絕緣材料耐電壓擊穿|電氣強度試驗平臺

絕緣材料耐電壓擊穿|電氣強度試驗平臺參數(shù)設置：

電擊穿：

電擊穿是指固體介質(zhì)在強電場的作用下，內(nèi)部少量可自由移動的載流子劇烈運動，與晶格上的原子發(fā)生碰撞使之游離，并迅速擴展而導致?lián)舸Ｌ攸c是：電壓作用時間短，擊穿電壓高，與電場均勻度密切相關，但與環(huán)境溫度及電壓作用時間幾乎無關。

簡介：

固體電介質(zhì)的純粹電破壞過程稱為電擊穿。電擊穿是因為固體電介質(zhì)中的自由電子在強電場中作加速運動，累積較大的動能，這些動能足以破壞介質(zhì)的分子結(jié)構，發(fā)生碰撞游離的連鎖反應時，會在電介質(zhì)中產(chǎn)生貫穿的導電通道，而使固體介質(zhì)喪失絕緣性能，導致電擊穿。

電擊穿的特點是：電壓作用時間短，擊穿場強與電場均勻程度有密切關系，與周圍環(huán)境溫度幾乎無關。

擊穿形式：

固體電介質(zhì)的擊穿過程及其擊穿電壓的大小不但取決于電介質(zhì)的性能，而且還與電場分布、周同溫度、散熱條件、周同介質(zhì)的性質(zhì)有關、加壓速度和電壓作用的持續(xù)性等有關。固體電介質(zhì)根據(jù)其擊穿發(fā)展的過程小同，可分為電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿二種形式。發(fā)生哪種擊穿形式，取決于介質(zhì)的性能和工作條件。

擊穿機制：

在強電場下，固體導帶中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在一些電子。這些電子一方面在外電場作用下被加速，獲得動能；另一方面與晶格振動相互作用，把電場能量傳遞給晶格。當兩個過程在一定的溫度和場強下平衡，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導：當電子從電場中得到的能量大于傳遞給品格振動的能量時，電子的動能就越來越大，至電子能量大到一定值時，電子與晶格振動的相互作用導致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導進入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。

本征電擊穿機制

實驗上，本征電擊穿表現(xiàn)的擊穿主要是由所加電場決定的，在所使用的電場條件下，使電子溫度達到擊穿的臨界水平。觀察發(fā)現(xiàn)，本征擊穿發(fā)生在室溫或室溫以下。發(fā)生的時間間隔很短，在微秒或微秒以下。本征擊穿所以稱之為“本征”，是因為這種擊穿機制與樣品或電極幾何形狀無關，或者與所加電場的波形無關。因此在給定溫度下，產(chǎn)生本征擊穿的電場值僅與材料有關。

這種擊穿與介質(zhì)中的自由電子有關。介質(zhì)中自由電子的來源為雜質(zhì)或缺陷能級、價帶。

雪崩式電擊穿機制

熱擊穿機制對于許多陶瓷材料是適用的。如果材料尺寸可看成是薄膜時，則雪崩式擊穿機制更為有效。

雪崩式電擊穿機制是把本征電擊穿機制和熱擊穿機制結(jié)合起來。因為當電子的分布不穩(wěn)定時，必然產(chǎn)生熱的結(jié)果。因此，這種理論是用本征電擊穿理論描述電子行為，而擊穿的判據(jù)采用的是熱擊穿性質(zhì)。

雪崩式理論認為：電荷是逐漸或者相繼積聚，而不是電導率的突然改變，盡管電荷集聚在很短時間內(nèi)發(fā)生。

雪崩式電擊穿最初的機制是場發(fā)射或離子碰撞。場發(fā)射假設由隧道效應來自價帶的電子進入缺陷能級或進入導帶，導致傳導電子密度增加。

局部放電擊穿

局部放電就是在電場作用下，在電介質(zhì)局部區(qū)域中所發(fā)生的放電現(xiàn)象，這種放電沒有電極之間形成貫穿的通道，整個試樣并沒有被擊穿。例如氣體的電暈放電、液體中的氣泡放電都是局部放電。對于固體電介質(zhì)來說，電極與介質(zhì)之間常常存在著一層環(huán)境媒質(zhì)：氣隙或油膜。就固體電介質(zhì)本身來說，實際上也是不均勻的，往往存在著氣泡、液珠或其他雜質(zhì)和不均勻的組分等。例如陶瓷就是一種多孔性的不均勻材料。由于氣體和液體介電常數(shù)較小，因此承受的電場強度較高。同時氣體和液體的擊穿電場強度又比較低，于是當外施電壓達到一定數(shù)值時，在這薄弱的區(qū)域，就發(fā)生局部放電。

局部放電是脈沖性的，其過程與電暈放電相同。放電結(jié)果產(chǎn)生大量的正、負離子，形成空間電荷，建立反電場，使氣隙中的總電場強度下降，放電熄滅。這樣的放電持續(xù)時間很短，為10-8～10-9s。在直流電壓作用時，放電熄滅后直到空間電荷通過表面泄漏，使反電場削弱到一定程度，才能開始第二次放電。因此在直流電壓作用下，放電次數(shù)甚少。在交流電壓作用時，情況就有所不同。由于電壓的大小與方向是變動的，放電將反復出現(xiàn)，以上表明局部放電是脈沖性的。 

工程介質(zhì)，從材料本身來說，其本征擊穿電場強度一般較高，但由于介質(zhì)的不均勻性和各種影響，實際擊穿強度往往并不很高，有時甚至要降低一、二個數(shù)量級，其中重要原因之一就是局部放電。

取樣方法

開展絕緣油電氣強度試驗時，需要嚴格控制取樣過程，保證所獲得絕緣油的樣本具有代表性、真實性與科學性，防止絕緣油中摻雜灰塵和水分。其具體取樣方法如下：

其一，盛樣本油的容器通常選用磨口處為無色的玻璃瓶。取樣前需用肥皂液、汽油或者是其它類除油物質(zhì)對樣本容器進行清洗，然后利用清水對其進行沖洗，保證樣本容器內(nèi)部PH子小于等于7，且清水能夠均勻從容器口流出為止，最后利用蒸餾水對容器進行數(shù)次清洗，并將其放入溫度為105攝氏度的烤箱中進行烘干，等容器冷卻后，用瓶塞將其塞緊，直到取樣時方可將瓶塞打開。

其二，進行取油時，需保證儲油設備中的絕緣油靜止8小時以上。

其三，從油開關、變壓器或者是其它類充油設備中進行取油時，需在油箱的下方放置油閥，然后對其進行取樣。開展取樣工作前，應將放油門進行清潔，保證放油門出干凈無污，然后從中放出2千克的絕緣油。清洗油孔后，再對取樣容器進行沖洗兩次，方可將所取出的樣本絕緣油注入容器品。塞緊瓶口。保證所取油量符合試驗需求。

其四，若從絕緣油油桶中取樣時，應選用玻璃管對其進行取樣，在取樣前應先將玻璃管進行二次清洗并烘干。

其五，若不在取油處進行試驗，應選用磨口塞將取樣容器的瓶口進行塞緊，并用布或者是紙巾將其擦拭干凈，用繩子將其扎緊，避免雜物或者是水對其造成污染。需要進行長距離運輸?shù)臉悠酚?，需用紙或者布將其整理干凈，然后用火漆或者是石蠟將其進行密封，切記火漆與石蠟均不可與瓶口發(fā)生接觸，防止火漆與石蠟同絕緣油發(fā)生化學反應。最后在樣品容器上注明樣品油的名稱、取樣日期、取樣人、樣品來源等信息。

本文將以從變壓器中所取出的絕緣油為例，進行試驗分析。

二、絕緣油的試驗

因絕緣油在運輸過程中受電場、溫度、氧氣、濕度等因素的影響，導致絕緣油性能不斷發(fā)生變化，此變化能夠通過氣體量、微水含量、色譜等形式表現(xiàn)出來。

（一）含氣量分析

變壓器中所含的絕緣油具有含氣量、色譜、顆粒度、外觀等物理特性，是從石油中所分離出來的一種礦物油，其化學成分包含多種烷烴、芳香族不飽和烴、環(huán)烴族飽和烴等。若變壓器內(nèi)部的絕緣油發(fā)生老化或者是變質(zhì)，內(nèi)部化學物質(zhì)會發(fā)生分解反應，釋放出少量的氣體，例如氫氣、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等。且變壓器絕緣油受溫度影響較大，隨著溫度的升高，氣體釋放量逐漸增加，導致絕緣油發(fā)生變質(zhì)，使絕緣油失去穩(wěn)定性與安全性，引發(fā)變壓器故障。故，能夠利用檢測儀對絕緣油中各類氣體含量進行檢測，對絕緣油性能進行檢測。

（二）微水含量分析

通常把1000ppm低含水量成為“微量水分”，經(jīng)試驗得知“微水含量”對絕緣油影響較大，雜質(zhì)、水分和溫度是影響絕緣油電強度的基本因素，在水中主要由三種形式存在：沉積水、懸浮水喝溶解水。其中溶解水可以提升絕緣油的酸度，影響絕緣油的氧化穩(wěn)定性，導致絕緣油發(fā)生老化或者是編制。絕緣油微水檢測一般是使用庫倫法對其進行檢測，能夠精確檢驗出絕緣油的污染程度。伴隨著我國電網(wǎng)系統(tǒng)建設逐漸朝著智能化、一體化、自動化水平發(fā)展，在線微水監(jiān)測水平利益提升，如介電常數(shù)法、諧振腔微擾法、紅外光譜法等應用越來越廣泛。

（三）色譜分析

“色譜分析技術”是利用一起對變壓器絕緣油中所含的溶解氣體進行檢測，以此分析變壓器內(nèi)部是否存在安全隱患。“色譜分析”是利用儀器對烴類氣體產(chǎn)生速率進行檢測，分析絕緣油樣品中溶解氣體的成本與含量。局部或者是電弧過熱會使變壓器產(chǎn)生故障，利用色譜分析法，對變壓器內(nèi)部溫度與氣體成分進行探測，尋找變壓器內(nèi)部絕緣油所存在的隱患問題。此種辦法精準、快速、用量少，準確率高。

三、絕緣油電氣強度試驗

對所采集的樣本絕緣油進行試驗，其基本操作如下：第一步，確保試驗前所選取的樣本絕緣油溫度與室溫相接近，將樣品油倒入準備好的試驗容器中，顛倒數(shù)次，使樣品油能夠均勻混合，確保沒有產(chǎn)生氣泡。試驗室的溫度通常在15攝氏度到30攝氏度之間，相對濕度小于75%。絕緣油電氣強度試驗通常是在試驗室中開展，確保試驗樣品溫度與試驗室內(nèi)部溫度相吻合。利用玻璃棒，將樣品油沿著玻璃棒緩緩注入容器中，然后將其靜置10到15分鐘左右，再將試驗容器傾倒，當樣品油中有氣泡產(chǎn)生，方可進行試驗。第二步，回路閉合，將電源接通，對其實施升壓試驗。緩慢升高電壓，直到電壓強度達到變壓器絕緣油電介質(zhì)的擊穿強度，直到電解質(zhì)出現(xiàn)電火花為止，及時記錄絕緣油擊穿瞬間電壓數(shù)值。將標準電壓施加在試驗容器的兩極之間，并將升壓速率控制在3000V/s，確保擊穿電流小于4毫安。升壓速度對擊穿電壓值影響較大，若升壓速度太快，擊穿電壓值會隨之升高；若升壓速度較慢，擊穿電壓值會素質(zhì)降低。若擊穿電流較大，會導致絕緣油電氣防電后碳元素會發(fā)生沉積，降低絕緣油的絕緣性能。第三步，試驗樣品進行6次升壓試驗，將6次數(shù)據(jù)中的平均值作為絕緣油氣體強度試驗的最終結(jié)果。在試驗過程應及時對試驗容器和電極表進行清理，且每次擊穿過后應利用不銹鋼棒、玻璃棒對其均勻攪拌，等其靜止后才能夠進行后續(xù)試驗。停止使用時期應將試驗容器和電極中盛滿新油，以此更好地保護電極和試驗容器。第四步，將試驗的最高電壓控制為50kV，若試驗結(jié)果達到絕緣油電氣強度的最高電壓時，樣品絕緣油并沒有出現(xiàn)任何擊穿現(xiàn)象，說明被測絕緣油為合格產(chǎn)品。

四、結(jié)論

綜上所述，絕緣油受高溫、氧氣、強電場、雜質(zhì)的影響較大，導致絕緣油老化，降低電氣設備的安全性與穩(wěn)定性。經(jīng)絕緣油電氣強度試驗，得知絕緣油擊穿電壓有以下幾種情況：其一，當電壓速度上升均勻時，合格絕緣油每次所擊穿的電壓值較穩(wěn)定。其二，合格的絕緣油若升壓速度變化較大，每次擊穿電壓值波動較大，呈現(xiàn)高低起伏的狀態(tài)。其三，若絕緣油內(nèi)部含有水分，擊穿電壓值呈上升趨勢，即每次擊穿電壓值逐步增高。這種現(xiàn)象多是因絕緣油較為純凈，在放電時產(chǎn)生帶電粒子、氣泡和碳泄量，導致絕緣油的性質(zhì)受到破壞。其四，若絕緣油中含有雜質(zhì)，擊穿電壓值呈下降趨勢，即每次擊穿電壓值逐步降低。若處理不及時會導致絕緣油受潮，不斷發(fā)生放電現(xiàn)象。其五，合格絕緣油擊穿電壓平均值大于等于標準值。針對不合格的絕緣油，需對其進行干燥處理、凈化處理等。其六，對樣品油進行放電實驗，火花防電值較低，次現(xiàn)象是受外界影響因素干擾。