固体电介质的击穿特性

第二节 固体电介质的击穿特性 固体介质的击穿理论 电击穿理论 热击穿理论 电化学击穿 影响固体介质击穿电压的主要因素 电压作用时间 电场均匀程度 温度 受潮 累积效应 电过程（电击穿） 热过程（热击穿） 电化学过程（电化学击穿） 介质本身的特性； 绝缘结构形式； 电场均匀性； 实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复 杂的，常取决于以下多种因素： 在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击 穿： 外加电压波形； 外加电压时间； 工作环境（周围媒质的温度及散热条件） 常用的有机绝缘材料，如纤维材料 (纸、 布和纤维板 )以及聚乙烯塑料等，其短时电 气强度很高，但在工作电压的长期作用下， 会产生电离、老化等过程，从而使其电气强 度大幅度下降。 所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅 要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在 长期工作电压下的耐电性能。 一、固体介质的击穿理论 (一 )电击穿理论 1、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的 作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的 现象。 2、在介质的电导很小，又有良好的散热条 件以及介质内部不存在局部放电的情况下， 固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强 可达 105-106kV/m。 3、电击穿的主要特征： 与周围环境温度有关； 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； 介质发热不显著； 电场均匀程度对击穿有显著影响。 (二 )热击穿理论 固体介质会因介质损耗而发热，如果周 围环境温度高，散热条件不好，介质温度 将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分 解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。 为简单起见，以 图 3-21中的平板状固 体介质为例，对 热平 衡问题 进行讨论。 设平板电极和介质的面积都足够大，介质以 及介质中的电场都是均匀的 ，于是介质发热 均匀 ;介质损耗产生的热量主要沿垂直于电极的方 向（ x轴方向）流向介质表面和平板电极。在这种 条件下，固体介质沿厚度 2h的双向散热可看作是 沿厚度 h的单向散热。 h UE 2 电介质的损耗率（单位体积的功率损耗） 12 2 2 0 108.1 tgEfEP r （ W/cm 3） 式中： -电介质的电导率， S/cm E-电介质的电场强度， V/cm f-外加电场的频率， Hz 设在 1cm介质中单位时间内产生的热量为 Q0， Q0 可直接由上式求得。于是在 x轴方向厚度为 h、横截面 为 1cm的一条状介质中，单位时间产生的热量为： 101 hQQ （ J/s） 另 : 单位时间内电极上 1cm面积所逸出的热量为： （ J/s） 1)( 02 ttQ s 式中： 散热系数， J/(scmC) ; 电极表面温度， C； 周围媒质温度， C； st 0t 如图所示，在三个电压下 (U1U2U3)有发热曲线 1、 2、 3， 4为散热曲线。 曲线 1， Q1Q2，介质一定击穿； 曲线 2，与散热曲线 4交于 k点， 它是不稳定的平衡点， ttk时，介 质温度不断上升，直至击穿。 曲线 3和曲线 4有 a、 b两个交点， a为稳定的热平衡点， b为不稳定的 热平衡点， ttb 时，介质发生击 穿。 可达到以下几点结论： 热击穿电压会随着周围媒质温度 t0的上升而下降， 这时直线 4会向右移动； 热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越 大，介质中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质 的击穿场强随 h的增大而降低； 如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿 电压上升； f 或 增大时都会造成 Q1增加，使曲线 1、 2、 3向 上移动。曲线 2上移表示临界击穿电压下降。 tg (三 )电化学击穿 固体介质在长期工作电压作用下，由于介质 内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强 度逐步下降并引起击穿的现象称为 电化学击穿 。 局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡） 引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、 损伤、电气强度下降的主要原因为： 1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀； 2)温升使局部介质损耗增加； 3)切断分子结构，导致介质破坏。 电化学击穿电压的大小与施加 电压时间 的关系非常 密切，但也因介质种类的不同而异。图 3 23是三种固体 介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况： 曲线 l、 2下降较快，表 示聚乙烯、聚四氟乙烯 耐局部放电的性能差； 曲线 3接近水平，表示 硅有机玻璃云母带的击 穿场强随加电压时间的 增加下降很少。 可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。 在电化学击穿中，还有一种树 枝化放电的情况，这通常发生在有 机绝缘材料的场合。当有机绝缘材 料中因小曲率半径电极、微小空气 隙、杂质等因素而出现高场强区时， 往往在此处先发生局部的树枝状放 电，并在有机固体介质上留下纤细 的沟状放电通道的痕迹，这就是 树 枝化 放电劣化。 在交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生的 带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。 在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料 的电击穿场强所造成的结果。 二、影响固体介质击穿电压的主要因素 (一 )电压作用时间 如果电压作用时间很短 (例如 0.1s以下 )， 固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压 当然也较高。 不过二者有时很难分清，例如在工频交流 1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电 和热双重作用的结果。电压作用时间长达 数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属 于电化学击穿的范畴。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下 降，如果在加电压后数分钟到数小时才引 起击穿，则热击穿往往起主要作用。 在图 3 24中，以常用 的油浸电工纸板为例，以 lmin工频击穿电压 (峰值 ) 作为基准值，纵坐标以标 么值来表示。电击穿与热 击穿的分界点时间约在 105 106us之间，作用时间 大于此值后，热过程和电 化学作用使得击穿电压明 显下降。 不过 lmin击穿电压与更长时间 (图中达数百小时 ) 的击穿电压相差已不太大，所以通常可将 lmin工 频试验电压作为基础来估计固体介质在工频电压 作用下长期工作时的热击穿电压。 许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但 它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电 气强度很低，这一点必须予以重视。 在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的 绝缘结构中 (例如旋转电机 )，就必须采用云母等 耐局部放电性能好的无机绝缘材料。 (二 )电场均匀程度 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压 往往较高，且随介质厚度的增加近似地成 线性增大； 若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场 更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增 加而线性上升。当厚度增加使散热困难到 可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更 小了。 如果经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，则 击穿电压可明显提高。 常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即 使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀 的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。 (三 )温度 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于 电 击穿 ，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。 超过某个温度后将发生 热击穿 ，温度越高热击穿电 压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件 又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘 材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作 电压下即有热击穿的危险。 不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的， 因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不 同的。 (四 )受潮 受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有 关。 对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中 性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右； 容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料， 吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或 更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。 所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分， 在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。 (五 )累积效应 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不 很高的过电压、特别是雷电冲击电压下， 介质内部可能出现局部损伤，并留下局部 碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时， 局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。 显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。 在幅值不高的内部过电压下以及幅值虽高、 但作用时间很短的雷电过电压下，由于加电压时 间短，可能来不及形成贯穿性的击穿通道，但可 能在介质内部引起强烈的局部放电，从而引起局 部损伤。 主要以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着 施加冲击或工频试验电压次数的增多，很可能因累 积效应而使其击穿电压下降。因此，对这些电气设 备进行耐压试验，加电压的次数和试验电压值应考 虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保 证一定的绝缘裕度。 （本节完） 小 结 在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿、 热击穿和电化学击穿； 实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复 杂的，常取决于介质本身的特性、绝缘结构形式 和电场均匀性。