固體電介質的擊穿場強、電壓擊穿影響因素

固體電介質的擊穿與氣體、液體電介質的擊穿比較，主要有兩點不同：一是固體電介質的擊穿場強一般比氣體和液體電介質高，例如在均勻電場中，云母的工頻擊穿場強可達2000～3000kV/cm；二是固體電介質擊穿后其絕緣性能不能恢復。擊穿以后在介質中留有不能恢復的痕跡，如貫穿兩電極的熔洞、燒穿的孔道、開裂等，撤去電壓后不能像氣體、液體電介質那樣恢復絕緣性能。

一、固體電介質的擊穿形式

固體電介質有三種擊穿形式，不同形式的擊穿過程不同，擊穿場強和擊穿時間也不同。

1. 電擊穿

固體電介質的電擊穿過程與氣體相似，由碰撞游離形成電子崩，當電子崩足夠強時，破壞介質晶格結構導致擊穿。電擊穿的主要特征是：電壓擊穿高(相對于另外兩種擊穿形式)；擊穿過程極快；擊穿前發熱不顯著；與環境溫度無關，當介質損耗很小，又有良好散熱條件，以及介質內部不存在局部放電時的擊穿通常為電擊穿。

2.熱擊穿

當固體電介質加上電壓，由于損耗而發熱，使介質溫度升高。而介質的電阻具有負的溫度系數，即溫度升高電阻變小，這又使電流進一步增大，發熱也跟著增大，直到某個溫度下，發熱量等于散熱量，達到熱的平衡，溫度不再升高，介質不擊穿。然而，當電壓升高至某一臨界值(稱為臨界熱電壓擊穿)時，在所有溫度下，發熱量總是大于散熱量，因此介質溫度將持續上升，引起介質的局部分解、熔化、燒焦等，使介質擊穿，這就是熱擊穿。由于熱擊穿是溫度升至很高情況下導致的，這當然需要一定的電壓作用時間。

熱擊穿的主要特點為：發生熱擊穿時，介質溫度尤其是擊穿通道處的溫度特別高，電壓擊穿與電壓作用時間、周圍溫度以及散熱條件有關。

3.電化學擊穿

固體電介質受到電、熱、化學和機械力的長期作用，其絕緣性能以及其他性能的劣化，稱為絕緣的老化。由于絕緣老化而最終導致發生熱擊穿或電擊穿，稱為電化學擊穿。電化學擊穿通常是在長期電壓作用以后(數十小時至若干年)逐步發展形成的，它與固體電介質本身的耐游離性能、制造工藝、工作條件等都有密切的關系。此外，電化學擊穿是在其絕緣性能下降之后的擊穿，其電壓擊穿要比電擊穿和熱擊穿的電壓擊穿低，所以對固體電介質的老化和由于老化引起的電化學擊穿應引起足夠的重視。

二、影響固體電介質電壓擊穿的因素 

1.電壓作用時間

電壓作用時間對電壓擊穿的影響很大。通常，對于多數固體電介質，其電壓擊穿隨電壓作用時間的延長而明顯地下降，且明顯存在臨界點。圖2-14為常用的電工紙板電壓擊穿與 電壓作用時間的關系。從圖中可以看出，作用時間很短的電壓下，電壓擊穿約為1min 工頻電壓擊穿（幅值）的300%。且電壓作用時間再增加的一段范圍內，電壓擊穿與電壓作用時間幾乎無關。圖2-14中虛線左邊區域屬于電擊穿范圍，因為在這段時間內，熱與化學的影響都來不及起作用。在此區域，當時間小于微秒級時(與放電時延相近)，電壓擊穿隨電壓時間縮短而升高，這與氣體放電的伏秒特性很相似。虛線右邊的區域，隨擊穿時間的增加，電壓擊穿顯著下降，這只能用發展較慢的熱過程來解釋，即擊穿屬于熱擊穿。如果電壓作用時間更長，電壓擊穿僅為工頻1min電壓擊穿的幾分之一。這表明，此時是由于絕緣老化，絕緣性能降低后發生了電化學擊穿。

2.電場均勻程度與介質厚度

均勻電場中的擊穿場強要高于不均勻電場中的擊穿場強。在均勻電場中的電壓擊穿隨介質厚度增加近似成線性關系，而在不均勻電場中的電壓擊穿不隨介質厚度的增加而線性增加，這是因為厚度增加，電場不均勻程度也增加。還要注意的是，隨著介質厚度的增加，散熱條件也變差，所以當厚度增加到可能出現熱擊穿時，采用增加厚度來提高電壓擊穿的意義不大。

3.電壓種類

同一固體電介質、相同電極情況下，直流電壓作用下的電壓擊穿要高于工頻交流電壓(幅值)下的電壓擊穿，這是由于在直流電壓下介質損耗主要為電導損耗，而在工頻交流電壓下還包括極化損耗甚至還有游離損耗。另外，交流電壓下工頻交流電壓擊穿要高于高頻交流電壓擊穿，因為極化損耗隨頻率升高而增大。由于電壓作用時間短而電壓擊穿更高。

4.電壓作用的累積效應

固體電介質在電壓作用下，有時雖未形成貫穿的擊穿通道，但已在介質中形成局部損傷或局部擊穿，在多次電壓作用下這種局部損傷或不擊穿會擴大而導致擊穿，所以電壓擊穿隨加壓次數增多而下降，這就是電壓擊穿的累積效應。大部分有機材料都有明顯的累積效應。

5. 受潮

固體電介質受潮后電壓擊穿會迅速下降，其下降程度與材料吸潮性有關。對于不易吸潮的聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質，吸潮后的電壓擊穿就可大約降低一半，而易吸潮的棉紗、紙等纖維材料，吸潮后電壓擊穿可能僅為干燥時的百分之幾甚至更低。所以高壓電氣設備的絕緣不但在制造時要注意除去水分，而且運行中還要注意防潮，并定期進行受潮情況的檢測。

三、提高固體電介質電壓擊穿的措施

為了提高固體電介質的電壓擊穿，可從以下幾個方面著手：

(1)改進制造工藝。如盡可能地清除固體介質中殘留的雜質、氣泡、水分等，使介質盡可能均勻致密。這可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強浸漬(油、膠、漆等)方法來達到。

(2)改進絕緣設計。如采用合理的絕緣結構，使各部分絕緣的耐電強度能與其所承擔的場強有適當的配合。改進電極形狀，使電場盡可能均勻。改善電極與絕緣體的接觸狀態，以消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差(如采用半導體漆)。

(3)改善運行條件。如注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強散熱冷卻(如自然通風，強迫通風，氫冷、水內冷等)。