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材料擊穿電壓過程及影響因素與改進(jìn)辦法
閱讀：1390發(fā)布時(shí)間：2024-3-20
一、介質(zhì)擊穿過程
對(duì)介質(zhì)施加電壓，當(dāng)電壓達(dá)一定值時(shí)，將使發(fā)生擊穿，純凈介質(zhì)的擊穿過程可用碰撞游離來解釋，即電子從電極上或液體分子本身分裂出來，是在電場(chǎng)作用下發(fā)生的。
純凈液體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)雖高，但其提純極其復(fù)雜，而且設(shè)備的制造及運(yùn)行中又難免產(chǎn)生雜質(zhì)，故在工業(yè)上應(yīng)用的液體介質(zhì)中總含有一些雜質(zhì)，例如變壓器油常因受潮而含水分，并有從固體材料中脫落的纖維，它們對(duì)油的擊穿過程都有影響，由于水的介電系數(shù)很大，當(dāng)被纖維吸收后，易沿電場(chǎng)方向排列，形成雜質(zhì)“小橋"，當(dāng)小橋連通電極時(shí)，將使泄漏電流增加，發(fā)熱增多，因面又使水分汽化，氣泡擴(kuò)大。即使其不連通電極，由于吸潮纖維的存在，可使油中場(chǎng)強(qiáng)增高而導(dǎo)致其游離分解出氣體，氣泡增大，游離加強(qiáng)，最后可能在氣體通道中形成擊穿。
二、影響介質(zhì)擊穿電壓的因素
(1)水分：水分可使液體介質(zhì)擊穿電壓大大降低，如圖2-14所示。因?yàn)樾∷榈慕殡娤禂?shù)很大，水珠在電場(chǎng)力的作用下被拉長(zhǎng)，并沿電場(chǎng)方向排列，當(dāng)有相當(dāng)數(shù)量的水珠時(shí)，便可在兩極間形成一導(dǎo)電小橋，小橋連接兩電極，就明顯降低擊穿電壓。事實(shí)上，只有一定數(shù)量的水分能以懸浮狀態(tài)存在于油中，多余的部分將沉積底部，所以水分增多，油的電氣強(qiáng)度進(jìn)一步降低是有限的。
由于液體中含有水分，故使其擊穿電壓隨溫度變化。在不同的溫度下，水分在油中的存在可呈懸浮狀或溶解狀、溶解狀時(shí)的水，由于它在油中呈高度分散，因此并不會(huì)使電氣強(qiáng)度降低多少；相反地呈懸浮狀時(shí)，將會(huì)使擊穿電壓顯著降低，如圖2-15所示。
溫度由零開始上升，油中原來呈懸浮狀的水逐漸隨溫度升高而變?yōu)槿芙鉅?，于是受潮變壓器油?/span>擊穿電壓明顯增加(如圖2-15中曲線2)，在60-80℃時(shí)，擊穿電壓最高；以后隨溫度繼續(xù)升高，水分蒸發(fā)，在油中造成氣泡，因而擊穿電壓又下降。溫度由零開始下降，在0——5℃時(shí)，油中水分全部呈懸浮狀，導(dǎo)電小橋最易形成，故擊穿電壓低。溫度繼續(xù)下降時(shí)，水已結(jié)冰，其介電系數(shù)也下降，同時(shí)油本身也開始變稠、黏度增大，這些都使搭橋效應(yīng)減弱，油的擊穿壓又提高。
（2）壓力：油中含有氣體時(shí)，其工頻擊穿電壓隨油的壓力增大而升高，因壓力增加時(shí)，氣體在油中的溶解量增大，且氣泡的局部放電起始電壓也提高。
(3)纖維和其他雜質(zhì)：油中雜質(zhì)除水分外，還有其他固體雜質(zhì)，如纖維。吸收水分的纖維在電場(chǎng)力的作用下，沿電場(chǎng)方向排列，組成導(dǎo)電小橋，形成擊穿。此外，還有由于放電所產(chǎn)生的碳粒和氧化所生成的殘?jiān)?，它們都?huì)使電場(chǎng)變得不均勻，還可附著于固體表面，降低沿面放電電壓。
(4)電場(chǎng)均勻程度；油的純凈度越高時(shí)，改善電場(chǎng)均勻程度，就越能使工頻、直流擊穿電壓提高。在品質(zhì)較差的油中，改善電場(chǎng)均勻程度的效果并不顯著，因雜質(zhì)的影響能使電場(chǎng)畸變。在沖擊電壓作用下，由于油中雜質(zhì)的作用減弱，改善了電場(chǎng)，能提高其擊穿電壓。
(5)電壓作用時(shí)間：因?yàn)樵谟椭须s質(zhì)的聚集、介質(zhì)發(fā)熱等需要較長(zhǎng)時(shí)間，故油間隙的擊穿電壓隨電壓作用的時(shí)間增大而下降。當(dāng)液體的凈度及溫度增高時(shí)，將使電壓作用時(shí)間對(duì)擊穿電壓影響減小。長(zhǎng)期工作后的油，其電氣強(qiáng)度的下降乃是由于油老化的結(jié)果。在油不太臟的情況下，1min耐壓與長(zhǎng)時(shí)間耐壓值相差不大，因此，在試驗(yàn)時(shí)通常只加壓1min。
油質(zhì)量的檢查是在標(biāo)準(zhǔn)油杯中工頻電壓下進(jìn)行的。我國(guó)試油用的標(biāo)準(zhǔn)油杯電極尺寸(mm)如圖2-16所示。
三、提高液體介質(zhì)擊穿電壓的措施
對(duì)工程上使用的液體介質(zhì)，可考慮以下方法。
(1)過濾與干燥：為除去油中水分、有機(jī)酸、纖維等雜質(zhì)，常用壓濾機(jī)過濾，或加吸附劑(白土、硅膠)處理。
為防止受潮，在大型變壓器呼吸器內(nèi)裝干燥劑，或充氮保護(hù)和在油枕中用塑料氣囊使油面不與空氣直接接觸：
(2)祛氣：為除去油中氣泡的影響，可采用此法，但對(duì)密封不嚴(yán)運(yùn)行中的變壓器作用不大。
(3)為消除纖維帶來的導(dǎo)電小橋的危害，廣泛采用油—固體組合絕緣，分下面三種情況。
1.覆層的作用
在稍不均勻電場(chǎng)中曲率半徑較小的電極上，常樓蓋以薄電纜紙或黃蠟布，或涂以漆膜。如圖2-17(a)所示(對(duì)稱電極時(shí)兩個(gè)電極均應(yīng)覆蓋)，覆蓋雖然很薄(零點(diǎn)兒米以下)。但它卻限制了泄漏電流，陽(yáng)止了雜質(zhì)“小橋"的發(fā)展，使工頻下擊穿電壓顯著提高，分散性也明顯下降。例如擊穿電壓在均勻電場(chǎng)中可提高70%～100%，在極不均勻電場(chǎng)中可提高10%~15%。因此，在充油的電力設(shè)備中極少采用裸導(dǎo)線。
2 絕緣層
如圖2-17(b)所示，在不均勻電場(chǎng)曲率半徑小的電極上，包以較厚的電纜紙或黃蠟布的固體絕緣層，它有一定厚度。故還可承受一定電壓，改變油中電場(chǎng)分布，該絕緣層可使絕緣強(qiáng)度降低，提高整個(gè)間隙的工頻擊穿電壓，如變壓器引線上包的厚絕緣層及屏蔽線匝上的絕緣等：
3. 屏障
如圖2-17(c)所示，在油隙中放置尺寸較大(與電極尺寸相適應(yīng))厚度在1-3mm的層壓紙板或?qū)訅翰及迤琳?，它既能阻止雜質(zhì)“小橋"的形成，又能如氣體介質(zhì)中那樣；當(dāng)電極曲率小處先發(fā)生游離時(shí)，離子積聚在屏障一側(cè)，使屏障與另一電極間電場(chǎng)變得均勻，從而使間隙的放電電壓提高。屏障在極不均勻電場(chǎng)中效果明顯，如圖2-18中，BB’為屏障，A、CC’為電極，當(dāng)a/d≤0.4時(shí)，工頻擊穿電壓可達(dá)無(wú)屏障時(shí)的兩倍或更高。在均勻或稍不均勻電場(chǎng)中，屏障也有提高擊穿電壓的作用，這時(shí)其主要作用是妨礙了雜質(zhì)在電極間移動(dòng)形成通路。所以在充油套管、多油斷路器、變壓器等充油設(shè)備中都廣泛采用屏障絕緣。
4.多重屏障
多重屏障將原來的油間隙分割成較小的間隙，如圖2-17(e)所示，當(dāng)間隙愈短時(shí)，擊穿不易形成和發(fā)展，而短間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較長(zhǎng)間隙高，這樣就可提高整個(gè)間隙的擊穿電壓。我國(guó)生產(chǎn)的電力變壓器中已廣泛采用這種薄紙筒，小油道的絕緣結(jié)構(gòu)，可大大縮小變壓器的尺寸。
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