提高(gāo)材料擊穿電壓和(hé)擊穿強度的(de)方法

  【摘要】文章(zhāng)介紹提高(gāo)固體電介質擊穿電壓的(de)方法。通(tōng)過功能概述、要點歸納，掌握提高(gāo)固體電介質擊穿電壓常用(yòng)方法和(hé)措施。
  【關鍵詞】介質擊穿；絕緣
  在強電場(chǎng)作用(yòng)下(xià)，固體電介質喪失電絕緣能力而由絕緣狀态突變爲良導電狀态。導緻擊穿的(de)低臨界電壓稱爲擊穿電壓。均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與固體電介質厚度之比稱爲擊穿電場(chǎng)強度（簡稱擊穿場(chǎng)強，又稱介電強度），它反映固體電介質自身的(de)耐電強度。不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與擊穿處固體電介質厚度之比稱爲平均擊穿場(chǎng)強，它低于均勻電場(chǎng)中固體電介質的(de)介電強度。
  1、擊穿形式
  根據擊穿的(de)發展過程，固體電介質的(de)擊穿可(kě)分(fēn)爲3種形式：電擊穿、熱(rè)擊穿和(hé)電化(huà)學擊穿，同一種電介質中發生何種形式的(de)擊穿，取決于不同的(de)外界因素。随著(zhe)擊穿過程中固體電介質内部的(de)變化(huà)，擊穿過程可(kě)以從一種形式轉變爲另一種形式。
  1.1電擊穿
  取決于固體電介質中碰撞電離的(de)一種擊穿形式。電場(chǎng)使電介質中積聚起足夠數量和(hé)足夠能量的(de)帶電質點，導緻電介質喪失絕緣性能。對(duì)于電擊穿有以下(xià)幾種不同的(de)理(lǐ)論解釋：本征擊穿、電子崩擊穿和(hé)電緻機械應力擊穿，通(tōng)常以本征擊穿代表電擊穿，所以電擊穿有時(shí)又稱本征擊穿。本征擊穿過程所需時(shí)間爲10-8s數量級，擊穿場(chǎng)強大(dà)于1MV/cm。
  1.2熱(rè)擊穿
  在電場(chǎng)作用(yòng)下(xià)，固體電介質承受的(de)電場(chǎng)強度雖不足以發生電擊穿，但因電介質内部熱(rè)量積累、溫度過高(gāo)而導緻失去絕緣能力，從而由絕緣狀态突變爲良導電狀态。
  1.3電化(huà)學擊穿
  在電場(chǎng)、溫度等因素作用(yòng)下(xià)，固體電介質發生緩慢(màn)的(de)化(huà)學變化(huà)，性能逐漸劣化(huà)，最終喪失絕緣能力，從而由絕緣狀态突變爲良導電狀态。電化(huà)學擊穿過程包括兩部分(fēn)：因固體電介質發生化(huà)學變化(huà)而引起的(de)電介質老化(huà)；與老化(huà)有關的(de)擊穿過程。
  固體電介質發生緩慢(màn)化(huà)學變化(huà)的(de)原因多(duō)種多(duō)樣。直流電壓下(xià)，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(de)金屬樹枝狀物(wù)，甚至從一個(gè)電極伸展到另一個(gè)電極。在電場(chǎng)作用(yòng)下(xià)，固體電介質内部的(de)氣泡中，或不同固體電介質之間的(de)氣隙或油隙中，會發生局部放電。與固體電介質接觸的(de)電極邊緣場(chǎng)強較強的(de)局部區(qū)域内如有氣體或液體電介質，這(zhè)裏也(yě)會發生局部放電。局部放電的(de)長(cháng)期作用(yòng)會使固體電介質逐步損壞。
  電場(chǎng)越強，溫度越高(gāo)，電壓作用(yòng)時(shí)間越長(cháng)，固體電介質的(de)化(huà)學變化(huà)進行得(de)越強烈，其性能的(de)劣化(huà)也(yě)越嚴重。
  固體電介質的(de)化(huà)學變化(huà)通(tōng)常使其電導增加，這(zhè)會使固體電介質的(de)溫度上升，因而電化(huà)學擊穿的(de)最終形式是熱(rè)擊穿。
  影(yǐng)響因素：影(yǐng)響固體電介質擊穿電壓的(de)主要因素有：電場(chǎng)的(de)不均勻程度，作用(yòng)電壓的(de)種類及施加的(de)時(shí)間，溫度，固體電介質性能、結構，電壓作用(yòng)次數，機械負荷，受潮等。
  2、提高(gāo)固體擊穿電壓的(de)方法：
  （1）改進制造工藝，使介質可(kě)能做(zuò)到均勻緻密。
  （2）改進絕緣設計，使電場(chǎng)分(fēn)布均勻。
  （3）改善絕緣的(de)運行條件。
  3、提高(gāo)固體擊穿電壓的(de)具體措施：
  （1）通(tōng)過精選材料、改善工藝、真空幹燥、加強油浸（油、膠、漆），以清除固體電介質中殘留的(de)雜(zá)質、氣泡、水(shuǐ)分(fēn)等。
  如電力電容器内部的(de)浸漬劑主要作用(yòng)是填充固體絕緣介質的(de)空隙，以提高(gāo)介質的(de)耐電強度，改善局部放電特性和(hé)增強散熱(rè)冷(lěng)卻的(de)能力。由于電容器絕緣介質的(de)工作電場(chǎng)強度較高(gāo)，同時(shí)冷(lěng)卻條件較差，因此對(duì)浸漬的(de)技術性能要求較高(gāo)。目前采用(yòng)表面粗化(huà)薄膜，并在高(gāo)真空下(xià)浸漬而形成的(de)全膜電容器已廣泛應用(yòng)。
  紙絕緣電纜在運行過程中，由于黏性浸漬劑的(de)熱(rè)膨脹系數大(dà)，在負荷、溫度有變動體積改變明(míng)顯，而鉛鋁護套受熱(rè)後冷(lěng)卻難以恢複原有尺寸，絕緣内部容易形成氣隙。故黏性浸漬電纜僅适用(yòng)于35KV以下(xià)交流系統。
  更高(gāo)電壓的(de)油紙電纜選用(yòng)黏度較低的(de)電纜油浸漬，并加以油壓，以減小油中氣隙，提高(gāo)絕緣強度。由于薄紙的(de)電氣強度高(gāo)，通(tōng)常包纏用(yòng)的(de)紙帶改用(yòng)0.045～0.075mm的(de)薄紙來(lái)代替常用(yòng)的(de)0.12mm厚的(de)電纜紙。随著(zhe)絕緣材料的(de)發展，用(yòng)烷基苯等合成油來(lái)代替電纜油，用(yòng)薄膜-纖維合成紙來(lái)代替電纜紙。
  （2）采取合理(lǐ)的(de)絕緣結構。使各部分(fēn)絕緣的(de)耐電強度與其承受的(de)場(chǎng)強相匹配；改善電極形狀及表面光(guāng)潔度，是電場(chǎng)分(fēn)布均勻；改善電極與絕緣體的(de)接觸狀态，消除接觸觸電的(de)氣隙或使接觸處的(de)氣隙不承受電位差，如用(yòng)半導體漆。
  帶絕緣（總包絕緣）的(de)三相交流電纜方式，電場(chǎng)屬非同軸圓柱分(fēn)布，平行于紙層方向将出現較強的(de)切線分(fēn)量，從而容易出現滑閃放電。故10KV以上的(de)三芯電纜不用(yòng)帶絕緣結構而改用(yòng)分(fēn)相鉛包（或屏蔽）的(de)，若線芯及金屬護層表面均光(guāng)滑，其間絕緣層中的(de)電場(chǎng)分(fēn)布近于同軸圓柱體電場(chǎng)，電場(chǎng)分(fēn)布較爲均勻。
  交流110KV及以上的(de)高(gāo)壓套管常用(yòng)電容式套管，它是在導電杆上包以多(duō)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(yòng)。
  油浸式變壓器中常用(yòng)的(de)絕緣紙有兩種：①電纜紙（通(tōng)常用(yòng)0.08～0.12mm厚），主要用(yòng)于導線絕緣、層間絕緣及引線絕緣等；②更薄的(de)電話(huà)紙和(hé)更柔軟的(de)皺紋紙有利于包緊出線頭、引線等。絕緣紙闆常用(yòng)作繞組間的(de)墊塊、隔闆等，或制成絕緣筒及對(duì)鐵轭的(de)角環等。在電場(chǎng)很不均勻的(de)區(qū)域，如對(duì)鐵轭或高(gāo)壓引線絕緣，也(yě)采用(yòng)由紙漿制成合适形狀的(de)絕緣成型件，以改善電場(chǎng)分(fēn)布，防止發生沿面滑閃放電。通(tōng)常變壓器繞組與鐵轭間的(de)電場(chǎng)不如繞組中部均勻，故高(gāo)壓進線布置在繞組中部，若需将高(gāo)壓引線（或自耦變壓器的(de)中壓引線）安置在繞組端部時(shí)，需要加進靜電闆以改善繞組近端部處的(de)電場(chǎng)分(fēn)布。靜電闆是在絕緣環上用(yòng)金屬帶包纏成一個(gè)具有較大(dà)曲率半徑的(de)不閉合金屬環，再包以很厚的(de)絕緣層。
  （3）在運行中，注意防止塵污、防潮和(hé)有害氣體的(de)侵蝕，加強散熱(rè)冷(lěng)卻，如自然通(tōng)風、強迫通(tōng)風、氫冷(lěng)、油冷(lěng)、水(shuǐ)内冷(lěng)等措施。如油、紙絕緣的(de)配合使用(yòng)，可(kě)以彌補各自缺點，顯著增強絕緣性能，但紙纖維爲多(duō)孔性的(de)極性介質，極易吸收水(shuǐ)分(fēn)，即使經過幹燥油浸處理(lǐ)仍會吸潮。因此，在出廠前變壓器内纖維的(de)含水(shuǐ)量應降低到0.3%～0.5%，在現場(chǎng)如需吊芯，務必選擇晴朗幹燥天氣，盡量縮短暴露時(shí)間。對(duì)于長(cháng)期停運的(de)變壓器再重新投入前，需檢查是否受潮，有時(shí)還(hái)可(kě)以先預熱(rè)幹燥後再投入運行。