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:在規定的試驗條件下絕緣體或試樣發生擊穿時的電壓。

介電強度 dielectric strength:又稱電氣強度，是指絕緣介質能承受而不致遭到擊穿的最高電場強度。在規定的試驗條件下，發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、雜質對絕緣油擊穿電壓的影響

油中的雜質主要來自兩方面，即外來的雜質和內分解的雜質。外來的雜質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。這些雜質最麻煩的地方是它們能以懸浮狀態遍布于油中，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

當油中的懸浮雜質愈多以及油離碳(油離碳是指絕緣油在電弧下分解的碳質物)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)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，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，這也是雜質的作用。當油中雜質減少時，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的含量有關。在大多數情況下，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定的間隙距離下的擊穿電壓值。

4.電極形狀和材質對擊穿電壓的影響

電極的形狀和材質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，特別是含有雜質及水分的油，溫度對介電強度的影響更為顯著。

不含雜質并經干燥無水分的油，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量還是比較大的。若溫度繼續上升(如超過70~80℃)，則油的內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生擊穿。如果油內含有水分和雜質，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，發生極性排序現象，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(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。