材料击穿电压过程及影响因素与改进办法

一、介质击穿过程

对介质施加电压，当电压达一定值时，将使发生击穿，纯净介质的击穿过程可用碰撞游离来解释，即电子从电极上或液体分子本身分裂出来，是在电场作用下发生的。

纯净液体介质击穿场强虽高，但其提纯极其复杂，而且设备的制造及运行中又难免产生杂质，故在工业上应用的液体介质中总含有一些杂质，例如变压器油常因受潮而含水分，并有从固体材料中脱落的纤维，它们对油的击穿过程都有影响，由于水的介电系数很大，当被纤维吸收后，易沿电场方向排列，形成杂质“小桥"，当小桥连通电极时，将使泄漏电流增加，发热增多，因面又使水分汽化，气泡扩大。即使其不连通电极，由于吸潮纤维的存在，可使油中场强增高而导致其游离分解出气体，气泡增大，游离加强，最后可能在气体通道中形成击穿。

二、影响介质击穿电压的因素

(1)水分：水分可使液体介质击穿电压大大降低，如图2-14所示。因为小水珠的介电系数很大，水珠在电场力的作用下被拉长，并沿电场方向排列，当有相当数量的水珠时，便可在两极间形成一导电小桥，小桥连接两电极，就明显降低击穿电压。事实上，只有一定数量的水分能以悬浮状态存在于油中，多余的部分将沉积底部，所以水分增多，油的电气强度进一步降低是有限的。

由于液体中含有水分，故使其击穿电压随温度变化。在不同的温度下，水分在油中的存在可呈悬浮状或溶解状、溶解状时的水，由于它在油中呈高度分散，因此并不会使电气强度降低多少；相反地呈悬浮状时，将会使击穿电压显著降低，如图2-15所示。

温度由零开始上升，油中原来呈悬浮状的水逐渐随温度升高而变为溶解状，于是受潮变压器油的击穿电压明显增加(如图2-15中曲线2)，在60-80℃时，击穿电压最高；以后随温度继续升高，水分蒸发，在油中造成气泡，因而击穿电压又下降。温度由零开始下降，在0——5℃时，油中水分全部呈悬浮状，导电小桥最易形成，故击穿电压低。温度继续下降时，水已结冰，其介电系数也下降，同时油本身也开始变稠、黏度增大，这些都使搭桥效应减弱，油的击穿压又提高。

（2）压力：油中含有气体时，其工频击穿电压随油的压力增大而升高，因压力增加时，气体在油中的溶解量增大，且气泡的局部放电起始电压也提高。

(3)纤维和其他杂质：油中杂质除水分外，还有其他固体杂质，如纤维。吸收水分的纤维在电场力的作用下，沿电场方向排列，组成导电小桥，形成击穿。此外，还有由于放电所产生的碳粒和氧化所生成的残渣等，它们都会使电场变得不均匀，还可附着于固体表面，降低沿面放电电压。

(4)电场均匀程度；油的纯净度越高时，改善电场均匀程度，就越能使工频、直流击穿电压提高。在品质较差的油中，改善电场均匀程度的效果并不显著，因杂质的影响能使电场畸变。在冲击电压作用下，由于油中杂质的作用减弱，改善了电场，能提高其击穿电压。

(5)电压作用时间：因为在油中杂质的聚集、介质发热等需要较长时间，故油间隙的击穿电压随电压作用的时间增大而下降。当液体的净度及温度增高时，将使电压作用时间对击穿电压影响减小。长期工作后的油，其电气强度的下降乃是由于油老化的结果。在油不太脏的情况下，1min耐压与长时间耐压值相差不大，因此，在试验时通常只加压1min。

油质量的检查是在标准油杯中工频电压下进行的。我国试油用的标准油杯电极尺寸(mm)如图2-16所示。

三、提高液体介质击穿电压的措施

对工程上使用的液体介质，可考虑以下方法。

(1)过滤与干燥：为除去油中水分、有机酸、纤维等杂质，常用压滤机过滤，或加吸附剂(白土、硅胶)处理。

为防止受潮，在大型变压器呼吸器内装干燥剂，或充氮?；ず驮谟驼碇杏盟芰掀沂褂兔娌挥肟掌苯咏哟ィ?/span>

(2)祛气：为除去油中气泡的影响，可采用此法，但对密封不严运行中的变压器作用不大。 

(3)为消除纤维带来的导电小桥的危害，广泛采用油—固体组合绝缘，分下面三种情况。

1.覆层的作用

在稍不均匀电场中曲率半径较小的电极上，常楼盖以薄电缆纸或黄蜡布，或涂以漆膜。如图2-17(a)所示(对称电极时两个电极均应覆盖)，覆盖虽然很薄(零点儿米以下)。但它却限制了泄漏电流，阳止了杂质“小桥"的发展，使工频下击穿电压显著提高，分散性也明显下降。例如击穿电压在均匀电场中可提高70%～100%，在极不均匀电场中可提高10%~15%。因此，在充油的电力设备中极少采用裸导线。

2 绝缘层

如图2-17(b)所示，在不均匀电场曲率半径小的电极上，包以较厚的电缆纸或黄蜡布的固体绝缘层，它有一定厚度。故还可承受一定电压，改变油中电场分布，该绝缘层可使绝缘强度降低，提高整个间隙的工频击穿电压，如变压器引线上包的厚绝缘层及屏蔽线匝上的绝缘等：

3. 屏障

如图2-17(c)所示，在油隙中放置尺寸较大(与电极尺寸相适应)厚度在1-3mm的层压纸板或层压布板屏障，它既能阻止杂质“小桥"的形成，又能如气体介质中那样；当电极曲率小处先发生游离时，离子积聚在屏障一侧，使屏障与另一电极间电场变得均匀，从而使间隙的放电电压提高。屏障在极不均匀电场中效果明显，如图2-18中，BB’为屏障，A、CC’为电极，当a/d≤0.4时，工频击穿电压可达无屏障时的两倍或更高。在均匀或稍不均匀电场中，屏障也有提高击穿电压的作用，这时其主要作用是妨碍了杂质在电极间移动形成通路。所以在充油套管、多油断路器、变压器等充油设备中都广泛采用屏障绝缘。

4.多重屏障

多重屏障将原来的油间隙分割成较小的间隙，如图2-17(e)所示，当间隙愈短时，击穿不易形成和发展，而短间隙的击穿场强较长间隙高，这样就可提高整个间隙的击穿电压。我国生产的电力变压器中已广泛采用这种薄纸筒，小油道的绝缘结构，可大大缩小变压器的尺寸。