(zhì)是變壓器油。固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)與氣體電介質(zhì)的電氣特性有很大不同。首先固體及液體的有機(jī)介質(zhì)在運(yùn)行過程中會(huì)逐漸發(fā)生老化，從而影響絕緣的電氣強(qiáng)度和壽命；其次固體電介質(zhì)一旦發(fā)生擊穿即對(duì)絕緣造成不可逆轉(zhuǎn)性破壞，故稱其為非自恢復(fù)絕緣；固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理與氣體電介質(zhì)也不同。雖然目前人們對(duì)固體和液體電介質(zhì)擊穿過程的理解不如氣體的那么清楚，但已經(jīng)提出了幾種不同的擊穿機(jī)埋。

4.1固體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理

在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)的擊穿可能會(huì)因電的作用、熱的作用或電化學(xué)的作用所引起，因此擊穿過程比較復(fù)雜。

4.1.1 電擊穿

固體電介質(zhì)的電擊穿是指僅由于電場(chǎng)的作用而直接造成固體絕緣擊穿的物理現(xiàn)象。

關(guān)于固體電介質(zhì)電擊穿的機(jī)理有種種理論和假設(shè)，歸結(jié)起來即認(rèn)為在強(qiáng)電場(chǎng)下固體電介質(zhì)內(nèi)部存在的少量帶電粒子作劇烈的運(yùn)動(dòng)，與固體電介質(zhì)晶格結(jié)點(diǎn)上的原子發(fā)生碰撞電離，形成電子崩，從而破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)增大而導(dǎo)致擊穿。

電擊穿的主要特點(diǎn)是擊穿電壓與周圍環(huán)境溫度無關(guān)，與電壓作用時(shí)間也關(guān)系不大，介質(zhì)

形成電子崩，從而破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)增大而導(dǎo)致擊穿。

電擊穿的主要特點(diǎn)是擊穿電壓與周圍環(huán)境溫度無關(guān)，與電壓作用時(shí)間也關(guān)系不大，介質(zhì)發(fā)熱不顯著；但電場(chǎng)的均勻程度對(duì)擊穿電壓影響很大。電擊穿所需的場(chǎng)強(qiáng)比較高，一般可達(dá)10⁵～10⁶kV/m。當(dāng)介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電時(shí)，固體電介質(zhì)所發(fā)生的擊穿一般為電擊穿。

4.1.2 熱擊穿

熱擊穿是由于電介質(zhì)內(nèi)部的熱不穩(wěn)定所造成的。當(dāng)固體電介質(zhì)較長(zhǎng)時(shí)間地處在外電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部的損耗而發(fā)熱，致使溫度升高，從而使介質(zhì)的電導(dǎo)和tanδ都增大，這反過來又使溫度進(jìn)一步升高。若到達(dá)某一溫度后，發(fā)熱量等于散熱量，介質(zhì)的溫度則停止上升而處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)將不致引起絕緣強(qiáng)度的破壞。然而，這種熱穩(wěn)定狀態(tài)不是在任何情況下都能建立的。如果散熱條件不好，或電壓達(dá)到某一臨界值，使絕緣的發(fā)熱量總是大于散熱量，這時(shí)將會(huì)使介質(zhì)的溫度不斷升高，直至介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，造成熱破壞而喪失其絕緣性能，這就是熱擊穿的過程。

在交流電壓作用下，單位體積介質(zhì)的功率損耗P隨溫度的升高增大，且關(guān)系式為

式中：tanδ₀為溫度t₀時(shí)的介質(zhì)損耗角正切；t為溫度；δ為與介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；C為絕緣結(jié)構(gòu)的電容；U為外加電壓。

單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量Q₁與介質(zhì)損耗功率P成正比，即

即                    

式中：A為比例常數(shù)。

假定產(chǎn)生的熱量只能從電極兩邊散出，則單位時(shí)間內(nèi)散出的熱量Q₂為

式中：σ為散熱系數(shù)；S為散熱面積。

Q₁和Q₂與溫度的關(guān)系可用圖4-1來表示。由于體電介質(zhì)的tanδ隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，故Q₁也隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升(圖1-1中曲線1~3)，Q₂則與溫度呈線性關(guān)系(見圖4-1中曲線4)。在不同的外加電壓下，可畫出不同的發(fā)熱曲線Q₁(U₁)、Q₁(U₂)、Q₁(U₃)，此處U₁＜U₂＜U₃。顯然，只有發(fā)熱量和散熱量處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，即Q₁=Q₂，介質(zhì)才會(huì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，具有某一穩(wěn)定的工作溫度，不會(huì)發(fā)生熱擊穿。

由圖4-1可見，當(dāng)電壓為較低值U₁時(shí)，相應(yīng)的發(fā)熱曲線Q(U₁)與Q₂相交于A點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的溫度為t_A，A點(diǎn)為穩(wěn)定的工作點(diǎn)。一旦介質(zhì)溫度上升，t＞t_A，則由于散熱量大于發(fā)熱量，將使溫度下降到t_A；t＜t_A，則由于發(fā)熱量大于散熱量又會(huì)使溫度再回升到t_A，所以介質(zhì)就有一個(gè)穩(wěn)定的工作溫度t_A，不會(huì)引發(fā)熱擊穿。

當(dāng)電壓升高到U₂時(shí)，相應(yīng)的發(fā)熱曲線Q₁(U₂)與Q₂相切于K點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于K點(diǎn)的溫度為t_K， K點(diǎn)是不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，僅僅在t=t_K時(shí)才達(dá)到熱平衡。如果有偶然因素使介質(zhì)溫度略有升高，則由于Q₁＞Q₂而使溫度繼續(xù)升高，直到發(fā)生熱擊穿，因此，可以將電壓U₂看作是發(fā)生熱擊穿的臨界電壓值。這是因?yàn)楫?dāng)U＞U₂時(shí)，曲線Q₁(U₃)不再與Q₂有交點(diǎn)，這時(shí)不論在什么溫度下總是發(fā)熱大于散熱，使介質(zhì)的溫度不斷上升，必然會(huì)造成熱擊穿。

熱擊穿的主要特點(diǎn)是擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降，擊穿電壓直接與介質(zhì)的散熱條件相關(guān)。由于厚度大的介質(zhì)散熱困難，所以熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加。熱擊穿需要熱量的積累，而熱量的積累需要時(shí)間，因此加壓時(shí)間短時(shí)，熱擊穿電壓將增高。此外，電壓頻率或介質(zhì)的tanδ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。

4.1.3 電化學(xué)擊穿

固體電介質(zhì)在長(zhǎng)期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電，產(chǎn)生活性氣體O₃、NO、NO₂，對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，同時(shí)產(chǎn)生熱量引起局部發(fā)熱，以及在局部放電過程中帶電粒子的撞擊作用，導(dǎo)致絕緣劣化或損傷，使其電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。電化學(xué)擊穿是一個(gè)復(fù)雜而緩慢過程，在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處損耗增加，溫度過高而以熱擊穿形式完成；也可能因介質(zhì)劣化后電氣強(qiáng)度下降，而以電擊穿形式完成。

在電化學(xué)擊穿中，還有一種樹枝狀或叢狀放電的情況，這通常是發(fā)生在有機(jī)絕緣材料(如交聯(lián)聚乙烯)的場(chǎng)合。當(dāng)有機(jī)絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出現(xiàn)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)時(shí)，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀或叢狀放電，并在有機(jī)固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的放電痕跡，這就是樹枝狀放電劣化。在交流電壓下，樹枝狀放電劣化是局部放電產(chǎn)生的帶電粒子沖撞固體介質(zhì)引起電化學(xué)劣化的結(jié)果。在沖擊電壓下，則可能是局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過了材料的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)所致。

4.2影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素

影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素很多，下面僅對(duì)主要影響因素作一些介紹。

4.2.1 電壓作用時(shí)間

以常用的油浸電工紙板為例，如圖4-2所示，以其1min工頻擊穿電壓(峰值)為基準(zhǔn)值(100%)，縱坐標(biāo)用標(biāo)幺值表示。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時(shí)間在10⁵～10⁶μs之間，電壓作用時(shí)間大于此值后的擊穿為熱擊穿，小于此值的擊穿則屬于電擊穿。由圖可見，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，擊穿電壓越低，1min擊穿電壓與更長(zhǎng)時(shí)間的擊穿電壓已相差不大。所以，通常可將1min工頻試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來估計(jì)固體電介質(zhì)在工頻電壓作用下長(zhǎng)期工作時(shí)的熱擊穿電壓。尚需指出，許多有機(jī)絕緣材料的短時(shí)間電氣強(qiáng)度雖然很高，但由于它們耐局部放電的性能 較差，以致其長(zhǎng)時(shí)間電氣強(qiáng)度較低，這一點(diǎn)必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結(jié)構(gòu)中(如旋轉(zhuǎn)電機(jī))，就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機(jī)絕緣材料。

由圖4-2還可以看出，在電擊穿區(qū)域內(nèi)，在較寬的時(shí)間范圍內(nèi)油浸電工紙板擊穿電壓與電壓作用時(shí)間幾乎無關(guān)，只有在時(shí)間小于微秒級(jí)時(shí)擊穿電壓才隨電壓作用時(shí)間減小而升高，這一點(diǎn)與氣體放電的伏秒特性很相似。其雷電沖擊擊穿電壓約為工頻擊穿電壓的3倍。

4.2.2 電場(chǎng)均勻程度

均勻、致密的固體介質(zhì)如處于均勻電場(chǎng)中，其擊穿電壓往往比較高，且擊穿電壓隨介質(zhì)厚度的增加近似地呈線性增加。若在不均勻電場(chǎng)巾，則擊穿電壓較均勻電場(chǎng)中降低，且隨著介質(zhì)厚度的增加使電場(chǎng)更不均勻，擊穿電壓也不再隨介質(zhì)厚度的增加而線性增加。當(dāng)介質(zhì)厚度的增加使散熱困難時(shí)，又會(huì)促使發(fā)生熱擊穿，這時(shí)靠增加介質(zhì)厚度來提高擊穿電壓就沒有多大的意義。

4.2.3溫度

固體介質(zhì)電擊穿的場(chǎng)強(qiáng)很高，而與溫度幾乎無關(guān)，但其熱擊穿電壓則隨溫度的升高而降低。由于環(huán)境溫度高不利于固體介質(zhì)的散熱，會(huì)使熱擊穿電壓下降。所以，用固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，如果某處局部溫度過高，在工作電壓下就會(huì)有熱擊穿的危險(xiǎn)。為了降低絕緣的溫度，常采取一些散熱措施，如加強(qiáng)風(fēng)冷、油冷及加裝散熱器等。

4.2.4受潮

固體介質(zhì)受潮會(huì)使擊穿電壓大大降低，其降低程度與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅降低一半左右；對(duì)于易吸潮的材料，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能只有干燥時(shí)的百分之幾或更低，這是因?yàn)殡妼?dǎo)率和介質(zhì)損耗均大大增加的緣故。所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)不但在制造時(shí)要注意除去水分，在運(yùn)行中也要注意防潮，并定期檢查受潮情況，一旦受潮必須進(jìn)行干燥處理。

4.2.5 累積效應(yīng)

固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中，或者在雷電沖擊電壓下，其內(nèi)部可能出現(xiàn)局部放電或者損傷，但并未形成貫穿性的擊穿通道，但在多次沖擊或工頻試驗(yàn)電壓作用下，這種局部放電或者傷痕會(huì)逐步擴(kuò)大，這稱為累積效應(yīng)。顯然，由于累積效應(yīng)會(huì)使固體介質(zhì)的絕緣性能劣化，導(dǎo)致擊穿電壓下降。因此，在確定電氣設(shè)備試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)次數(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮固體介質(zhì)的這種累積效應(yīng)，在設(shè)計(jì)固體絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)亦應(yīng)保證一定的絕緣裕度。

4.3固體電介質(zhì)的老化

電介質(zhì)在電場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間作用下，會(huì)逐漸發(fā)生某些物理化學(xué)變化，從而使介質(zhì)的物理、化學(xué)性能產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化，導(dǎo)致電介質(zhì)的電氣及機(jī)械強(qiáng)度下降，介質(zhì)損耗及電導(dǎo)增大等，這一現(xiàn)象稱為絕緣的老化。

引起絕緣老化的原因很多，主要有熱的作用、電的作用、機(jī)械力的作用以及周圍環(huán)境因素的影響，如受潮、氧、臭氧、氮氧化物、各種射線以及微生物的作用等。各種不同的因素除了本身能對(duì)絕緣產(chǎn)生老化作用外，還常常互相影響，加速老化過程，盡管老化過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，但從老化的特征上可將其大體劃分為電老化和熱老化兩大類型。

4.3.1 固體介質(zhì)的電老化

電老化主要是由于電場(chǎng)的作用所產(chǎn)生。根據(jù)電老化的性質(zhì)不同，又可分為電離性老化、電導(dǎo)性老化和電解性老化。

1.電離性老化

電離性老化主要指絕緣內(nèi)部存在的氣隙或氣泡在較強(qiáng)電場(chǎng)下發(fā)生電離而產(chǎn)生局部放電所引起的絕緣老化。

局部放電引起絕緣老化的機(jī)理被認(rèn)為是：帶電粒子對(duì)介質(zhì)的撞擊可使有機(jī)介質(zhì)主鏈斷裂，使高分子解聚或部分變成低分子；局部放電引起局部過熱，高溫使絕緣材料產(chǎn)生化學(xué)分解；局部放電產(chǎn)生的活性氣體O₃、NO、NO₂對(duì)介質(zhì)的氧化和腐蝕，以及由局部放電產(chǎn)生的紫外線或X射線使介質(zhì)分解和解聚；隨后放電道通沿電場(chǎng)方向逐漸向絕緣深處發(fā)展，在某些高分子有機(jī)絕緣中常發(fā)展成樹枝狀，稱為“電樹枝"。電樹枝的不斷發(fā)展最終將導(dǎo)致絕緣擊穿。因此，許多高壓電氣設(shè)備都將局部放電水平作為檢驗(yàn)其絕緣質(zhì)量的重要指標(biāo)。

絕緣中氣隙或氣泡引起局部放電的機(jī)理可以這樣來解釋：當(dāng)固體介質(zhì)內(nèi)部含有氣隙時(shí)，氣隙及與其相串聯(lián)的固體介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)分布是與它們的介電常數(shù)成反比。氣體介質(zhì)的介電常數(shù)比固體介質(zhì)的介電常數(shù)小得多，因此氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度要比固體介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度高得多，而氣體的電氣強(qiáng)度又較固體介質(zhì)低，所以當(dāng)外加電壓還遠(yuǎn)小于固體介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，氣隙中的氣體就首先發(fā)生電離而產(chǎn)生局部放電。

下面對(duì)局部放電的發(fā)展過程作簡(jiǎn)單分析。

固體介質(zhì)內(nèi)部有單個(gè)小氣隙時(shí)的等效電路如圖4-3所示。圖中，C_g為氣隙的電容，C_b是與氣隙串聯(lián)的固體介質(zhì)的電容，C_a是固體介質(zhì)其余完好部分的電容，Z為氣隙放電脈沖的電源阻抗。一般情況下氣隙較小，所以C_b?C_g，且C_b?C_a。

將瞬時(shí)值為u的交流電壓施加在固體介質(zhì)時(shí)，C_g上分得的電壓為

當(dāng)u_g隨u增大到氣隙的放電電壓U_s時(shí)，氣隙放電。放電產(chǎn)生的正負(fù)電荷在外加電場(chǎng)作用下分別聚積在氣隙與固體介質(zhì)的上下交界面上，它們建立的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，從而使C_g上的電壓急劇下降到剩余電壓U_r，放電熄滅。但由于外加電壓u還在上升，C_g上的電壓又隨外加電壓u充電到U_S，開始第二次放電。同理，第二次放電產(chǎn)生的正負(fù)電荷所建立的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，所以C_g上的電壓會(huì)再次下降到剩余電壓U_r，放電熄滅。當(dāng)外加電壓u不斷下降時(shí)，氣隙界面電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)會(huì)超過外加電場(chǎng)，導(dǎo)致反向放電發(fā)生。依此類推，可以推出第四次、第五次、第六次等放電出現(xiàn)的位置與放電的極性，如圖4-4(a)所示。因此，隨著C_g的充放電過程使局部放電重復(fù)發(fā)生，從而在電路中產(chǎn)生由局部放電引起的脈沖電流，如圖4-4(b)所示，其頻率范圍在200～400kHz。

C_g每次放電時(shí)，其放電電荷量為

其中：q_r為真實(shí)放電量。由于C_g、C_b和C_a實(shí)際上都是無法測(cè)定的，所以q_r也無法測(cè)定。但是氣隙放電引起的電壓變動(dòng)(U_s-U_r)會(huì)按反比分配在C_b、C_a上(因從氣隙兩端看C_b、C_a是相串聯(lián)的)。設(shè)在C_a上的電壓變動(dòng)為?u，則有

這就是說，當(dāng)氣隙放電時(shí)，固體介質(zhì)兩端的電壓也會(huì)產(chǎn)生電壓降落?u，這相當(dāng)于固體介質(zhì)放掉電荷q，即

其中：q為視在放電量。

通過電源充電在回路中形成電流脈沖。?u和q的值都是可以測(cè)量的，因此，通常將q作為度量局部放電強(qiáng)度的參數(shù)。從以上各式可以看出，q既是發(fā)生局部放電時(shí)試品電容所放掉的電荷，也是電容C_b上的電荷增量。比較式(4-6)和式(4-8)可得

即視在放電量通常比真實(shí)放電量小得多，但q與q_r呈線性關(guān)系，因此通過測(cè)量q可以相對(duì)地反映出q_r的大小。

實(shí)驗(yàn)研究表明，視在放電量，放電重復(fù)率和一次放電所消耗的能量是反映局部放電強(qiáng)弱的三個(gè)基本參數(shù)。

如前所述，在交流電壓下，當(dāng)外加電壓較高時(shí)，局部放電在半周期內(nèi)可以重復(fù)多次發(fā)生，而在直流電壓下情況就不一樣。由于直流電壓的大小和方向均不變，所以一旦氣隙產(chǎn)生放電，所產(chǎn)生的空間電荷建立的附加電場(chǎng)會(huì)使氣隙中的電場(chǎng)削弱，導(dǎo)致放電熄滅，直到空間電荷通過介質(zhì)內(nèi)部的電導(dǎo)消散，使附加電場(chǎng)減小到一定程度后，才能開始第二次放電。由于電介質(zhì)的電導(dǎo)很小，所以空間電荷的消散速度極慢。因此，在其他條件相同的情況下，直流電壓下單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)一般要比交流電壓下小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使得介質(zhì)在直流電壓下的局部放電所產(chǎn)生的破壞作用遠(yuǎn)比交流電壓下小。

2. 電導(dǎo)性老化

電導(dǎo)性老化指某些高分子機(jī)合成絕緣材料內(nèi)部在某些液態(tài)的導(dǎo)電物質(zhì)(最常見的是水分或制造過程中殘留的某些電解質(zhì)溶液)，在電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一定值時(shí)，這些導(dǎo)電液就會(huì)沿電場(chǎng)方向逐漸深入到絕緣層中去，形成近似樹枝狀的痕跡，稱為“水樹枝"，使介質(zhì)的絕緣特性老化。

“水樹枝"是由于水或其他電解液中的離子在交變電場(chǎng)作用下往復(fù)沖擊介質(zhì)，使其疲勞損傷和化學(xué)分解，隨之逐漸滲透擴(kuò)散到介質(zhì)深處所形成的。實(shí)踐表明，產(chǎn)生“水樹枝"所需的電場(chǎng)強(qiáng)度要比產(chǎn)生“電樹枝"所需的場(chǎng)強(qiáng)低得多；“水樹枝"一旦產(chǎn)生其發(fā)展速度也比“電樹枝"快。

3.電解性老化

電解性老化指在所加電壓還遠(yuǎn)低于局部放電起始電壓的情況下，由于介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的化學(xué)過程(尤其在直流電壓下最為嚴(yán)重)造成對(duì)介質(zhì)的腐蝕、氧化，使介質(zhì)逐漸老化。當(dāng)有潮氣侵入電介質(zhì)時(shí)，由于水分本身就能離解出H⁺和O^-離子，則會(huì)加速電解性老化。隨著溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，電解性老化的速度也隨之加快。

4.3.2固體電介質(zhì)的熱老化

固體電介質(zhì)的性能在長(zhǎng)期受熱的情況下逐漸劣化，失去原來的優(yōu)良性能，稱為熱老化。熱老化的主要過程為熱裂解、氧化裂解以及低分子揮發(fā)物的逸出。熱老化的特征大多數(shù)是使介質(zhì)失去彈性、變硬、變脆，機(jī)械強(qiáng)度降低，也有些介質(zhì)表現(xiàn)為變軟、發(fā)黏、變形，失去機(jī)械強(qiáng)度，與此同時(shí)介質(zhì)的電導(dǎo)變大，介質(zhì)損耗增加，擊穿電壓降低，絕緣性能變壞。

由于溫度的升高將使熱老化過程加速，所以根據(jù)熱老化決定的絕緣壽命與絕緣的工作溫度密切相關(guān)。國(guó)際電工委員會(huì)將各種電工絕緣材料按其耐熱性能劃分等級(jí)，并確定各級(jí)絕緣材料的最高持續(xù)工作溫度，見表41。

表4-1                      電工絕緣材料的耐熱等級(jí)

使用溫度超過表4-1的規(guī)定，絕緣材料將迅速老化，壽命大大縮短。實(shí)驗(yàn)表明，絕緣的工作溫度超過規(guī)定值8℃，則壽命大約縮短一半，這通常稱為熱老化的8℃規(guī)則。實(shí)際上對(duì)其他各級(jí)絕緣的溫度規(guī)定值并不都是8℃，如B級(jí)絕緣為10℃，H極絕緣為12℃等。

有機(jī)絕緣材料在熱的作用下發(fā)生著各種化學(xué)變化，包括氧化、熱裂解和縮聚等，這些化學(xué)反應(yīng)的速率決定了材料的熱老化壽命。因此，可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)推出材料壽命和溫度的關(guān)系。在溫度低于絕緣材料的上限工作溫度時(shí)，有機(jī)絕緣由熱老化所決定的絕緣壽命的近似計(jì)算式為

式中：T為實(shí)際使用溫度下的絕緣壽命；A為標(biāo)準(zhǔn)使用溫度下的絕緣壽命；θ為絕緣的實(shí)際使用溫度；θ₀為絕緣的標(biāo)定使用溫度；α為熱老化系數(shù)，由絕緣的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等因素決定，對(duì)級(jí)絕緣α在0.065~0.12范圍內(nèi)。

為了獲得最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，在當(dāng)今的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，對(duì)大多數(shù)電氣設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等)絕緣的正常使用壽命一般認(rèn)定為20～25年，由此就可以確定出該設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)使用溫度。

4.4液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理

液體電介質(zhì)主要有天然礦物油和人工合成油以及蓖麻油(植物油)。目前用得最多的是從石油中提煉出的礦物油，通過不同程度的精煉，可得到分別用于變壓器、斷路器、電纜及電容器等高壓電氣設(shè)備中的各種液體電介質(zhì)，相應(yīng)稱為變壓器油、電纜油和電容器油。液體電介質(zhì)除用作電氣設(shè)備的絕緣介質(zhì)外，還用作冷卻介質(zhì)(如在變壓器中)或滅弧介質(zhì)(如在斷路器中)。

目前人們對(duì)液體電介質(zhì)擊穿機(jī)理的研究遠(yuǎn)不及對(duì)氣體電介質(zhì)的研究那么充分，這是因?yàn)榧儍舻囊后w電介質(zhì)和通常含有某些雜質(zhì)(如水分、空氣、微粒及纖維等)的液休電介質(zhì)的擊穿特性存在著很大差異。液體電介質(zhì)分為兩大類，即純凈的和工程用的(不很純凈的)，在高電壓工程中應(yīng)用最多的液體電介質(zhì)是各種各樣的絕緣油，其中尤以變壓器油使用的最為廣泛，故在下文的討論中，將以變樂器油為主要對(duì)象，

一般認(rèn)為，變壓器油的擊穿存在兩種形式：一種是純凈的變壓器油主要發(fā)生電擊穿，另一種是含石水蒸氣或其他懸浮雜質(zhì)的工程用變壓器油則主要發(fā)生熱擊穿。

4.4.1 純凈液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理

純凈液休電介質(zhì)的擊穿機(jī)理與氣體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理類似。因?yàn)樵谝后w電介質(zhì)中，也總是會(huì)由于外界的高能射線或局部強(qiáng)電場(chǎng)的作用或陰極的強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射等原因，使介質(zhì)中存在有一些初始電子，這些電子在電場(chǎng)的作用下，向陽極作加速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生碰撞電離，形成電子崩，導(dǎo)致液體電介質(zhì)的擊穿。但由于液體電介質(zhì)的密度遠(yuǎn)較氣體的大，電子的自由行程很小，所以純凈液體電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度大大超過氣體的擊穿強(qiáng)度(約大一個(gè)數(shù)量級(jí))。

4.4.2 含氣泡液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理

當(dāng)液體電介質(zhì)中存在氣泡時(shí)，在交流電壓下，氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度與油中的電場(chǎng)強(qiáng)度按各自的介電常數(shù)成反比分布，從而在氣泡上分配到較大的場(chǎng)強(qiáng)，但氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)又比液體電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低得多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升，體積膨脹，密度減小，促使電離進(jìn)一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使之又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道進(jìn)一步擴(kuò)大。如果許多電離的氣泡在電場(chǎng)中排列成連通兩電極的所謂“小橋"，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。

氣泡擊穿理論依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣體通道的擴(kuò)大并排列成“小橋"，有熱的過程，所以屬熱擊穿的范疇。

4.4.3 工程用變壓器油的擊穿機(jī)理

氣泡擊穿理論可以推廣到由其他懸浮雜質(zhì)引起的擊穿，比較好地解釋工程用變壓器油的擊穿過程。

工程用變壓器油屬于不很純凈的液體介質(zhì)，即使將極為純凈的油注入電氣設(shè)備中，也難免在注入過程中會(huì)有雜質(zhì)混入。比如，注油時(shí)油的攪動(dòng)會(huì)有空氣混入；油與大氣接觸時(shí)也會(huì)發(fā)生氧化，并從中吸收氣體和水分：運(yùn)行中油本身也會(huì)老化，分解出氣體、水分和聚合物；以及各種纖維從固體絕緣材料上脫落到油中，使油中總含有少量的雜質(zhì)，等等。這些雜質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)與油本身的相應(yīng)參數(shù)不相同，這就必然會(huì)在這些雜質(zhì)附近造成局部強(qiáng)電場(chǎng)。在電場(chǎng)力的作用下，這些雜質(zhì)很容易沿電場(chǎng)方向極化定向，并排列成雜質(zhì)“小橋"，如果雜質(zhì)“小橋"貫穿于兩電極之間，由于組成“小橋"的纖維及水分的電導(dǎo)較大，發(fā)熱增加，促使水分汽化，形成氣泡“小橋"連通兩極，導(dǎo)致油的擊穿。即使雜質(zhì)“小橋"尚未貫通兩極，但在各段雜質(zhì)“小橋"的端頭，其電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)增大很多，使該處的油發(fā)生電離而分解出氣體，使“小橋"中氣泡增多，促使電離過程增強(qiáng)，最終也將出現(xiàn)氣泡“小橋"連通兩極而使油擊穿。由于這種擊穿依賴于“小橋"的形成，所以也稱此為解釋變壓器油熱擊穿的所謂“小橋"理論。

變壓器油也具有自恢復(fù)絕緣的特性，這是因?yàn)橛?/span>“小橋"引起的火花放電會(huì)使纖維燒毀，水滴汽化，油的擾動(dòng)以及油具有一定的滅孤能力等，使得電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度得以恢復(fù)。

4.4.4變壓器油的電氣強(qiáng)度

由于液體電介質(zhì)擊穿理論很不成熟，只能在一定程度上定性地解釋其擊穿的規(guī)律性，因此對(duì)變壓器油的電氣強(qiáng)度也需通過試驗(yàn)予以確定。

工程上用標(biāo)準(zhǔn)油杯按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來測(cè)定變壓器油的工頻擊穿電壓。我國(guó)采用的標(biāo)準(zhǔn)油杯如圖4-5所示。圖中，極間距離為2.5mm，電極是直徑為25mm、厚度為4mm的一對(duì)圓盤形銅電極，電極與油杯杯壁及試油液面的距離不小于15mm。對(duì)為了減弱其邊緣效應(yīng)，電極的邊緣被加工成半徑為2.5mm的半圓，使電極間的電場(chǎng)近乎均勻。

試驗(yàn)時(shí)由于油擊穿的分散性，應(yīng)取5次擊穿電壓的平均值，且每次擊穿電壓與平均值的偏差不超過+25%；否則應(yīng)繼續(xù)試驗(yàn)，直到獲得5個(gè)不超過平均值士25%的數(shù)值為止。以這5次擊穿電壓的平均值作為被試油樣的工頻擊穿電壓值(kV)，或換算成擊穿場(chǎng)強(qiáng)(kV/cm)。

我國(guó)規(guī)定不同電壓等級(jí)電氣設(shè)備中變壓器油的電氣強(qiáng)度應(yīng)符合表4-2的要求。

由表4-2可見，變壓器油在標(biāo)準(zhǔn)油杯和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的擊穿電壓在20～60kV之間，相應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)有效值為80～240kV/cm，約為空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的4～10倍。順便指出，工程用變壓器油作冷卻介質(zhì)時(shí)，油的凝固點(diǎn)至關(guān)重要，因此按照油的凝固點(diǎn)不同將油分為各種不同的牌號(hào)。比如，25號(hào)變壓器油即其凝固點(diǎn)溫度為-25℃。由此可見，高寒地區(qū)運(yùn)行的變壓器應(yīng)選用高牌號(hào)的變壓器油。

表4-2             不同電壓等級(jí)電氣設(shè)備中變壓器油的電氣強(qiáng)度要求

4.5 影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素

4.5.1 水分及其他雜質(zhì)

水分在變壓器油中可以三種狀態(tài)存在：①以分子狀態(tài)溶解于油中；②以小水珠狀態(tài)懸浮于油中；③水分過多，以至于有水分沉淀在油的底部。實(shí)驗(yàn)表明，以分子狀態(tài)溶解于變壓器油中的水分對(duì)油的擊穿電壓影響不大。對(duì)變壓器油的擊穿危害最大的是懸浮于油中的小水珠，因?yàn)檫@種小水珠在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生極化而沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，并在極間排列成導(dǎo)電“小橋"。圖4-6為在標(biāo)準(zhǔn)油杯中測(cè)出的變壓器油的工頻擊穿電壓與含水量的關(guān)系。由圖可見，在常溫下，只要變壓器油中含有0.01%的水分，就會(huì)使油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降到干燥時(shí)的15%～30%。當(dāng)水分含量超過0.02%時(shí)，多余的水分即沉淀到變壓器油的底部，因此油的擊穿電壓不再降低。但是這種沉淀水對(duì)變壓器油的絕緣性能的危害不可忽視，因?yàn)槌恋頎畹乃S著溫度及其他條件的變化隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化為懸浮狀的水分。

由“小橋"理論可知，其他固體雜質(zhì)也會(huì)使油的擊穿電壓下降。特別是一些極性的纖維介質(zhì)，極易吸潮，并沿電場(chǎng)方向極化而形成雜質(zhì)“小橋"，使油的擊穿電壓大大下降。然而，從油中分解出來的碳粒卻對(duì)油的擊穿電壓影響較小，所以在油斷路器中允許用油既作滅弧介質(zhì)，又作絕緣介質(zhì)。但是，碳粒的沉淀形成汕泥則易造成油中沿固體表面的放電，同時(shí)也影響散熱，然而，在沖擊電壓下，由于電壓作用時(shí)間極短，以至于雜質(zhì)來不及形成“小橋"，所以雜質(zhì)對(duì)油的沖擊擊穿電壓的影響也不大。

4.5.2 電壓作用時(shí)間

電壓作用時(shí)間對(duì)油的擊穿電壓影響很大，擊穿電壓會(huì)隨電壓作用時(shí)間的增加而下降。電壓作用時(shí)間還會(huì)影響油的擊穿性質(zhì)。如圖4-7 所示，當(dāng)電壓作用時(shí)間極短(小于毫秒級(jí))時(shí)，如雷電沖擊電壓的作用，則油的擊穿純屬電擊穿，擊穿電壓比較高，且擊穿電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律與氣體介質(zhì)的伏秒特性相似。當(dāng)電壓作用時(shí)間大于毫秒級(jí)以后，則呈現(xiàn)為熱擊穿的性質(zhì)，且隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓顯著下降。

4.5.3 電場(chǎng)的均勻程度

對(duì)于純凈變壓器油，如電場(chǎng)比較均勻則可以大大提高油的工頻擊穿電壓和沖擊擊穿電壓。對(duì)于含有雜質(zhì)的變壓器油，由于其擊穿電壓主要取決于雜質(zhì)“小橋"的形成，所以電場(chǎng)的均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響相對(duì)減小。

4.5.4溫度的影響

變壓器油的擊穿電壓與油溫的關(guān)系比較復(fù)雜，隨電場(chǎng)的均勻程度、油的純凈程度以及電壓類型的不同而不同。

標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油工頻擊穿電壓有效值與溫度的關(guān)系如圖4-8所示。圖中，曲線1為純凈油，油溫升高，有利于碰撞電離，所以擊穿電壓略有下降；曲線2為有水分的油，視溫度對(duì)水分存在狀態(tài)的影響情況而異。比如；油溫從0℃開始升高，有利于懸浮狀的水滴在油中的溶解，所以擊穿電壓隨之升高。但油溫超過80℃，水分開始汽化，產(chǎn)生氣泡，則又會(huì)使油的擊穿電壓降低。由圖4-8可見，變壓器油溫在60~80℃范圍內(nèi)，擊穿電壓出現(xiàn)最大值；油溫在0～5℃范圍內(nèi)，全部水分轉(zhuǎn)化為乳濁狀態(tài)，導(dǎo)電“小橋"最易形成，出現(xiàn)擊穿電壓最小值；油溫低于0℃時(shí)，則水滴結(jié)成冰粒，油的密度變大，其擊穿電壓又會(huì)升高。

在極不均勻電場(chǎng)中，隨著油溫的上升工頻擊穿電壓稍有下降，水滴等雜質(zhì)對(duì)極不均勻電場(chǎng)下變壓器油的工頻擊穿電壓影響較小，這是因?yàn)椴痪鶆螂妶?chǎng)中的電暈會(huì)引起雜質(zhì)的擾動(dòng)。應(yīng)該指出，不論在均勻電場(chǎng)還是不均勻電場(chǎng)中，隨著溫度的上升，沖擊擊穿電壓均單調(diào)地稍有下降，這可借助電子碰撞電離理論予以解釋。

4.5.5 壓力的影響

不論電場(chǎng)是否均勻，當(dāng)壓力增加時(shí)，工程用變壓器油的工頻擊穿電壓都會(huì)隨之升高，只是在均勻電場(chǎng)中，這個(gè)關(guān)系更為明顯些。但如果將變壓器油中所含氣體處理干凈，則壓力對(duì)油隙的擊穿電壓就幾乎沒有什么影響了。分析認(rèn)為，壓力的影響主要是因?yàn)樽儔浩饔椭兴瑲怏w的放電電壓隨壓力的增大而增大，但壓力對(duì)油的擊穿電壓的影響遠(yuǎn)不如氣體那樣顯著。

由于變壓器油中氣體等雜質(zhì)不影響沖擊擊穿電壓，所以壓力也不影響沖擊擊穿電壓。

4.5.6 面積效應(yīng)及體積效應(yīng)的影響

與氣體電介質(zhì)相類似，液體電介質(zhì)的擊穿電壓也會(huì)受到面積效應(yīng)的影響。也就是，當(dāng)電極面積越大時(shí)，電極表面嚴(yán)重的突出物和一些影響擊穿電壓的偶然因素出現(xiàn)的概率也越大，因而會(huì)導(dǎo)致擊穿電壓下降。另外，與固體電介質(zhì)類似，絕緣油的擊穿還會(huì)受到體積效應(yīng)的影響。當(dāng)油的體積增大后，絕緣缺陷出現(xiàn)的概率增大，導(dǎo)致擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。

4.5.7 變壓器油的老化

1.變壓器油老化的特征

變壓器油的老化可以大大降低油的擊穿電壓，油的老化主要是熱老化。以變壓器油為例，其老化具有下列特征：

(1)顏色逐漸深暗，從淡黃色變?yōu)樽睾稚瑥耐该髯優(yōu)榛鞚帷?/span>

(2)黏度增大，影響散熱；閃點(diǎn)降低；灰分和水分增多。

(3)酸價(jià)增加，油中所含的低分子酸量增加，腐蝕性增大。

(4)絕緣性能變壞，表現(xiàn)為電阻率降低，介質(zhì)損耗增大，擊穿電壓降低。

(5)出現(xiàn)沉淀物，影響繞組的冷卻。

變壓器油老化的機(jī)理主要是油的氧化。新絕緣油在與空氣接觸的過程中逐漸吸收氧氣，初期吸收的氧氣與油中的不飽和碳?xì)浠衔锲鸹瘜W(xué)反應(yīng)，形成飽和的化合物，這段時(shí)期稱為初期。此后油再吸收氧氣，就生成穩(wěn)定的油的氧化物和低分子量的有機(jī)酸(如蟻酸、醋酸等)，也有部分高分子有機(jī)酸(如脂肪酸、瀝青酸等)，使油的酸價(jià)增高。這種油對(duì)繞組絕緣和金屬都有較強(qiáng)的腐蝕作用，這段時(shí)期稱為中期。此后，絕緣油進(jìn)一步氧化，油中酸性產(chǎn)物達(dá)一定濃度時(shí)，便產(chǎn)生加聚和縮聚作用，生成中性的高分子樹脂及瀝青等，使油呈混濁的膠凝狀態(tài)，最后成為固體的油泥沉淀。在此加聚和縮案過程中，同時(shí)析出水分，這段時(shí)期稱為后期。生成的油泥如沉淀在繞組上，將影響繞織的散熱。劣化到一定程度的油，就不能再繼續(xù)使用，用物理方法也不能使其恢復(fù)，必須予以更換，或另行再生處理。

由上可見，溫度是影響變壓器油老化的主要因素之一。試驗(yàn)表明：當(dāng)溫度低于60～70℃時(shí)，油的氧化作用很小，高于此溫度時(shí)，油的氧化作用就開始顯著了；此后，大約是溫度每增高10℃，油的氧化速度就增大1倍；當(dāng)溫度超過115～120℃時(shí)，其情況又大有不同，不僅出現(xiàn)氧化的進(jìn)一步加速，還可能伴隨有油本身的熱裂解，這一溫度稱為油的臨界溫度。隨著油的來源、成分和精煉程度不同，其臨界溫度也稍有差別。為此，在油的運(yùn)行中或油的處理過程中(如加熱干燥等)，都應(yīng)該避免油溫過高，一般規(guī)定最高不允許超過115℃。

此外，光照和電場(chǎng)也都會(huì)加速變壓器油的老化。

2.延緩絕緣油老化的方法

(1)裝設(shè)擴(kuò)張器。其作用是供油熱脹冷縮，使油與空氣接觸面減小，且擴(kuò)張器內(nèi)油溫較低，吸氧量小。例如在油擴(kuò)張器中設(shè)置隔氣膠囊，則可供油自由脹縮，并將油與大氣隔絕。

(2)在油呼吸器通道中裝設(shè)吸收氧氣和水分的過濾器。用氯化鈣、硅膠、氧化鋁等吸收水分；用粉末狀的銅、氯化銨、純潔的鐵等吸收氧氣。

(3)用氮?dú)鈦砼艛D出油內(nèi)吸收的空氣。有的變壓器或高壓套管采用密閉并充氮的方法來防止油的氧化。

(4)摻入抗氧化劑，以提高油的穩(wěn)定性，抗氧化劑只有在新油或再生過的油中有效，因?yàn)樗荒苎娱L(zhǎng)前述初期的時(shí)間，既不能阻止氧化過程的進(jìn)行，更不能使已氧化的油還原。

(5)將已老化的變壓器油進(jìn)行再生處理。

4.5.8 變壓器油流速的影響

在大型電力變壓器的實(shí)際運(yùn)行中，由于強(qiáng)制油循環(huán)或者不同部位油溫差造成的自然對(duì)流，都使絕緣油處于流動(dòng)狀態(tài)。油的流動(dòng)會(huì)影響雜質(zhì)“小橋"的形成，因而其擊穿特性與靜止?fàn)顟B(tài)下有較大不同，如圖4-9所示。油流速的增加會(huì)阻礙“小橋"的形成，使得擊穿電壓有所升高。但當(dāng)油流速進(jìn)一步增大后，體積效應(yīng)會(huì)起主導(dǎo)作用，即單位時(shí)間內(nèi)通過高電場(chǎng)區(qū)域的油體積增大，出現(xiàn)絕緣缺陷的概率升高，導(dǎo)致擊穿電壓下降。

4.5.9 提高變壓器油擊穿強(qiáng)度的常用措施

油中雜質(zhì)是降低油的工頻擊穿電壓的決定性囚素。因此，設(shè)法減少油中雜質(zhì)，提高油的品質(zhì)，是提高工程用變壓器油擊穿電壓的首要措施。

(1)通過過濾提高油的品質(zhì)，常用的方法是采用加熱式真空過濾，可以有效地驅(qū)除油中所含的氣體、水分及其他固體雜質(zhì)，

(2)在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用對(duì)金屬電極覆蓋一層很薄(小于1mm)的固體絕緣層，覆蓋可以有效地隔斷雜質(zhì)小橋連通電極，減小回路流經(jīng)雜質(zhì)小橋的電導(dǎo)電流，阻礙熱擊穿過程的發(fā)展。而且油的品質(zhì)越差，此法提高擊穿電壓的效果越顯著。

(3)包絕緣層。如果把上述的覆蓋層加厚到幾毫米甚至幾十毫米的絕緣層，利用絕緣層的介電常數(shù)比油的大，可有效地使被覆蓋的電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，減少電極附近油的局部放電，從而提高油的擊穿電壓，

(4)采用極間障(絕緣屏障)。與提高氣隙擊穿電壓所使用的絕緣屏障相類似，在油間隙中也可以設(shè)置極間障來提高油隙的擊穿電壓。通常是用電工厚紙板或膠布層壓板做成，形狀可以是平板或圓筒，視具體情況而定，厚度通常為2～7mm。

極間障的作用：①阻隔雜質(zhì)小橋的形成；②在不均勻電場(chǎng)中利用極間障一側(cè)所聚積的均勻分布的空間電荷使極間障另一側(cè)油隙中的電場(chǎng)變得比較均勻，從而提高油隙的擊穿電壓。

在油間隙中，有時(shí)甚至設(shè)置幾個(gè)極間障，可以使油隙的擊穿電壓提高更多。在變壓器和充油套管中經(jīng)常采用多個(gè)極間障，如此處理可將油的擊穿電壓提高30%以上。

4.6組合絕緣的擊穿特性

高壓電氣設(shè)備絕緣必須具有優(yōu)異的電氣性能外，還要求具有良好的熱性能、機(jī)械性能及其他物理化學(xué)性能，單一的電介質(zhì)往往難以同時(shí)滿足這些要求，所以實(shí)際中絕緣一般采用多種電介質(zhì)的組合。

4.6.1 組合絕緣的配合原則

電氣設(shè)備的絕緣通常都不是由單一的電介質(zhì)所構(gòu)成，而是由多種電介質(zhì)組合而成。例如，變壓器的外絕緣是由套管的瓷套與周圍的空氣所組成，其內(nèi)絕緣則是由紙、布帶、膠木筒、變壓器油等多種固體介質(zhì)和液體介質(zhì)組合而成。組合絕緣的電氣強(qiáng)度不僅取決于所用各種電介質(zhì)的電氣特性，而且還與所用各種電介質(zhì)相互之間的配合是否合理有密切關(guān)系，其配合原則如下：

(1)由多種介質(zhì)構(gòu)成的層疊絕緣，應(yīng)盡可能使組合絕緣中各層介質(zhì)所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度與其耐電強(qiáng)度成正比。此時(shí)，使各種絕緣材料利用得合理、最充分，整個(gè)組合絕緣的電氣強(qiáng)度也最高。

例如，在直流電壓下，各層介質(zhì)承受的電壓與其電導(dǎo)成反比；但在交流和沖擊電壓下，各層介質(zhì)承受的電壓則與其介電常數(shù)成反比。因此，在直流電壓下應(yīng)將電氣強(qiáng)度高、電導(dǎo)率大的絕緣材料用在電場(chǎng)強(qiáng)的地方；而在交流電壓下，應(yīng)將電氣強(qiáng)度高、介電常數(shù)大的介質(zhì)用在電場(chǎng)強(qiáng)的地方。顯然，這種配合有利于均勻電場(chǎng)分布，使原來電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的地方此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)減小。

(2)在組合絕緣中，各部分的溫度也可能存在較大的差異，所以在設(shè)計(jì)組合絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，還要注意溫度差異對(duì)各層介質(zhì)的電氣特性和電壓分布的影響(因?yàn)闇囟壬撸?/span>介質(zhì)的電導(dǎo)增大)。

(3)將多種介質(zhì)進(jìn)行組合應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡可能使它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而使總體的電氣強(qiáng)度得到加強(qiáng)。例如，絕緣紙或紙板含有大量的空隙，所以在一般情況下紙的電氣強(qiáng)度是不高的，但通過真空干燥和用油浸漬后所形成的紙與油的組合絕緣卻可以使這兩種介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大提高整體的絕緣性能，其短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)可高達(dá)500～600kV/cm，大大超過各自單一介質(zhì)的電氣強(qiáng)度(油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為200kV/cm，紙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為100～150kV/cm)。這種油紙組合絕緣廣泛用于電纜、電容器、電容式套管和變壓器等電氣設(shè)備中。

(4)采取合理工藝，處理好每層介質(zhì)的接縫及介質(zhì)與電極界面的過渡處理。因?yàn)椋B層式組合絕緣有很多是每層由絕緣紙帶或膠帶進(jìn)行纏繞，這時(shí)要求每層纏繞時(shí)要有一定的搭接長(zhǎng)度(一般為50%，即上層帶的中間正好壓在下層帶的縫隙上)，以充分排除氣隙，并防止沿絕緣帶的邊沿發(fā)生局部放電。在介質(zhì)與電極的交界面上，由于電極表面的凹凸不平導(dǎo)致局部強(qiáng)電場(chǎng)，為此常常采用半導(dǎo)體屏蔽層作為過渡層以均勻電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度的平穩(wěn)過渡，消除局部放電。

4.6.2組合絕緣中的電場(chǎng)

以兩種介質(zhì)的組合絕緣為例，為了分析簡(jiǎn)單起見，設(shè)電極形式為平行板電極，極間雙層絕緣的交界面可與等位面重合或與等位面斜交。

(1)雙層絕緣的交界面與等位面重合，如圖4-10所示，在平行板電極間。電場(chǎng)是均勻的，雙層介質(zhì)的交界面別與等位相重合，這時(shí)兩層介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E₁和E₂分別為

式(4-11)和式(4-12)表明，在極間絕緣距離d=d₁+d₂不變的情況下，增大ε₂時(shí)會(huì)使E₂減小，但卻使E₁增大，這一點(diǎn)進(jìn)行組合絕緣設(shè)計(jì)時(shí)是值得注意的。比如，在電場(chǎng)比較均勻的油間隙中放置多個(gè)屏障會(huì)使油中的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大。

(2)雙層絕緣的交界面與等位面斜交，在這種情況下，電場(chǎng)與界面之間的角度不是90°，因此電力線會(huì)在第二種介質(zhì)中發(fā)生折射，如圖4-11所示。電力線入射角α₁與折射角α₂的關(guān)系為

圖4-12為此時(shí)電力線與等位面的分布示意圖，由圖可見，界面上某些地方(如P₁點(diǎn)）的等位面受到壓縮，從而使這些地方的場(chǎng)強(qiáng)大大增加，這在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。但另一方面在某些地方(如P₂點(diǎn))等位而受到擴(kuò)展，使這一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度有所減小。因此，適當(dāng)調(diào)節(jié)入射角和折射角亦可對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)作某些調(diào)整。

4.6.3 油紙電纜絕緣的擊穿特性

1.工頻交流電壓下的擊穿特性

油紙電纜是典型的多層油紙組合絕緣。工作在交流電壓下的電纜，如果只采用均勻的介質(zhì)，那么在靠近電纜芯線的內(nèi)層絕緣所分配到的場(chǎng)強(qiáng)，會(huì)比靠近電纜護(hù)套側(cè)的外層絕緣所分配到的場(chǎng)強(qiáng)高得多。這樣，外層絕緣就不能得到充分利用。為此，高壓電力電纜的絕緣都是采用分階絕緣結(jié)構(gòu)。例如，電纜的內(nèi)層絕緣采用高密度的薄紙纏繞，這種紙的纖維含量高，質(zhì)地致密，故介電常數(shù)較大，耐受場(chǎng)強(qiáng)也較大；外層絕緣則采用密度較低、厚度較大的紙纏繞，這種紙的介電常數(shù)較小，耐受場(chǎng)強(qiáng)也較小。適當(dāng)設(shè)計(jì)分階絕緣的參數(shù)，可使各階絕緣強(qiáng)度具有接近相同的利用率。同時(shí)，在電纜芯線外及靠金屬護(hù)套的最外層絕緣層上加包一層半導(dǎo)體屏蔽層，以消除芯線和護(hù)套內(nèi)壁粗糙突出處的電場(chǎng)集中，消除芯線凹槽油隙及護(hù)套內(nèi)壁間隙上的電位差，使電纜絕緣的工頻耐壓和局部放電起始電壓大幅度提高。由于絕緣層的縫隙都互相交錯(cuò)壓接，所以絕緣擊穿總是沿絕緣層呈階梯狀通過縫隙向絕緣深處發(fā)展，往往在軸向延伸很長(zhǎng)一段距離后才完成，因此這種擊穿過程需要較長(zhǎng)的時(shí)間。如果電壓作用時(shí)間不夠，就只能產(chǎn)生局部放電，或某幾層被擊穿而其余絕緣仍是完好的。

2.直流電壓作用下的擊穿特性

(1)在相同條件下，含有氣隙或氣泡的固體介質(zhì)在直流電壓下單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的局部放電次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于交流下的放電次數(shù)，因此介質(zhì)在直流下局部放電所產(chǎn)生的破壞作用遠(yuǎn)比交流下小，對(duì)于電纜絕緣亦是如此。圖4-13為油紙電纜的交流和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的比較。由圖可見，直流電壓下短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)為交流時(shí)的2倍以上，長(zhǎng)時(shí)間擊穿場(chǎng)強(qiáng)則為交流時(shí)的3倍以上。

(2)在直流電壓下，絕緣只存在較小的電導(dǎo)損耗；而在交流電壓下，既有電導(dǎo)損耗，又有反復(fù)進(jìn)行的極化所引起的極化損耗，使介質(zhì)損耗大大增加，溫度升高，使擊穿電壓降低。

(3)在直流電壓下，油紙組合絕緣的直流電壓分布與油和紙的電導(dǎo)率成反比，而油浸漬過的紙的電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于油的電導(dǎo)率，所以紙中的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于油中的電場(chǎng)強(qiáng)度，面油浸漬過的紙的絕緣強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于油。可見，在直流電壓下，油紙絕緣的電場(chǎng)分布是合理的，也是有利的。此外，絕緣的電導(dǎo)率與溫度密切相關(guān)，電纜芯線溫度比護(hù)套溫度高，隨著此溫差的逐漸增大，絕緣層中最大電場(chǎng)強(qiáng)度將由靠近芯線側(cè)向護(hù)套側(cè)轉(zhuǎn)移(由于電率隨溫度的變化而引起)。這樣，在直流電壓作用下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度和最高溫度，不再像工頻交流電壓作用時(shí)那樣總是重合在絕緣的內(nèi)側(cè)，而是分別錯(cuò)開在絕緣的兩側(cè)，因此可以在一定程度上抑制熱擊穿的發(fā)展。

由于上述原因，使得同樣一根電纜在直流下的耐壓遠(yuǎn)高丁其交流耐壓。采用油紙組合絕緣的電容器、套管亦是如此。

小 結(jié)

(1)固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度一般比空氣的絕緣強(qiáng)度高很多。在實(shí)際的電氣設(shè)備中采用由固體和液體介質(zhì)構(gòu)成的組合絕緣具有更優(yōu)良的絕緣特性。

(2)固體電介質(zhì)的擊穿按其形成機(jī)理不同可分為電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。

(3)氣隙和潮氣是影響固體介質(zhì)擊穿電壓的重要因素，因此應(yīng)對(duì)固體介質(zhì)進(jìn)行真空干燥和浸油處理。

(4)固體電介質(zhì)與氣體電介質(zhì)不同，有機(jī)固體電介質(zhì)會(huì)發(fā)生老化。根據(jù)老化的機(jī)理不同，可分為電老化和熱老化。老化的結(jié)果使固體電介質(zhì)的擊穿電壓下降，使用壽命縮短。固體介質(zhì)熱老化遵循8℃規(guī)則。

(5)液體電介質(zhì)擊穿理論有電擊穿理論和熱擊穿理論，二者適合解釋不同品質(zhì)的液體介質(zhì)的擊穿。

(6)雜質(zhì)(特別是氣泡、水分和纖維)是影響液體介質(zhì)擊穿電壓的重要因素，因此要求對(duì)液體介質(zhì)必須進(jìn)行凈化處理和保持干燥。

(7)組合絕緣可以做到各種介質(zhì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但要求設(shè)計(jì)必須遵從一定的原則，使不同介質(zhì)有一個(gè)合理搭配和合理結(jié)構(gòu)，才能充分發(fā)揮組合絕緣的優(yōu)良特性。