絕緣油的介電強度特性

一、主要概念

擊穿breakdown:絕緣材料在電場作用下形成貫穿性橋路，發(fā)生破壞性放電，使電極之間的電壓降至零或接近零的現(xiàn)象，對固體介質(zhì)是永遠失去介電強度，對液體、氣體，只是暫時失去介電強度。

擊穿電壓breakdown voltage:在規(guī)定的試驗條件下絕緣體或試樣發(fā)生擊穿時的電壓。

介電強度 dielectric strength:又稱電氣強度，是指絕緣介質(zhì)能承受而不致遭到擊穿的最高電場強度。在規(guī)定的試驗條件下，發(fā)生擊穿的電壓除以施加電壓的兩電極之間距離所得商，單位以 kV/cm 表示。

二、雜質(zhì)對絕緣油擊穿電壓的影響

油中的雜質(zhì)主要來自兩方面，即外來的雜質(zhì)和內(nèi)分解的雜質(zhì)。外來的雜質(zhì)是設備中固體絕緣纖維及空氣中的灰塵、纖維所造成的。內(nèi)部雜質(zhì)是由油中的不飽和烴類分解出的氧化物、可溶性樹脂、油泥以及由于電弧所形成的油離碳等所造成。這些雜質(zhì)最麻煩的地方是它們能以懸浮狀態(tài)遍布于油中，在電場作用下，最易形成橋路，使油的介電強度大為降低。

三、水分對絕緣油擊穿電壓的影響

當油中的懸浮雜質(zhì)愈多以及油離碳(油離碳是指絕緣油在電弧下分解的碳質(zhì)物)有顯著存在量時，油中含水的可能性也愈大。水分的來源一方面是空氣的潮濕氣侵入，另一方面也來自設備內(nèi)的有機物(包括絕緣油)因溫度而造成的分解。另外，絕緣油中的水分含量還受到油中烴類影響，如芳香烴。油中芳香烴含量愈多，溫度愈高，其能溶解水分的性能也愈顯著。這些水分幾乎都是顯微狀析出，因而就更增加了懸浮(懸浮包括乳化和粗分散狀態(tài))及可溶性。含有水分絕緣油的絕緣水平將會顯著降低，特別是水分對絕緣油的擊穿電壓影響更大。有資料表明，當油中含水量僅為0.03%時，其擊穿電壓就已下降了25%。

四、試驗條件對絕緣油擊穿電壓的影響

1.擊穿電壓與加壓時間的關系

當絕緣油比較純凈時，則擊穿電壓與加壓時間的關系不大。但是，在工程上用的絕緣油中總是不可避免地含有或多或少的雜質(zhì)，此時的擊穿電壓就與加壓的時間有關，一般加壓時間長時，擊穿電壓就會降低，因此在做絕緣油的交流擊穿電壓(介電強度)試驗時，有必要規(guī)定升壓的速度。

2.擊穿電壓與頻率和波形的關系

絕緣油的交流擊穿電壓通常是隨施加電壓頻率的增加而增加的，這也是雜質(zhì)的作用。當油中雜質(zhì)減少時，擊穿電壓與頻率的關系也就不顯著了。這是由于試驗頻率越高，油的游離現(xiàn)象就會減弱，其擊穿電壓值就越高。不過當頻率過高時，油的擊穿電壓反而會降低，這是因為當頻率過高時，油的介質(zhì)損耗值的無功部分增加而造成熱擊穿。

油的擊穿電壓與電壓波形的關系也與油中雜質(zhì)的含量有關。在大多數(shù)情況下，當交流電壓的波形畸變時，擊穿電壓取決于電壓波的最大值而不是有效值。因此施加的電壓為含有三次諧波的尖頂波時，得出的有效值表示的擊穿電壓就偏低，故試驗電源可采用線電壓以減少諧波的影響。

3.擊穿電壓與電極間隙的關系

在均勻電場下，擊穿電壓一般與電極的間隙成正比。只有當電極的間隙很小(≤1mm)時，才能獲得均的電場，如電極間隙較大，即使在電極很大的情況下，也不能認為電場是均勻的。在不均勻電場中，擊穿電壓與間隙距離不成正比。因此，嚴格地說，在不同間隙距離下獲得的擊穿電壓，即使換算到同樣的間隙距離，也缺乏可比性所以油的擊穿電壓都是指在規(guī)定的間隙距離下的擊穿電壓值。

4.電極形狀和材質(zhì)對擊穿電壓的影響

電極的形狀和材質(zhì)對絕緣油擊穿電壓的大小也有一定的影響。從三種形式電極(球形、球蓋形和平板形)比較試驗，不論油樣的擊穿電壓高低，都以球形電極的擊穿電壓值為最高，球蓋形其次，平板形相對較低。當擊穿電壓值在30kV以下時，上述差別有縮減的趨勢。擊穿電壓不僅與電極的形狀有關，而且還與電極表面的尺寸有關。表面愈大，擊穿電壓愈低。這是因為油的擊穿屬于熱擊穿形式，當電極表面增大時，油的對流作用減弱，從而也就減弱了對油的冷卻作用，使油的加熱速度增加，擊穿電壓降低。此外，在電極的材質(zhì)上，對于絕緣油，其擊穿電壓的順序是:銀、銅、金、鉛、錫、鐵，即在采用銀質(zhì)電極時，在相同的電極距離下，其擊穿電壓值為最高，銅次之，鐵最一低，也就是說，熱導系數(shù)大的材料制作的電極所得出的擊穿電壓高，這是符合絕緣油的熱擊穿理論的，因此在各種方法中都規(guī)定了電極的形狀和材料。

5.溫度對擊穿電壓的影響

影響絕緣油介電強度大小的主要因素是溫度、水分及雜質(zhì)，特別是含有雜質(zhì)及水分的油，溫度對介電強度的影響更為顯著。

不含雜質(zhì)并經(jīng)干燥無水分的油，其介電強度主要靠油的中性粒子的不游離性，所以在一定電場強度及溫度下它的離子質(zhì)量還是比較大的。若溫度繼續(xù)上升(如超過70~80℃)，則油的內(nèi)分子狀況就要起很大的變化，而黏度顯著減小，于是，由電場所引起的離子速度在油內(nèi)毫不受阻攔地進行加速，從而擴大了離子碰撞游離的可能性使油發(fā)生擊穿。如果油內(nèi)含有水分和雜質(zhì)，則溫度對于油的擊穿電壓的影響就不同于純凈干燥的油品了。溫度較低時，水分懸溶于油中呈乳濁狀，在電場作用下，發(fā)生極性排序現(xiàn)象，在電場作用下的電子很容易沿著這種整齊排列的橋路，即相當于沿著乳濁體的體積電阻通過。所以溫度較低時，其擊穿電壓值較小。當溫度升高時，由于溫度所造成的黏度值的減小，則水分乳濁體的活性變大，借助電場作用疏散于油的中性分子之中。由于此時溫度所造成的黏度值還不是最小，所以疏散的水分子乳濁體在同一時間內(nèi)參差不齊及借黏度的作用，就比較不易結成橋路。溫度再繼續(xù)升高，則水分子乳濁體的活性更大，其擊穿電壓值也隨溫度上升而增加。當溫度繼續(xù)上升，致使油的黏度達到極小值時(如溫度超過70℃)，油的分子活性增加，水分乳濁體就很難借油的黏度阻力而逃脫電場的束縛，則又重新結成橋路，造成擊穿。所以含有水分的油的擊穿電壓最大值對于溫度的影響，比不含水分的油要低。