固体电介质的击穿特性

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1、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

2、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：①与周围环境温度有关；②除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；③介质发热不显著；④电场均

3、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。电介质的损耗率（单位体积的功率损耗）（W/cm

4、3）式中：-电介质的电导率，S/cmE-电介质的电场强度，V/cmf-外加电场的频率，Hz设在1cm³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1cm²的一条状介质中，单位时间产生的热量为：（J/s）另:单位时间内电极上1cm²面积所逸出的热量为：（J/s）式中：－散热系数，J/(s·cm²·ºC);－电极表面温度，ºC；－周围媒质温度，ºC；如图所示，在三个电压下(U1>U2>U3)有发热曲线1、2、3，4为散热曲线。①曲线1，Q1>Q2，介质一定击穿；②曲线2，与散热曲线

5、4交于k点，它是不稳定的平衡点，t>tk时，介质温度不断上升，直至击穿。③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，t>tb时，介质发生击穿。可达到以下几点结论：①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；②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；③如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升；④f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。

6、(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

7、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

8、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