固体电介质击穿电压的过程

固体电介质击穿电压的过程：

1．固体电介质击穿特性的划分

固体由介质有几种不同的击穿形式：一种是与气体击穿过程相类似的电击穿；一种是与热的过程相联系的热击穿；还有一种是长时间的电化学击穿。固体电介质的几种击穿形式与电压的作用时间密切相关，如图4-22所示。下面先结合击穿电压和电压作用时间的关系，以及击穿电压和电介质温度的关系，说明电击穿和热击穿的区别及联系。
图4-23所示为油浸电工纸板击穿电压和电压作用时间关系的试验结果。在极短时间的电压作用下，击穿电压随击穿时间的缩短而提高，类似于气体电介质击穿的伏秒特性；击穿时间在10μs～0.2s范围内时击穿电压大致恒定，与时间无关。这两段的击穿都具有电0μs~0.击穿性质。电压作用时间继续加长，则击穿电压随击穿前电压作用时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点。至于电压作用时间更长的电化学击穿，又称电老化，其击穿时间在几十个小时以上，甚至几年。

图4-24是聚乙烯材料的击穿电压和电介质周围环境温度关系的试验结果。实验曲线明显分为两个范围，周围温度在t。以下时，击穿电压和电介质温度无关，属于电击穿；当周围温度超过to后，击穿电压随温度的增加而明显下降，属于热击穿。不同材料的转折温度t。是不同的，即使是同种材料，材料越厚，电介质损耗越大，散热越困难，t。就越低，即导致热击穿的环境温度就越低。

2．电击穿
电击穿理论是建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上的，固体电介质中存在的少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿。根据对碰撞电离的不同解释，电击穿理论又分为固有击穿理论与电子崩击穿理论。
电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与电介质温度、散热条件、电介质厚度、频率等因素都无关，但和电场的均匀程度关系极大。此外与电介质特性也有很大关系，如果电介质内含气孔或其他缺陷，这类缺陷对电场造成畸变，导致电介质击穿电压降低。在极不均匀电场及冲击电压作用下，电介质有明显的不全击穿现象，不全击穿导致绝缘性能逐渐下降的效应称为累积效应。电介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增加而下降。

3．热击穿
由于电介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其他电介质向外不断散热的过程。一旦发热超过散热，则电介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称为电介质的热击穿过程。

发热、散热与温度的关系曲线如图4-25所示，图中曲线1、2、3分别为在电压U1、U2、U3(U1>U2>U3)电介质发热量Q与电介质中最高温度的关系，直线4表示固体电介质中最高温度大于周围环境温度to时，散出的热量Q与电介质中最高温度tm的关系。

对曲线1，发热永远大于散热，电介质温度将不断升高，因此在电压U1J1下最终发生热击穿。
曲线3部分在直线4之下，电介质温度t≤ta时，不会发生热击穿，电介质温度会逐渐升高，最终稳定在ta因此称ta为稳定的热平衡点。
电介质温度t>tb时，情况类似曲线1，最终发生热击穿。

电介质温度时，虽然发热等于散热，似乎电介质温度不会再上升，但这时只要稍有扰动，使t略大于tb，则电介质温度将不断上升，再也回不到tb，直至热击穿。因此称tb为不稳定的热平衡点。
ta<t<tb时，不会发生热击穿，电介质温度最终将稳定在
曲线2与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度。
对平板状电介质的发热、散热进行计算推导，可得出热击穿电压Ub与各种发热、散热因素的关系如下：

其中，f为频率；h为电介质厚度；εr为相对介电常数；为热击穿临界温度；t。为环境温度；tano。为温度t。时的电介质损耗角正切；λ为导热系数；σ为散热系数。
当发热因素f,εr,to,tanδo。上升或增加时，热击穿电压Ub将下降；当散热因素σ，λ上升时，热击穿电压Ub将上升；而电介质厚度h在分子分母中都有，可见增加厚度，击穿电压Ub，不一定上升。因此在发生热击穿时，采取加厚绝缘材料的办法不一定有效。

4．电化学击穿（电老化）
在电场的长时间作用下逐渐使电介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化。电老化的类型有电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交流电压下产生；后一种主要在直流电压下产生。有机电介质表面绝缘性能破坏的表现，还有表面漏电起痕。

（1）电离性老化
在电介质夹层或电介质内部如果存在气隙或气泡，在交变场下气隙或气泡的场强会比邻近固体电介质内的场强大得多，而气体的起始电离场强又比固体电介质低得多，所以在该气隙或气泡内很容易发生电离。
此种电离对固体电介质的绝缘有许多不良后果。例如，气泡体积膨胀使电介质开裂、分层，并使该部分绝缘的电导和电介质损耗增大；电离的作用还可使有机绝缘物分解，新分解出的气体又会加入到新的电离过程中；还会产生对绝缘或金属有腐蚀作用的气体，如O3,NO2等；电离还会造成电场的局部畸变，使局部电介质承受过高的电压，对电离的进一步发展起促进作用。
气隙或气泡的电离，通过上述综合效应会造成邻近绝缘物的分解、破坏（表现为变酥、炭化等形式），并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中放电发展通道会呈树枝状发展，称为“电树枝”。
这种电离性老化过程和局部放电密切相关，所以许多高电压电气设备都将局部放电水平作为检验绝缘质量的重要指标。
（2）电导性老化
如果在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质（例如水），当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称为“水树枝”，水树枝呈绒毛状的一片或多片，有扇状、羽毛状、蝴蝶状等多种形式。
产生和发展“水树枝”所需的场强比产生和发展“电树枝”所需的场强低得多。产生水树枝的原因是水或其他电解液中的离子在交变电场下反复冲击绝缘物，使其发生疲劳损坏和化学分解，电解液便随之逐渐渗透、扩散到绝缘深处。
（3）电解性老化
在直流电压的长期作用下，即使所加电压远低于局部放电的起始电压，由于电介质内部进行着电化学过程，电介质也会逐渐老化，最终导致击穿。无机绝缘材料，如陶瓷、玻璃、云母等在直流电压长期作用下，也存在显著的电解性老化。当有潮气侵入电介质时，水分子本身就会离解出H＋和O2，会加速电解性老化。
（4）表面漏电起痕及电蚀损
这是电介质表面的一种电老化问题。在潮湿、脏污的电介质表面会流过泄漏电流，在电流密度较大处会先形成干燥带，电压分布随之不均匀，在干燥带上分担较高电压，从而会形成放电小火花或小电弧，此种放电现象会使绝缘体表面过热，局部炭化、烧蚀，形成漏电痕迹，漏电痕迹的持续发展可能逐渐形成沿绝缘体表面贯通两端电极的放电通道。在潮湿、脏污地区，此种放电现象会对设备绝缘造成严重危害。耐漏电起痕及耐电蚀损能力也是衡量电介质性能的一项重要指标。