1、第二節(jié) 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿理論 電擊穿理論 熱擊穿理論 電化學(xué)擊穿 影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素 電壓作用時(shí)間 電場(chǎng)均勻程度 溫度 受潮 累積效應(yīng)在電場(chǎng)作用下，固體介質(zhì)可能因以下過(guò)程而被擊穿：電過(guò)程（電擊穿） 熱過(guò)程（熱擊穿） 電化學(xué)過(guò)程（電化學(xué)擊穿）實(shí)際電氣設(shè)備中的固體介質(zhì)擊穿過(guò)程是錯(cuò)綜復(fù)雜的，常取決于以下多種因素：介質(zhì)本身的特性； 絕緣結(jié)構(gòu)形式； 電場(chǎng)均勻性；外加電壓波形； 外加電壓時(shí)間； 工作環(huán)境（周?chē)劫|(zhì)的溫度及散熱條件）常用的有機(jī)絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時(shí)電氣強(qiáng)度很高，但在工作電壓的長(zhǎng)期作用下，會(huì)產(chǎn)生電離、老化等過(guò)程，從而使其電氣強(qiáng)度大

2、幅度下降。所以，對(duì)這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時(shí)耐電特性，而且要重視它們?cè)陂L(zhǎng)期工作電壓下的耐電性能。一、固體介質(zhì)的擊穿理論(一)電擊穿理論1、固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場(chǎng)的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。2、在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿，擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)105-106kV/m。3、電擊穿的主要特征： 與周?chē)h(huán)境溫度有關(guān)； 除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大； 介質(zhì)發(fā)熱不顯著； 電場(chǎng)均勻程度對(duì)擊穿有顯著影響。(二)熱擊穿理論固體介質(zhì)會(huì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，如果周?chē)h(huán)境溫度高，散熱條件不好，介質(zhì)溫度將不斷上

3、升而導(dǎo)致絕緣的破壞，如介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，從而引起熱擊穿。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以圖3-21中的平板狀固體介質(zhì)為例，對(duì)熱平衡問(wèn)題進(jìn)行討論。設(shè)平板電極和介質(zhì)的面積都足夠大，介質(zhì)以及介質(zhì)中的電場(chǎng)都是均勻的 ，于是介質(zhì)發(fā)熱均勻;介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量主要沿垂直于電極的方向（x軸方向）流向介質(zhì)表面和平板電極。在這種條件下，固體介質(zhì)沿厚度2h的雙向散熱可看作是沿厚度h的單向散熱。電介質(zhì)的損耗率（單位體積的功率損耗）設(shè)在1cm介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q0， Q0可直接由上式求得。于是在x軸方向厚度為h、橫截面為1cm的一條狀介質(zhì)中，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量為：曲線1，Q1Q2，介質(zhì)一定擊穿；曲線2，與散熱曲線4交

4、于k點(diǎn)，它是不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，ttk時(shí)，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。 曲線3和曲線4有a、b兩個(gè)交點(diǎn)，a為穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，b為不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)， ttb 時(shí)，介質(zhì)發(fā)生擊穿?？蛇_(dá)到以下幾點(diǎn)結(jié)論：熱擊穿電壓會(huì)隨著周?chē)劫|(zhì)溫度t0的上升而下降，這時(shí)直線4會(huì)向右移動(dòng)； 熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因厚度越大，介質(zhì)中心附近的熱量逸出越困難，所以固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨h的增大而降低； 如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升； f 或 增大時(shí)都會(huì)造成Q1增加，使曲線1、2、3向上移動(dòng)。曲線2上移表示臨界擊穿電壓下降。(三)電化學(xué)擊穿 固體介質(zhì)在長(zhǎng)期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等

5、原因，使絕緣劣化，電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。 局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強(qiáng)度下降的主要原因?yàn)椋?)產(chǎn)生活性氣體對(duì)介質(zhì)氧化、腐蝕； 2)溫升使局部介質(zhì)損耗增加； 3)切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。電化學(xué)擊穿電壓的大小與施加電壓時(shí)間的關(guān)系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。圖323是三種固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨施加電壓的時(shí)間而變化的情況：曲線l、2下降較快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放電的性能差； 曲線3接近水平，表示硅有機(jī)玻璃云母帶的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨加電壓時(shí)間的增加下降很少可見(jiàn)無(wú)機(jī)絕緣材料耐局部放電的性能較好。在電化學(xué)

6、擊穿中，還有一種樹(shù)枝化放電的情況，這通常發(fā)生在有機(jī)絕緣材料的場(chǎng)合。當(dāng)有機(jī)絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出現(xiàn)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)時(shí)，往往在此處先發(fā)生局部的樹(shù)枝狀放電，并在有機(jī)固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹(shù)枝化放電劣化。 在交流電壓下，樹(shù)枝化放電劣化是局部放電產(chǎn)生的帶電粒子沖撞固體介質(zhì)引起電化學(xué)劣化的結(jié)果。 在沖擊電壓下，則可能是局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了材料的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)所造成的結(jié)果。二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素(一)電壓作用時(shí)間如果電壓作用時(shí)間很短(例如0.1s以下)，固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后

7、數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過(guò)二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至幾年才發(fā)生擊穿時(shí)，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。在圖324中，以常用的油浸電工紙板為例，以lmin工頻擊穿電壓(峰值)作為基準(zhǔn)值，縱坐標(biāo)以標(biāo)么值來(lái)表示。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時(shí)間約在105106us之間，作用時(shí)間大于此值后，熱過(guò)程和電化學(xué)作用使得擊穿電壓明顯下降。不過(guò)lmin擊穿電壓與更長(zhǎng)時(shí)間(圖中達(dá)數(shù)百小時(shí))的擊穿電壓相差已不太大，所以通常可將lmin工頻試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來(lái)估計(jì)固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長(zhǎng)期工作時(shí)的熱擊穿電壓。

8、 許多有機(jī)絕緣材料的短時(shí)間電氣強(qiáng)度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長(zhǎng)時(shí)間電氣強(qiáng)度很低，這一點(diǎn)必須予以重視。 在那些不可能用油浸等方法來(lái)消除局部放電的絕緣結(jié)構(gòu)中(例如旋轉(zhuǎn)電機(jī))，就必須采用云母等耐局部放電性能好的無(wú)機(jī)絕緣材料。(二)電場(chǎng)均勻程度處于均勻電場(chǎng)中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨介質(zhì)厚度的增加近似地成線性增大； 若在不均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)厚度增加使電場(chǎng)更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當(dāng)厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí)，增加厚度的意義就更小了。常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時(shí)即使處于均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)分布也是不均勻的，最大電場(chǎng)強(qiáng)度集中在氣隙

9、處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過(guò)真空干燥、真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。(三)溫度固體介質(zhì)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，且與溫度幾乎無(wú)關(guān)。超過(guò)某個(gè)溫度后將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低；如果其周?chē)劫|(zhì)的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓更低。因此，以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，如果某處局部溫度過(guò)高，在工作電壓下即有熱擊穿的危險(xiǎn)。 不同的固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級(jí)是不同的，因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。(四)受潮受潮對(duì)固體介質(zhì)擊穿電壓的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。 對(duì)不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降

10、一半左右； 容易吸潮的極性介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時(shí)的百分之幾或更低，這是因電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。 所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)在制造時(shí)要注意除去水分，在運(yùn)行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。(五)累積效應(yīng)固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中以及在幅值不很高的過(guò)電壓、特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時(shí)，局部損傷會(huì)逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。顯然，它會(huì)導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿電壓的下降。在幅值不高的內(nèi)部過(guò)電壓下以及幅值雖高、但作用時(shí)間很短的雷電過(guò)電壓下，由于加電壓時(shí)間短，可能來(lái)不及形成貫穿性的擊穿通道，但可能在介質(zhì)內(nèi)部引起強(qiáng)烈的局部放電，從而引起局部損傷。主要以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，隨著施加沖擊或工頻試驗(yàn)電壓次數(shù)的增多，很可能