了解固體電介質的三種擊穿形式和原理

【模塊描述】本模塊介紹固體電介質的擊穿特性、擊穿形式及原理。通過概念描述、要點歸納，掌握固體電介質具有擊穿場強高、非自恢復絕緣特性，了解固體電介質的三種擊穿形式和原理。

【正文】

一、固體電介質的擊穿特性

固體介質的擊穿與氣體、液體電介質相比，主要有以下不同：

(1)固體電介質擊穿場強高。固體電介質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。

(2)固體電介質絕緣具有非自恢復性。固休電介質擊穿后會留下痕跡，如貫穿電極孔道、開裂，撤去電壓后不能像氣體電介質那樣恢復原有的絕緣性能。

(3)固體電介質具有累積效應。固體介質在沖擊電壓作用下絕緣損傷會擴大甚至擊穿，這種現象稱為累積效應。大部分有機材料有明顯的累積效應，玻璃、云母等無機材料沒有明顯的累積效應。

(4)固體電介質擊穿具有體積效應。固體電介質擊穿場強分散性很大，這與材料的不均 勻性有關。加大試樣的面積和體積，使絕緣材料弱點出現的概率增大，會使擊穿場強降低，這就是所謂擊穿的體積效應。圖TYBZ01403002-1 給出了聚乙烯的短時擊穿強度與絕緣厚度的關系，由圖可見，隨著絕緣厚度的增加，擊穿強度大大降低。因此在小試樣的短時樣上的試驗結果并不適用于大尺寸的絕緣結構。

二、固體電介質的擊穿形式

1.電擊穿

固體介質的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現象，其擊穿過程與氣體相似。在介質的電導很小，又有良好的散熱條件，且內部不存在局部放電的情況下，固體介質的擊穿通常為電擊穿。

電擊穿的主要特征；①擊穿場強高，可達10⁵~10⁶kV/m；②與周圍環境溫度無關；③除時間很短的情況，與電壓作用時間關系不大；④介質發熱不顯著；⑤電場均勻程度對擊穿有顯著影響。

2.熱擊穿

固體介質會因介質模耗而發熱，如果周圍環境溫度高，散熱條件不好，介質溫度將不斷上升而導致絕緣的破壞，如介質分解、熔化、碳化或燒焦，從而引起熱擊穿。

在交流電壓和直流電壓下的熱擊穿理論相同，但由于直流電壓下的介質損耗較小，所以真流電壓下，正常未受潮的絕緣很少發生熱擊穿。交流電壓頻率升高時，介質損耗迅速增大，熱擊穿的概率也大大增加，有時需要采取冷卻措施，如中頻感應加熱設備的電容器，一般需要在夾層中通冷卻水加以冷卻。

由于熱擊穿所需時間較長，常常需要幾個小時，故沖擊電壓作用下固體介質常發生電擊穿，而不發生熱擊穿。另外，即使提高工頻試驗電壓，熱擊穿也常常需要好幾分鐘。因此絕緣試驗中常用的1min耐壓不能考驗固體介質的熱擊穿特性，例如，對帶電作業的操作工具的耐壓試驗要求施加電壓5min。

3.電化學擊穿

固體介質在長期工作電壓作用下，由于介質內部發生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強度逐步下降并引起擊穿的現象稱為電化學擊穿。

局部放電是介質內部缺陷(如氣隙或氣泡)引起局部性質的放電，是引起電化學擊穿的重要因素。提高局部放電電壓的措施有：

(1)提高氣隙擊穿場強，如充油設備用高油壓來提高油中氣隙的擊穿場強。

(2)設法用油或高強度氣體填充空穴，如用于電容器、電纜、互感器及電容套管中的油紙絕緣，多層介質用油浸漬均可有效提高局部放電電壓。