提高材料擊穿電壓和擊穿強(qiáng)度的方法

  【摘要】文章介紹提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法。通過(guò)功能概述、要點(diǎn)歸納，掌握提高固體電介質(zhì)擊穿電壓常用方法和措施。
  【關(guān)鍵詞】介質(zhì)擊穿；絕緣
  在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)喪失電絕緣能力而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。導(dǎo)致?lián)舸┑牡团R界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱擊穿場(chǎng)強(qiáng)，又稱介電強(qiáng)度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強(qiáng)度。不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，它低于均勻電場(chǎng)中固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。
  1、擊穿形式
  根據(jù)擊穿的發(fā)展過(guò)程，固體電介質(zhì)的擊穿可分為3種形式：電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿，同一種電介質(zhì)中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素。隨著擊穿過(guò)程中固體電介質(zhì)內(nèi)部的變化，擊穿過(guò)程可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。
  1.1電擊穿
  取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式。電場(chǎng)使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的帶電質(zhì)點(diǎn)，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。對(duì)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(jī)械應(yīng)力擊穿，通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(guò)程所需時(shí)間為10-8s數(shù)量級(jí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于1MV/cm。
  1.2熱擊穿
  在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過(guò)高而導(dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。
  1.3電化學(xué)擊穿
  在電場(chǎng)、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)變化，性能逐漸劣化，最終喪失絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。電化學(xué)擊穿過(guò)程包括兩部分：因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化；與老化有關(guān)的擊穿過(guò)程。
  固體電介質(zhì)發(fā)生緩慢化學(xué)變化的原因多種多樣。直流電壓下，固體電介質(zhì)因離子電導(dǎo)而發(fā)生電解，結(jié)果在電極附近形成導(dǎo)電的金屬樹(shù)枝狀物，甚至從一個(gè)電極伸展到另一個(gè)電極。在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡中，或不同固體電介質(zhì)之間的氣隙或油隙中，會(huì)發(fā)生局部放電。與固體電介質(zhì)接觸的電極邊緣場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的局部區(qū)域內(nèi)如有氣體或液體電介質(zhì)，這里也會(huì)發(fā)生局部放電。局部放電的長(zhǎng)期作用會(huì)使固體電介質(zhì)逐步損壞。
  電場(chǎng)越強(qiáng)，溫度越高，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，固體電介質(zhì)的化學(xué)變化進(jìn)行得越強(qiáng)烈，其性能的劣化也越嚴(yán)重。
  固體電介質(zhì)的化學(xué)變化通常使其電導(dǎo)增加，這會(huì)使固體電介質(zhì)的溫度上升，因而電化學(xué)擊穿的最終形式是熱擊穿。
  影響因素：影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素有：電場(chǎng)的不均勻程度，作用電壓的種類(lèi)及施加的時(shí)間，溫度，固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)，電壓作用次數(shù)，機(jī)械負(fù)荷，受潮等。
  2、提高固體擊穿電壓的方法：
  （1）改進(jìn)制造工藝，使介質(zhì)可能做到均勻致密。
  （2）改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)，使電場(chǎng)分布均勻。
  （3）改善絕緣的運(yùn)行條件。
  3、提高固體擊穿電壓的具體措施：
  （1）通過(guò)精選材料、改善工藝、真空干燥、加強(qiáng)油浸（油、膠、漆），以清除固體電介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等。
  如電力電容器內(nèi)部的浸漬劑主要作用是填充固體絕緣介質(zhì)的空隙，以提高介質(zhì)的耐電強(qiáng)度，改善局部放電特性和增強(qiáng)散熱冷卻的能力。由于電容器絕緣介質(zhì)的工作電場(chǎng)強(qiáng)度較高，同時(shí)冷卻條件較差，因此對(duì)浸漬的技術(shù)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(yīng)用。
  紙絕緣電纜在運(yùn)行過(guò)程中，由于黏性浸漬劑的熱膨脹系數(shù)大，在負(fù)荷、溫度有變動(dòng)體積改變明顯，而鉛鋁護(hù)套受熱后冷卻難以恢復(fù)原有尺寸，絕緣內(nèi)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(tǒng)。
  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(qiáng)度。由于薄紙的電氣強(qiáng)度高，通常包纏用的紙帶改用0.045～0.075mm的薄紙來(lái)代替常用的0.12mm厚的電纜紙。隨著絕緣材料的發(fā)展，用烷基苯等合成油來(lái)代替電纜油，用薄膜-纖維合成紙來(lái)代替電纜紙。
  （2）采取合理的絕緣結(jié)構(gòu)。使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度與其承受的場(chǎng)強(qiáng)相匹配；改善電極形狀及表面光潔度，是電場(chǎng)分布均勻；改善電極與絕緣體的接觸狀態(tài)，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(dǎo)體漆。
  帶絕緣（總包絕緣）的三相交流電纜方式，電場(chǎng)屬非同軸圓柱分布，平行于紙層方向?qū)⒊霈F(xiàn)較強(qiáng)的切線分量，從而容易出現(xiàn)滑閃放電。故10KV以上的三芯電纜不用帶絕緣結(jié)構(gòu)而改用分相鉛包（或屏蔽）的，若線芯及金屬護(hù)層表面均光滑，其間絕緣層中的電場(chǎng)分布近于同軸圓柱體電場(chǎng)，電場(chǎng)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(dǎo)電桿上包以多層絕緣紙構(gòu)成，在層間按設(shè)計(jì)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(dǎo)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(duì)鐵軛的角環(huán)等。在電場(chǎng)很不均勻的區(qū)域，如對(duì)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(chǎng)分布，防止發(fā)生沿面滑閃放電。通常變壓器繞組與鐵軛間的電場(chǎng)不如繞組中部均勻，故高壓進(jìn)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(shí)，需要加進(jìn)靜電板以改善繞組近端部處的電場(chǎng)分布。靜電板是在絕緣環(huán)上用金屬帶包纏成一個(gè)具有較大曲率半徑的不閉合金屬環(huán)，再包以很厚的絕緣層。
  （3）在運(yùn)行中，注意防止塵污、防潮和有害氣體的侵蝕，加強(qiáng)散熱冷卻，如自然通風(fēng)、強(qiáng)迫通風(fēng)、氫冷、油冷、水內(nèi)冷等措施。如油、紙絕緣的配合使用，可以彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，顯著增強(qiáng)絕緣性能，但紙纖維為多孔性的極性介質(zhì)，極易吸收水分，即使經(jīng)過(guò)干燥油浸處理仍會(huì)吸潮。因此，在出廠前變壓器內(nèi)纖維的含水量應(yīng)降低到0.3%～0.5%，在現(xiàn)場(chǎng)如需吊芯，務(wù)必選擇晴朗干燥天氣，盡量縮短暴露時(shí)間。對(duì)于長(zhǎng)期停運(yùn)的變壓器再重新投入前，需檢查是否受潮，有時(shí)還可以先預(yù)熱干燥后再投入運(yùn)行。