高電壓技術—固體電介質的擊穿了解原子的結構及電離的概念學習目標能把提高固體介質擊穿電壓措施應用在工程實踐上知曉固體介質的三種擊穿形式及特點知曉、領會影響固體介質擊穿的主要因素了解固體介質的作用、分類及特點01固體電介質的擊穿理論概述一.固體電介質的擊穿1.固體電介質的固有耐電強度比氣體和液體電介質高。通常，空氣的耐電強度一般在3kV/mm~40kV/mm左右；液體的耐電強度在10kV/mm~20kV/mm；而固體的耐電強度在十幾~幾百kV/mm2.固體電介質的擊穿過程最復雜，且擊穿后其絕緣性能不能恢復。固體電介質擊穿后會出現燒焦或熔化的通道、裂縫等，即使去掉外施電壓，也不能像氣體、液體電介質那樣恢復絕緣性能，屬于非自恢復絕緣。1、電擊穿與氣體擊穿過程相似。作用時間短，擊穿電壓高。2、熱擊穿由熱不穩定過程造成的。3、電化學擊穿作用時間長，擊穿電壓低擊穿形式：一.固體電介質的擊穿固體電介質擊穿場強與電壓作用時間的關系電擊穿機理固體電介質的電擊穿理論與氣體的擊穿相似，認為是在強電場作用下，電介質內部少量的帶電質點劇烈運動，發生碰撞游離形成電子崩，當電子崩足夠強時，破壞了固體電介質的晶格結構導致擊穿。1.電擊穿一.固體電介質的擊穿電擊穿特點電壓作用時間短；擊穿電壓高；擊穿電壓與環境溫度無關；電場均勻程度對擊穿電壓影響很大。1.電擊穿一.固體電介質的擊穿熱擊穿是由于固體電介質內部的熱不穩定過程造成的。在長期電壓作用下，由于電導和極化損耗的存在，使介質發熱升溫，而電介質電導具有正的溫度系數，溫度升高電導變大，損耗發熱也隨之增大。如果散熱條件不好或電壓達到某一臨界值，使發熱量超過散熱量，則介質的溫度會不斷上升，以致引起電介質分解、炭化或燒焦，最終擊穿。熱擊穿機理2.熱擊穿一.固體電介質的擊穿熱擊穿電壓隨環境溫度的升高呈指數規律下降；隨外施電壓作用時間的增長而下降；隨外施電壓頻率的增高而下降；周圍媒質的散熱條件越差，熱擊穿電壓越低；固體電介質的厚度增加或其tgδ增大，都會使介質發熱量增大，導致熱擊穿電壓下降。熱擊穿特點2.熱擊穿一.固體電介質的擊穿電化學擊穿機理電介質在運行中長期受到電、熱、化學和機械力等的聯合作用，使其物理、化學性能發生不可逆的劣化，最終導致擊穿。3.電化學擊穿一.固體電介質的擊穿電化學擊穿特點電化學擊穿是固體電介質在電壓長期作用下劣化、老化而引起的，它與固體電介質本身的制造工藝、工作條件等有密切關系，擊穿電壓比電擊穿和熱擊穿更低，甚至在工作電壓下都可能發生。3.電化學擊穿一.固體電介質的擊穿思考1.在雷電沖擊作用下的固體電介質往往以哪種形式擊穿？2.在高溫環境下或受潮時固體電介質往往以哪種形式擊穿？3.在長期工作電壓作用下的固體電介質往往以哪種形式擊穿？4.固體電介質的厚度增加，越容易發生哪種形式的擊穿？一.固體電介質的擊穿02影響固體電介質擊穿電壓的因素二.影響固體電介質擊穿電壓的因素影響因素影響因素電壓作用時間電場均勻程度和介質厚度溫度電壓種類受潮累積效應機械負荷1.電壓作用時間1-66電壓作用時間越長，擊穿電壓越低，而且對于大多數固體電介質來說存在著明顯的分界點。當電壓作用時間足夠長，以致引起熱擊穿或電化學擊穿時，擊穿電壓急劇下降。1-66二.影響固體電介質擊穿電壓的因素2.電場均勻程度和介質厚度在均勻電場中，固體電介質的擊穿電壓要高于不均勻電場中的擊穿電壓，且其擊穿電壓隨著介質厚度的增加近似地成線性增加。在不均勻電場中，介質厚度越大，電場越不容易均勻，擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性增加。值得注意的一點是，當介質厚度增加到散熱困難以致出現熱擊穿時，再靠繼續增加厚度來提高擊穿電壓就沒有多大意義了。二.影響固體電介質擊穿電壓的因素3.溫度工頻電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關系當環境溫度較低時：固體電介質擊穿電壓與溫度幾乎無關，屬于電擊穿；當環境溫度高到一定程度：電擊穿轉為熱擊穿，擊穿電壓大幅度下降。且環境溫度越高，熱擊穿電壓越低。不同材料，臨界溫度t0不同即使同一材料，t0值也因介質厚度、冷卻條件和所加電壓性質等因素的不同而在很大范圍內變動。二.影響固體電介質擊穿電壓的因素4.電壓種類在相同條件下，固體電介質在直流、交流和沖擊電壓下的擊穿電壓往往是不同的。在直流電壓下，固體電介質的損耗（主要為電導損耗）比工頻交流電壓下的損耗（除電導損耗外，還包括極化損耗甚至還有游離損耗）小，電介質發熱少，因此直流擊穿電壓比工頻擊穿電壓（幅值）高。而交流電壓下，工頻交流擊穿電壓要高于高頻交流擊穿電壓，因為高頻下局部放電嚴重，發熱也嚴重，使其擊穿電壓最低。在沖擊電壓下，由于電壓作用時間極短，熱的效應和電化學的影響來不及起作用，因此擊穿電壓比工頻交流和直流下都高。沖擊電壓＞直流電壓＞工頻交流電壓＞高頻電壓二.影響固體電介質擊穿電壓的因素5.受潮1.固體介質受潮后其擊穿電壓的下降程度與材料的吸水性有關。2.對不易吸潮的電介質，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，受潮后擊穿電壓下降一半左右；3.對易吸潮的電介質，如棉紗、紙等纖維材料，受潮后擊穿電壓僅為干燥時的幾百分之一。二.影響固體電介質擊穿電壓的因素6.累積效應固體電介質屬于非自恢復絕緣，每次施加某一電壓時，都會使絕緣產生一定程度的損傷，在多次施加同樣電壓時，絕緣的損傷會逐步積累，稱為累積效應。累積效應使固體電介質的絕緣性能劣化，導致擊穿電壓下降。為什么絕緣出廠試驗高于預防性試驗標準二.影響固體電介質擊穿電壓的因素7.機械負荷均勻和致密的固體電介質在彈性限度內，擊穿電壓與其機械變形無關但對某些具有孔隙的不均勻固體電介質，機械應力和變形對其擊穿電壓影響較大。機械應力可能使電介質中的孔隙減少或縮小，從而使擊穿電壓提高；也可能使某些原來較完整的電介質產生開裂、松散，如該介質放在氣體中，則氣體將填充到裂縫內，從而使擊穿電壓下降。二.影響固體電介質擊穿電壓的因素03提高固體電介質的擊穿電壓的措施三.提高固體電介質的擊穿電壓的措施1.改進絕緣設計采用合理的絕緣結構，使各部分絕緣的耐電強度與其所承擔的場強有適當的配合；改善電極形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻。使邊緣效應減小到最小程度改善電極與電介質的接觸狀態，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差改進密封結構，確保可靠密封等。2.改進制造工藝環氧樹脂真空澆注罐盡可能地清除固體電介質中殘留的雜質、氣泡、水分等，使固體電