固體電介質(zhì)的擊穿特性第一頁，共23頁。優(yōu)選固體電介質(zhì)的擊穿特性第二頁，共23頁。外加電壓波形；外加電壓時間；工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）常用的有機絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時電氣強度很高，但在工作電壓的長期作用下，會產(chǎn)生電離、老化等過程，從而使其電氣強度大幅度下降。

所以，對這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓下的耐電性能。第三頁，共23頁。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，擊穿場強可達(dá)105-106kV/m。第四頁，共23頁。3、電擊穿的主要特征：①與周圍環(huán)境溫度有關(guān)；②除時間很短的情況，與電壓作用時間關(guān)系不大；③介質(zhì)發(fā)熱不顯著；④電場均勻程度對擊穿有顯著影響。第五頁，共23頁。(二)熱擊穿理論固體介質(zhì)會因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，如果周圍環(huán)境溫度高，散熱條件不好，介質(zhì)溫度將不斷上升而導(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。第六頁，共23頁。

為簡單起見，以圖3-21中的平板狀固體介質(zhì)為例，對熱平衡問題進行討論。

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。第七頁，共23頁。電介質(zhì)的損耗率（單位體積的功率損耗）（W/cm3）式中：

-電介質(zhì)的電導(dǎo)率，S/cmE-電介質(zhì)的電場強度，V/cm

f-外加電場的頻率，Hz

設(shè)在1cm3介質(zhì)中單位時間內(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1cm2的一條狀介質(zhì)中，單位時間產(chǎn)生的熱量為：第八頁，共23頁。（J/s）另:單位時間內(nèi)電極上1cm2面積所逸出的熱量為：（J/s）式中：－散熱系數(shù)，J/(s·cm2·oC);

－電極表面溫度，oC；－周圍媒質(zhì)溫度，oC；如圖所示，在三個電壓下(U1>U2>U3)有發(fā)熱曲線1、2、3，4為散熱曲線。第九頁，共23頁。①曲線1，Q1>Q2，介質(zhì)一定擊穿；②曲線2，與散熱曲線4交于k點，它是不穩(wěn)定的平衡點，t>tk時，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。③曲線3和曲線4有a、b兩個交點，a為穩(wěn)定的熱平衡點，b為不穩(wěn)定的熱平衡點，t>tb時，介質(zhì)發(fā)生擊穿。第十頁，共23頁?？蛇_(dá)到以下幾點結(jié)論：①熱擊穿電壓會隨著周圍媒質(zhì)溫度t0的上升而下降，這時直線4會向右移動；②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)的擊穿場強隨h的增大而降低；③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；④f或增大時都會造成Q1增加，使曲線1、2、3向上移動。曲線2上移表示臨界擊穿電壓下降。第十一頁，共23頁。

(三)電化學(xué)擊穿固體介質(zhì)在長期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強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、電氣強度下降的主要原因為：1)產(chǎn)生活性氣體對介質(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。第十二頁，共23頁。

電化學(xué)擊穿電壓的大小與施加電壓時間的關(guān)系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。圖3—23是三種固體介質(zhì)的擊穿場強隨施加電壓的時間而變化的情況：第十三頁，共23頁。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，表示硅有機玻璃云母帶的擊穿場強隨加電壓時間的增加下降很少?？梢姛o機絕緣材料耐局部放電的性能較好。第十四頁，共23頁。

在電化學(xué)擊穿中，還有一種樹枝化放電的情況，這通常發(fā)生在有機絕緣材料的場合。當(dāng)有機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)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。第十五頁，共23頁。在交流電壓下，樹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，則可能是局部電場強度超過了材料的電擊穿場強所造成的結(jié)果。第十六頁，共23頁。二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素(一)電壓作用時間如果電壓作用時間很短(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。第十七頁，共23頁。

不過二者有時很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時間長達(dá)數(shù)十小時甚至幾年才發(fā)生擊穿時，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。第十八頁，共23頁。

在圖3—24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)么值來表示。電擊穿與熱擊穿的分界點時間約在105～106us之間，作用時間大于此值后，熱過程和電化學(xué)作用使得擊穿電壓明顯下降。第十九頁，共23頁。

不過lmin擊穿電壓與更長時間(圖中達(dá)數(shù)百小時)的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪min工頻試驗電壓作為基礎(chǔ)來估計固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長期工作時的熱擊穿電壓。許多有機絕緣材料的短時間電氣強度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長時間電氣強度很低，這一點必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結(jié)構(gòu)中(例如旋轉(zhuǎn)電機)，就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機絕緣材料。第二十頁，共23頁。(二)電場均勻程度處于均勻電場中的固體介質(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；若在不均勻電場中，介質(zhì)厚度增加使電場更不均勻，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，增加厚度的意義就更小了。