固體電介質(zhì)擊穿電壓的過程

固體電介質(zhì)擊穿電壓的過程：

1．固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分

固體由介質(zhì)有幾種不同的擊穿形式：一種是與氣體擊穿過程相類似的電擊穿；一種是與熱的過程相聯(lián)系的熱擊穿；還有一種是長時(shí)間的電化學(xué)擊穿。固體電介質(zhì)的幾種擊穿形式與電壓的作用時(shí)間密切相關(guān)，如圖4-22所示。下面先結(jié)合擊穿電壓和電壓作用時(shí)間的關(guān)系，以及擊穿電壓和電介質(zhì)溫度的關(guān)系，說明電擊穿和熱擊穿的區(qū)別及聯(lián)系。
圖4-23所示為油浸電工紙板擊穿電壓和電壓作用時(shí)間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。在極短時(shí)間的電壓作用下，擊穿電壓隨擊穿時(shí)間的縮短而提高，類似于氣體電介質(zhì)擊穿的伏秒特性；擊穿時(shí)間在10μs～0.2s范圍內(nèi)時(shí)擊穿電壓大致恒定，與時(shí)間無關(guān)。這兩段的擊穿都具有電0μs~0.擊穿性質(zhì)。電壓作用時(shí)間繼續(xù)加長，則擊穿電壓隨擊穿前電壓作用時(shí)間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點(diǎn)。至于電壓作用時(shí)間更長的電化學(xué)擊穿，又稱電老化，其擊穿時(shí)間在幾十個(gè)小時(shí)以上，甚至幾年。

圖4-24是聚乙烯材料的擊穿電壓和電介質(zhì)周圍環(huán)境溫度關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)曲線明顯分為兩個(gè)范圍，周圍溫度在t。以下時(shí)，擊穿電壓和電介質(zhì)溫度無關(guān)，屬于電擊穿；當(dāng)周圍溫度超過to后，擊穿電壓隨溫度的增加而明顯下降，屬于熱擊穿。不同材料的轉(zhuǎn)折溫度t。是不同的，即使是同種材料，材料越厚，電介質(zhì)損耗越大，散熱越困難，t。就越低，即導(dǎo)致熱擊穿的環(huán)境溫度就越低。

2．電擊穿
電擊穿理論是建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎(chǔ)上的，固體電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子，在電場(chǎng)加速下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子碰撞，從而擊穿。根據(jù)對(duì)碰撞電離的不同解釋，電擊穿理論又分為固有擊穿理論與電子崩擊穿理論。
電擊穿的特點(diǎn)：電壓作用時(shí)間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與電介質(zhì)溫度、散熱條件、電介質(zhì)厚度、頻率等因素都無關(guān)，但和電場(chǎng)的均勻程度關(guān)系極大。此外與電介質(zhì)特性也有很大關(guān)系，如果電介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其他缺陷，這類缺陷對(duì)電場(chǎng)造成畸變，導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿電壓降低。在極不均勻電場(chǎng)及沖擊電壓作用下，電介質(zhì)有明顯的不全擊穿現(xiàn)象，不全擊穿導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降的效應(yīng)稱為累積效應(yīng)。電介質(zhì)擊穿電壓會(huì)隨沖擊電壓施加次數(shù)的增加而下降。

3．熱擊穿
由于電介質(zhì)損耗的存在，固體電介質(zhì)在電場(chǎng)中會(huì)逐漸發(fā)熱升溫，溫度的升高又會(huì)導(dǎo)致固體電介質(zhì)電阻的下降，使電流進(jìn)一步增大，損耗發(fā)熱也隨之增大。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時(shí)，也存在一個(gè)通過電極及其他電介質(zhì)向外不斷散熱的過程。一旦發(fā)熱超過散熱，則電介質(zhì)溫度會(huì)不斷上升，以致引起電介質(zhì)分解炭化，最終擊穿，這一過程稱為電介質(zhì)的熱擊穿過程。

發(fā)熱、散熱與溫度的關(guān)系曲線如圖4-25所示，圖中曲線1、2、3分別為在電壓U1、U2、U3(U1>U2>U3)電介質(zhì)發(fā)熱量Q與電介質(zhì)中最高溫度的關(guān)系，直線4表示固體電介質(zhì)中最高溫度大于周圍環(huán)境溫度to時(shí)，散出的熱量Q與電介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系。

對(duì)曲線1，發(fā)熱永遠(yuǎn)大于散熱，電介質(zhì)溫度將不斷升高，因此在電壓U1J1下最終發(fā)生熱擊穿。
曲線3部分在直線4之下，電介質(zhì)溫度t≤ta時(shí)，不會(huì)發(fā)生熱擊穿，電介質(zhì)溫度會(huì)逐漸升高，最終穩(wěn)定在ta因此稱ta為穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)。
電介質(zhì)溫度t>tb時(shí)，情況類似曲線1，最終發(fā)生熱擊穿。

電介質(zhì)溫度時(shí)，雖然發(fā)熱等于散熱，似乎電介質(zhì)溫度不會(huì)再上升，但這時(shí)只要稍有擾動(dòng)，使t略大于tb，則電介質(zhì)溫度將不斷上升，再也回不到tb，直至熱擊穿。因此稱tb為不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)。
ta<t<tb時(shí)，不會(huì)發(fā)生熱擊穿，電介質(zhì)溫度最終將穩(wěn)定在
曲線2與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓；tk為臨界熱擊穿溫度。
對(duì)平板狀電介質(zhì)的發(fā)熱、散熱進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，可得出熱擊穿電壓Ub與各種發(fā)熱、散熱因素的關(guān)系如下：

其中，f為頻率；h為電介質(zhì)厚度；εr為相對(duì)介電常數(shù)；為熱擊穿臨界溫度；t。為環(huán)境溫度；tano。為溫度t。時(shí)的電介質(zhì)損耗角正切；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；σ為散熱系數(shù)。
當(dāng)發(fā)熱因素f,εr,to,tanδo。上升或增加時(shí)，熱擊穿電壓Ub將下降；當(dāng)散熱因素σ，λ上升時(shí)，熱擊穿電壓Ub將上升；而電介質(zhì)厚度h在分子分母中都有，可見增加厚度，擊穿電壓Ub，不一定上升。因此在發(fā)生熱擊穿時(shí)，采取加厚絕緣材料的辦法不一定有效。

4．電化學(xué)擊穿（電老化）
在電場(chǎng)的長時(shí)間作用下逐漸使電介質(zhì)的物理、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化，最終導(dǎo)致?lián)舸@過程稱電老化。電老化的類型有電離性老化、電導(dǎo)性老化和電解性老化。前兩種主要在交流電壓下產(chǎn)生；后一種主要在直流電壓下產(chǎn)生。有機(jī)電介質(zhì)表面絕緣性能破壞的表現(xiàn)，還有表面漏電起痕。

（1）電離性老化
在電介質(zhì)夾層或電介質(zhì)內(nèi)部如果存在氣隙或氣泡，在交變場(chǎng)下氣隙或氣泡的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)比鄰近固體電介質(zhì)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)大得多，而氣體的起始電離場(chǎng)強(qiáng)又比固體電介質(zhì)低得多，所以在該氣隙或氣泡內(nèi)很容易發(fā)生電離。
此種電離對(duì)固體電介質(zhì)的絕緣有許多不良后果。例如，氣泡體積膨脹使電介質(zhì)開裂、分層，并使該部分絕緣的電導(dǎo)和電介質(zhì)損耗增大；電離的作用還可使有機(jī)絕緣物分解，新分解出的氣體又會(huì)加入到新的電離過程中；還會(huì)產(chǎn)生對(duì)絕緣或金屬有腐蝕作用的氣體，如O3,NO2等；電離還會(huì)造成電場(chǎng)的局部畸變，使局部電介質(zhì)承受過高的電壓，對(duì)電離的進(jìn)一步發(fā)展起促進(jìn)作用。
氣隙或氣泡的電離，通過上述綜合效應(yīng)會(huì)造成鄰近絕緣物的分解、破壞（表現(xiàn)為變酥、炭化等形式），并沿電場(chǎng)方向逐漸向絕緣層深處發(fā)展，在有機(jī)絕緣材料中放電發(fā)展通道會(huì)呈樹枝狀發(fā)展，稱為“電樹枝"。
這種電離性老化過程和局部放電密切相關(guān)，所以許多高電壓電氣設(shè)備都將局部放電水平作為檢驗(yàn)絕緣質(zhì)量的重要指標(biāo)。
（2）電導(dǎo)性老化
如果在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)（例如水），當(dāng)該處場(chǎng)強(qiáng)超過某定值時(shí)，該液體會(huì)沿電場(chǎng)方向逐漸深入到絕緣層中，形成近似樹枝狀的痕跡，稱為“水樹枝"，水樹枝呈絨毛狀的一片或多片，有扇狀、羽毛狀、蝴蝶狀等多種形式。
產(chǎn)生和發(fā)展“水樹枝"所需的場(chǎng)強(qiáng)比產(chǎn)生和發(fā)展“電樹枝"所需的場(chǎng)強(qiáng)低得多。產(chǎn)生水樹枝的原因是水或其他電解液中的離子在交變電場(chǎng)下反復(fù)沖擊絕緣物，使其發(fā)生疲勞損壞和化學(xué)分解，電解液便隨之逐漸滲透、擴(kuò)散到絕緣深處。
（3）電解性老化
在直流電壓的長期作用下，即使所加電壓遠(yuǎn)低于局部放電的起始電壓，由于電介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行著電化學(xué)過程，電介質(zhì)也會(huì)逐漸老化，最終導(dǎo)致?lián)舸o機(jī)絕緣材料，如陶瓷、玻璃、云母等在直流電壓長期作用下，也存在顯著的電解性老化。當(dāng)有潮氣侵入電介質(zhì)時(shí)，水分子本身就會(huì)離解出H＋和O2，會(huì)加速電解性老化。
（4）表面漏電起痕及電蝕損
這是電介質(zhì)表面的一種電老化問題。在潮濕、臟污的電介質(zhì)表面會(huì)流過泄漏電流，在電流密度較大處會(huì)先形成干燥帶，電壓分布隨之不均勻，在干燥帶上分擔(dān)較高電壓，從而會(huì)形成放電小火花或小電弧，此種放電現(xiàn)象會(huì)使絕緣體表面過熱，局部炭化、燒蝕，形成漏電痕跡，漏電痕跡的持續(xù)發(fā)展可能逐漸形成沿絕緣體表面貫通兩端電極的放電通道。在潮濕、臟污地區(qū)，此種放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)設(shè)備絕緣造成嚴(yán)重危害。耐漏電起痕及耐電蝕損能力也是衡量電介質(zhì)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。