固體、液體、氣體的介電強(qiáng)度有什么區(qū)別？
固體、液體、氣體介質(zhì)及其組合介質(zhì)在高電壓作用下，介質(zhì)強(qiáng)度喪失的現(xiàn)象。 破壞性放電時(shí)，電極間的電壓迅速下降到零或接近于零。
擊穿是電介質(zhì)的基本性能之一，標(biāo)志著它在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，是決定電力設(shè)備、電子元器件終使用壽命的重要因素。介質(zhì)擊穿電壓的大小與材料的組成、厚度、環(huán)境條件及電極形狀、布置等有關(guān)。均勻電場下，單位厚度電介質(zhì)的擊穿電壓(MV/m)稱為電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)，又稱介電強(qiáng)度。當(dāng)電介質(zhì)中含有水分、氣泡及細(xì)微雜質(zhì)時(shí)，常使擊穿場強(qiáng)降低。
氣體電介質(zhì)的擊穿
氣體電介質(zhì)的擊穿主要指在電場作用下氣體分子發(fā)生碰撞電離而導(dǎo)致電極間的貫穿性放電。當(dāng)施加在氣體電介質(zhì)上的電壓超過氣體的飽和電流階段之后，即進(jìn)入電子碰撞游離階段，帶電質(zhì)點(diǎn)(主要是電子)在電場中獲得巨大能量，從而將氣體分子碰裂游離成正離子和電子。新形成的電子又在電場中積累能量去碰撞其他分子，使其游離，如此連鎖反應(yīng)，便形成了電子崩。電子崩向陽極發(fā)展，后形成一個(gè)具有高電導(dǎo)的通道，導(dǎo)致氣體擊穿。
氣體電介質(zhì)擊穿電壓與氣壓、溫度、電極形狀及氣隙距離等有關(guān)，因此在實(shí)際工作中要考慮這些因素并進(jìn)行校正。
巴申定律指出提高氣體擊穿電壓的方法是提高氣壓或提高真空度，這兩者在工程上都有實(shí)用意義。這就是當(dāng)變壓器在真空濾油，直接測量絕緣電阻時(shí)，絕緣強(qiáng)度可能很低的原因，要測試絕緣電阻就必須破壞真空。
空氣是很好的氣體絕緣材料，電離場強(qiáng)和擊穿場強(qiáng)高，擊穿后能迅速恢復(fù)絕緣性能，且不燃、不爆、不老化、無腐蝕性，因而得到了廣泛應(yīng)用。為提供高電壓輸電線或變電所的空氣間隙距離的設(shè)計(jì)依據(jù)(高壓輸電線應(yīng)離地面多高等)，需進(jìn)行長空氣間隙的工頻擊穿試驗(yàn)。
固體電介質(zhì)擊穿
固體介質(zhì)擊穿后，由于有巨大電流通過，介質(zhì)中會出現(xiàn)熔化或燒焦的通道，或出現(xiàn)裂紋。脆性介質(zhì)擊穿時(shí)，常發(fā)生材料的碎裂。固體電介質(zhì)的擊穿大致可分為電擊穿、熱擊穿、電化學(xué)擊穿三種形式，不同擊穿形式與電壓作用時(shí)問和場強(qiáng)的關(guān)系如圖3．32所示。
(1)電擊穿。
電擊穿是因電場使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和能量的帶電質(zhì)點(diǎn)而導(dǎo)致電介質(zhì)失去絕緣性能。在強(qiáng)電場的作用下，當(dāng)電介質(zhì)的帶電質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動，發(fā)生碰撞游離的連鎖反應(yīng)時(shí)，就產(chǎn)生電子崩。當(dāng)電場強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)，就會發(fā)生電擊穿，此種電擊穿是屬于電子游離性質(zhì)的擊穿。一般情況下，電擊穿的擊穿電壓是隨著電介質(zhì)的厚度呈線性地增加，而與加壓時(shí)的溫度無關(guān)。電擊穿作用時(shí)間很短，一般以微秒計(jì)，其擊穿電壓較高，而擊穿場強(qiáng)與電場均勻程度關(guān)系很大。
(2)熱擊穿。熱擊穿是指在強(qiáng)電場作用下，由于電介質(zhì)內(nèi)部介質(zhì)損耗而產(chǎn)生的熱量，由于來不及散發(fā)出去，使得電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過高，而電介質(zhì)的絕緣電阻或介質(zhì)損耗具有負(fù)的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度上升時(shí)，其電阻變小，又會使電流進(jìn)一步增大，損耗發(fā)熱也增大。電解質(zhì)的熱擊穿是由電介質(zhì)內(nèi)部的熱不平衡過程造成的。如果發(fā)熱量大于散熱量，形成惡性循環(huán)，電介質(zhì)溫度就會不斷上升，導(dǎo)致溫度不斷上升，進(jìn)一步引起介質(zhì)分解、炭化等。因此，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)破壞而擊穿稱為熱擊穿。熱擊穿的特點(diǎn)是：擊穿電壓隨溫度的升高而下降，擊穿電壓與散熱條件有關(guān)，如電介質(zhì)厚度增加，散熱條件變壞，擊穿強(qiáng)度也隨之下降。高壓電器設(shè)備(如電纜、套管、發(fā)電機(jī)等)由于結(jié)構(gòu)原因，在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高，引起絕緣劣化、損耗增大而發(fā)生熱擊穿故障。熱擊穿除與溫度和時(shí)間有關(guān)外，還與頻率和電化學(xué)擊穿有關(guān)。當(dāng)外施電壓頻率增高時(shí)，擊穿電壓將下降。而電化學(xué)過程也將引起絕緣劣化和介損增加，從而導(dǎo)致發(fā)熱增加。因此，可以認(rèn)為電化學(xué)擊穿是某些熱擊穿的前奏。
(3)電化學(xué)擊穿。
電化學(xué)擊穿是固體電介質(zhì)在電場、溫度、化學(xué)以及機(jī)械力等因素的長期作用下，電介質(zhì)的物理和化學(xué)性能發(fā)生緩慢的、不可逆的老化，性能逐漸劣化，擊穿電壓逐漸下降，長時(shí)間擊穿電壓常常只有短時(shí)擊穿電壓的幾分之一，并終喪失絕緣能力。這種絕緣擊穿稱為電化學(xué)擊穿。例如，在強(qiáng)電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部包含的氣泡首先發(fā)生碰撞游離而放電，雜質(zhì)(如水分)也因受電場加熱而氣化并產(chǎn)生氣泡，于是使氣泡放電進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致整個(gè)電介質(zhì)擊穿。如變壓器油、電纜、套管、高壓電機(jī)定子線棒等，也往往因含氣泡發(fā)生局部放電，如果逐步發(fā)展會使整個(gè)電極之間導(dǎo)通擊穿。而在有機(jī)介質(zhì)內(nèi)部(如油浸紙、橡膠等)，氣泡內(nèi)持續(xù)的局部放電會產(chǎn)生游離生成物，如臭氧及碳水等化合物，從而引起介質(zhì)逐漸變質(zhì)和劣化。電化學(xué)擊穿與介質(zhì)的電壓作用時(shí)間、溫度、電場均勻程度、累積效應(yīng)、受潮、機(jī)械負(fù)荷等多種因素相關(guān)。
液體電介質(zhì)的擊穿在純凈的液體電介質(zhì)中，其擊穿也是由于離子游離所引起的，但工程上用的液體電介質(zhì)或多或少總會有雜質(zhì)，如工程中用的變壓器油，其擊穿則*是由雜質(zhì)所造成的。
在電場作用下，變壓器中的雜質(zhì)如水泡、纖維等聚集到兩電極之內(nèi)，由于它們的介電常數(shù)比油的大得多(纖維為
=7，水為
=81，油為
=2.3)，將被吸向電場較集中的區(qū)域，可能順著電力線排列起來，即順電場方向構(gòu)成“小橋”。小橋的電導(dǎo)和介電常數(shù)都比油大，因而使小橋及其周圍的電場更為集中，降低了油的擊穿電壓。若雜質(zhì)較多，還可構(gòu)成貫穿整個(gè)電極間隙的小橋。有時(shí)，由于較大的電導(dǎo)電流使小橋發(fā)熱，形成油或水分局部氣化，生成的氣泡也沿著電力線排列形成擊穿。變壓器油中見的雜質(zhì)有水分、纖維、灰塵、油泥和溶解的氣體等。水分對變壓器擊穿強(qiáng)度的影響更大，由圖2—18可以看出，含有0．03%水分的變壓器的擊穿強(qiáng)度僅為干燥時(shí)的一半。纖維容易吸收水分，纖維含量多，水分也就多，而且纖維更易順電場方向構(gòu)成橋路。油中溶解的氣體一旦遇到溫度變化或攪動就容易釋放出形成氣泡，這些氣泡在較低電壓下就可能游離，游離氣泡的溫度升高就會蒸發(fā)，因而氣泡沿電場方向也易構(gòu)成小橋，導(dǎo)致變壓器油擊穿。
液體和固體電介質(zhì)分界面的放電現(xiàn)象稱為液體電介質(zhì)中的沿面放電。這種放電不僅可使液體變質(zhì)，而且放電產(chǎn)生的熱作用和劇烈的壓力變化可能使固體介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生氣泡。經(jīng)多次作用會使固體介質(zhì)出現(xiàn)分層、開裂現(xiàn)象，放電有可能在固體介質(zhì)內(nèi)發(fā)展，絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿電壓因此下降。脈沖電壓下液體電介質(zhì)擊穿時(shí)，常出現(xiàn)強(qiáng)力氣體沖擊波(即電水錘)，可用于水下探礦、橋墩探傷及人體內(nèi)臟結(jié)石的體外破碎。
