固体电介质的击穿场强、电压击穿影响因素

固体电介质的击穿与气体、液体电介质的击穿比较，主要有两点不同：一是固体电介质的击穿场强一般比气体和液体电介质高，例如在均匀电场中，云母的工频击穿场强可达2000～3000kV/cm；二是固体电介质击穿后其绝缘性能不能恢复。击穿以后在介质中留有不能恢复的痕迹，如贯穿两电极的熔洞、烧穿的孔道、开裂等，撤去电压后不能像气体、液体电介质那样恢复绝缘性能。

一、固体电介质的击穿形式

固体电介质有三种击穿形式，不同形式的击穿过程不同，击穿场强和击穿时间也不同。

1. 电击穿

固体电介质的电击穿过程与气体相似，由碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏介质晶格结构导致击穿。电击穿的主要特征是：电压击穿高(相对于另外两种击穿形式)；击穿过程极快；击穿前发热不显著；与环境温度无关，当介质损耗很小，又有良好散热条件，以及介质内部不存在局部放电时的击穿通常为电击穿。

2.热击穿

当固体电介质加上电压，由于损耗而发热，使介质温度升高。而介质的电阻具有负的温度系数，即温度升高电阻变小，这又使电流进一步增大，发热也跟着增大，直到某个温度下，发热量等于散热量，达到热的平衡，温度不再升高，介质不击穿。然而，当电压升高至某一临界值(称为临界热电压击穿)时，在所有温度下，发热量总是大于散热量，因此介质温度将持续上升，引起介质的局部分解、熔化、烧焦等，使介质击穿，这就是热击穿。由于热击穿是温度升至很高情况下导致的，这当然需要一定的电压作用时间。

热击穿的主要特点为：发生热击穿时，介质温度尤其是击穿通道处的温度特别高，电压击穿与电压作用时间、周围温度以及散热条件有关。

3.电化学击穿

固体电介质受到电、热、化学和机械力的长期作用，其绝缘性能以及其他性能的劣化，称为绝缘的老化。由于绝缘老化而最终导致发生热击穿或电击穿，称为电化学击穿。电化学击穿通常是在长期电压作用以后(数十小时至若干年)逐步发展形成的，它与固体电介质本身的耐游离性能、制造工艺、工作条件等都有密切的关系。此外，电化学击穿是在其绝缘性能下降之后的击穿，其电压击穿要比电击穿和热击穿的电压击穿低，所以对固体电介质的老化和由于老化引起的电化学击穿应引起足够的重视。

二、影响固体电介质电压击穿的因素 

1.电压作用时间

电压作用时间对电压击穿的影响很大。通常，对于多数固体电介质，其电压击穿随电压作用时间的延长而明显地下降，且明显存在临界点。图2-14为常用的电工纸板电压击穿与 电压作用时间的关系。从图中可以看出，作用时间很短的电压下，电压击穿约为1min 工频电压击穿（幅值）的300%。且电压作用时间再增加的一段范围内，电压击穿与电压作用时间几乎无关。图2-14中虚线左边区域属于电击穿范围，因为在这段时间内，热与化学的影响都来不及起作用。在此区域，当时间小于微秒级时(与放电时延相近)，电压击穿随电压时间缩短而升高，这与气体放电的伏秒特性很相似。虚线右边的区域，随击穿时间的增加，电压击穿显著下降，这只能用发展较慢的热过程来解释，即击穿属于热击穿。如果电压作用时间更长，电压击穿仅为工频1min电压击穿的几分之一。这表明，此时是由于绝缘老化，绝缘性能降低后发生了电化学击穿。

2.电场均匀程度与介质厚度

均匀电场中的击穿场强要高于不均匀电场中的击穿场强。在均匀电场中的电压击穿随介质厚度增加近似成线性关系，而在不均匀电场中的电压击穿不随介质厚度的增加而线性增加，这是因为厚度增加，电场不均匀程度也增加。还要注意的是，随着介质厚度的增加，散热条件也变差，所以当厚度增加到可能出现热击穿时，采用增加厚度来提高电压击穿的意义不大。

3.电压种类

同一固体电介质、相同电极情况下，直流电压作用下的电压击穿要高于工频交流电压(幅值)下的电压击穿，这是由于在直流电压下介质损耗主要为电导损耗，而在工频交流电压下还包括极化损耗甚至还有游离损耗。另外，交流电压下工频交流电压击穿要高于高频交流电压击穿，因为极化损耗随频率升高而增大。由于电压作用时间短而电压击穿更高。

4.电压作用的累积效应

固体电介质在电压作用下，有时虽未形成贯穿的击穿通道，但已在介质中形成局部损伤或局部击穿，在多次电压作用下这种局部损伤或不击穿会扩大而导致击穿，所以电压击穿随加压次数增多而下降，这就是电压击穿的累积效应。大部分有机材料都有明显的累积效应。

5. 受潮

固体电介质受潮后电压击穿会迅速下降，其下降程度与材料吸潮性有关。对于不易吸潮的聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，吸潮后的电压击穿就可大约降低一半，而易吸潮的棉纱、纸等纤维材料，吸潮后电压击穿可能仅为干燥时的百分之几甚至更低。所以高压电气设备的绝缘不但在制造时要注意除去水分，而且运行中还要注意防潮，并定期进行受潮情况的检测。

三、提高固体电介质电压击穿的措施

为了提高固体电介质的电压击穿，可从以下几个方面着手：

(1)改进制造工艺。如尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、水分等，使介质尽可能均匀致密。这可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍(油、胶、漆等)方法来达到。

(2)改进绝缘设计。如采用合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度能与其所承担的场强有适当的配合。改进电极形状，使电场尽可能均匀。改善电极与绝缘体的接触状态，以消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差(如采用半导体漆)。

(3)改善运行条件。如注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却(如自然通风，强迫通风，氢冷、水内冷等)。