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關于絕緣材料的抗電強度、擊穿場強、介電強度

發表時間:2022-12-05      點擊次數:390

絕緣材料抗電強度

一、強電場作用下絕緣材料的破壞

在強電場中工作的絕緣材料,當所承受的電壓超越一臨界 V穿時便喪失了絕緣材料性能而被擊穿,這種現象稱為 電介質的擊穿,V穿稱為擊穿電壓。

采用相應的擊穿場強來比較各種材料的耐擊穿能力,材料所能承受的最大電場強度稱為材料的抗電強度或介電強度, 其數值等于相應的擊穿場強(V/m):

E穿 =V穿/d

二、影響材料擊穿電壓的因素:

材料本身的性質:固體介質的擊穿同時伴隨著材料的破壞,而氣體及液體介質被擊穿后,隨著外 電場的撤銷仍然能恢復材料性能。

外界因素:試樣和電極的形狀、外界的媒介、溫 度、壓力等。

電介質的擊穿形式:介質在電場中擊穿現象相當復雜,一 個器件的擊穿可能有多種擊穿形式,主要有: 

電擊穿

熱擊穿

化學擊穿

對于任意一種材料,這3種形式的擊穿都可能發生,主要 取決于試樣的缺陷情況及電場的特征(交流和直流,高頻 和低頻,脈沖電場等)以及器件的工作條件。

三、擊穿形式:

1、電擊穿

在強電場的作用下原來處于熱運動狀態的少數“自由電子"將沿反電場方向 定向運動。在其運動過程中不斷撞擊介質內的離子,同時將其部分能量轉 給這些離子,當外加電壓足夠高是,自由電子定向運動的速度超過一定臨 界值可使介質內的離子電離出次級電子,這些電子都會從電場中吸取能量 而加速,又撞擊出第三級電子,連鎖反應將造成大量自由電子形成 “雪 崩" ,導致介質的擊穿,這個過程大概只需要107108s的時間,因此 電擊穿往往是瞬息完成的。

2、熱擊穿

絕緣材料在電場下工作時由于各種形式的損耗,部分電 能轉變成熱能,使介質被加熱,若器件內部產生的熱量 大于器件散發出去的熱量,則熱量就在器件內部積聚, 使器件溫度升高,升溫的結果進一步增大損耗,使發熱 量進一步增多,這樣惡性循環的結果使器件溫度不斷上 升,當溫度超過一定限度時介質會出現燒裂、熔融等現 象而喪失絕緣能力,這就是介質的熱擊穿。

3、化學擊穿

長期運行在高溫、潮濕、高電壓或腐蝕性氣體環境 下的絕緣材料往往會發生化學擊穿,化學擊穿和材 料內部的電解、腐蝕、氧化、還原、氣孔中氣體電 離等一系列不可逆變化有很大的關系,而且需要相

當長時間,材料被“老化" ,逐漸喪失絕緣性能, 最后導致被擊穿而破壞。

化學擊穿的機理:

1)在直流和低頻交變電壓下,由于離子式電導引起電解過程,材料中發 生電還原作用,使材料的電導損耗急劇上升,最后由于強烈發熱成為熱化 學擊穿;

2)當材料中存在著封閉氣孔時,由于氣體的游離放出的熱量使器件溫度 迅速上升,變價金屬氧化物在高溫下金屬離子加速從高價還原成低價離子, 甚至還原成金屬原子,使材料電子式電導大大增加,電導的增加反過來又 使器件強烈發熱,導致最終擊穿。

四、影響抗電強度的因素:

1)溫度

溫度對電擊穿影響不大;

對熱擊穿影響較大,溫度升高使材料的漏導電流增大,損耗增大,發熱量增 加,促進了熱擊穿的產生;

環境的溫度升高使器件內部的熱量不容易散發,進一步加大了熱擊穿傾向。

溫度升高使材料的化學反應加速,促使材料老化,加快了化學擊穿的進程。

2)頻率

頻率對熱擊穿有很大的影響,在一般情況下,如果其他條件不變,則E穿與 頻率w的平方根成反比,即:

image.png 

五、抗電強度的測量與應用:

在特定的條件下進行,標準GB/T1408.1-2016;IEC60243-12013;GB/T1408.2-2016;IEC60243-22013;ASTM D149;GB/T1695-2005;規定了固體電工材料頻擊穿電壓,擊穿場強,耐電壓的實驗方法。對試樣的尺寸,電極的形狀,加壓方式等都做了規定。



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