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(chǎng)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(shí)失去介電強度。

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

介電強度 dielectric strength:又稱(chēng)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(chǎng)強度。在規定的試驗條件下，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(lái)自?xún)煞矫?，即外?lái)的雜質(zhì)和內分解的雜質(zhì)。外來(lái)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。內部雜質(zhì)是由油中的不飽和烴類(lèi)分解出的氧化物、可溶性樹(shù)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(chǎng)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(zhù)存在量時(shí)，油中含水的可能性也愈大。水分的來(lái)源一方面是空氣的潮濕氣侵入，另一方面也來(lái)自設備內的有機物(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(lèi)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(zhù)。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(huì )顯著(zhù)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?jì)H為0.03%時(shí)，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(shí)間的關(guān)系

當絕緣油比較純凈時(shí)，則擊穿電壓與加壓時(shí)間的關(guān)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(shí)的擊穿電壓就與加壓的時(shí)間有關(guān)，一般加壓時(shí)間長(cháng)時(shí)，擊穿電壓就會(huì )降低，因此在做絕緣油的交流擊穿電壓(介電強度)試驗時(shí)，有必要規定升壓的速度。

2.擊穿電壓與頻率和波形的關(guān)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(shí)，擊穿電壓與頻率的關(guān)系也就不顯著(zhù)了。這是由于試驗頻率越高，油的游離現象就會(huì )減弱，其擊穿電壓值就越高。不過(guò)當頻率過(guò)高時(shí)，油的擊穿電壓反而會(huì )降低，這是因為當頻率過(guò)高時(shí)，油的介質(zhì)損耗值的無(wú)功部分增加而造成熱擊穿。

油的擊穿電壓與電壓波形的關(guān)系也與油中雜質(zhì)的含量有關(guān)。在大多數情況下，當交流電壓的波形畸變時(shí)，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(shí)，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(xiàn)電壓以減少諧波的影響。

3.擊穿電壓與電極間隙的關(guān)系

在均勻電場(chǎng)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(shí)，才能獲得均的電場(chǎng)，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(chǎng)是均勻的。在不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與間隙距離不成正比。因此，嚴格地說(shuō)，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(shí)，上述差別有縮減的趨勢。擊穿電壓不僅與電極的形狀有關(guān)，而且還與電極表面的尺寸有關(guān)。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(shí)，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(shí)，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(shuō)，熱導系數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(zhù)。

不含雜質(zhì)并經(jīng)干燥無(wú)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(chǎng)強度及溫度下它的離子質(zhì)量還是比較大的。若溫度繼續上升(如超過(guò)70~80℃)，則油的內分子狀況就要起很大的變化，而黏度顯著(zhù)減小，于是，由電場(chǎng)所引起的離子速度在油內毫不受阻攔地進(jìn)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(shí)，水分懸溶于油中呈乳濁狀，在電場(chǎng)作用下，發(fā)生極性排序現象，在電場(chǎng)作用下的電子很容易沿著(zhù)這種整齊排列的橋路，即相當于沿著(zhù)乳濁體的體積電阻通過(guò)。所以溫度較低時(shí)，其擊穿電壓值較小。當溫度升高時(shí)，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(chǎng)作用疏散于油的中性分子之中。由于此時(shí)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(shí)間內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。當溫度繼續上升，致使油的黏度達到極小值時(shí)(如溫度超過(guò)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(chǎng)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。