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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設置：

電擊穿：

電擊穿是指固體介質在強電場的作用下，內部少量可自由移動的載流子劇烈運動，與晶格上的原子發生碰撞使之游離，并迅速擴展而導致擊穿。特點是：電壓作用時間短，擊穿電壓高，與電場均勻度密切相關，但與環境溫度及電壓作用時間幾乎無關。

簡介：

固體電介質的純粹電破壞過程稱為電擊穿。電擊穿是因為固體電介質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的分子結構，發生碰撞游離的連鎖反應時，會在電介質中產生貫穿的導電通道，而使固體介質喪失絕緣性能，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，與周圍環境溫度幾乎無關。

擊穿形式：

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

擊穿機制：

在強電場下，固體導帶中可能因冷發射或熱發射存在一些電子。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，固體介質有穩定的電導：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生新電子，使自由電子數迅速增加，電導進入不穩定階段，擊穿發生。

本征電擊穿機制

實驗上，本征電擊穿表現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。觀察發現，本征擊穿發生在室溫或室溫以下。發生的時間間隔很短，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，產生本征擊穿的電場值僅與材料有關。

這種擊穿與介質中的自由電子有關。介質中自由電子的來源為雜質或缺陷能級、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合起來。因為當電子的分布不穩定時，必然產生熱的結果。因此，這種理論是用本征電擊穿理論描述電子行為，而擊穿的判據采用的是熱擊穿性質。

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發生。

雪崩式電擊穿最初的機制是場發射或離子碰撞。場發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，在電介質局部區域中所發生的放電現象，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。對于固體電介質來說，電極與介質之間常常存在著一層環境媒質：氣隙或油膜。就固體電介質本身來說，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值時，在這薄弱的區域，就發生局部放電。

局部放電是脈沖性的，其過程與電暈放電相同。放電結果產生大量的正、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，以上表明局部放電是脈沖性的。 

工程介質，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的樣品油，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生接觸，防止火漆與石蠟同絕緣油發生化學反應。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生變化，此變化能夠通過氣體量、微水含量、色譜等形式表現出來。

（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、環烴族飽和烴等。若變壓器內部的絕緣油發生老化或者是變質，內部化學物質會發生分解反應，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，導致絕緣油發生變質，使絕緣油失去穩定性與安全性，引發變壓器故障。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"，經試驗得知“微水含量"對絕緣油影響較大，雜質、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定性，導致絕緣油發生老化或者是編制。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。伴隨著我國電網系統建設逐漸朝著智能化、一體化、自動化水平發展，在線微水監測水平利益提升，如介電常數法、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，以此分析變壓器內部是否存在安全隱患。“色譜分析"是利用儀器對烴類氣體產生速率進行檢測，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生故障，利用色譜分析法，對變壓器內部溫度與氣體成分進行探測，尋找變壓器內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，顛倒數次，使樣品油能夠均勻混合，確保沒有產生氣泡。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的擊穿強度，直到電解質出現電火花為止，及時記錄絕緣油擊穿瞬間電壓數值。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次數據中的平均值作為絕緣油氣體強度試驗的最終結果。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任何擊穿現象，說明被測絕緣油為合格產品。

四、結論

綜上所述，絕緣油受高溫、氧氣、強電場、雜質的影響較大，導致絕緣油老化，降低電氣設備的安全性與穩定性。經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，呈現高低起伏的狀態。其三，若絕緣油內部含有水分，擊穿電壓值呈上升趨勢，即每次擊穿電壓值逐步增高。這種現象多是因絕緣油較為純凈，在放電時產生帶電粒子、氣泡和碳泄量，導致絕緣油的性質受到破壞。其四，若絕緣油中含有雜質，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，不斷發生放電現象。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，次現象是受外界影響因素干擾。