69久久国产露脸精品国产 固体电介质的电击穿与击穿场强

固体电介质的击穿

当施加于电介质的电场增加到相当强时，电介质的电导就不服从欧姆定律了，实验表明，电介质在强电场下的电流密度按指数规律随电场 强度 增加而增加，当电场进一步增强到某个临界值时，电介质的电导突然剧增，电介质便由 绝缘 状态变为导电状态，这一跃变现象称为电介质的 击穿 ，介质发生 击穿 时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向 于 ∞ ( 即 d l /dU= ∞ ) 作为 击 穿 发生的标志（见图 2-2 0 ）。发生 击穿 时的临界 电压 称为 电介质的 击穿电压 ，相应的电场 强度 称为介质的 击穿 场强。

电介质的 击穿 场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持 绝缘 性能的极限能力。在电力系统中常常伏安特性由于某一 电气 设备的 绝缘 损坏而造成事故，因而在很多情况下，电力系统和 电气 设备的可靠性在很大程度上取决于其 绝缘 介质的正常工作。随着电力系统额定 电压 的提高，对系统供电可靠性的要求也越高，系统 绝缘 介质在高场强下正常工作变得至关重要。近年来，高 电压 技术已不再限于电力工业的需要，还扩展应用到许多科技领域中，并涉及很多高场强 绝缘 的问题。由于这些情况的存在，研究电介质 击穿 机理、影响因素、不同电介质的耐电 强度 等是十分必要的。

与气体、液体电介质相比，固体电介质的 击穿 场强较高，但固体电介质 击穿 后材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施 电压 ，也不像气体、液体介质那样能自行恢复 绝缘 性能。

固体电介质的 击穿 中，常见的有热 击穿 、电 击穿 和不均匀介质局部放电引起 击穿 等形式。电介质 击穿 场强与 电压 作用时间的关系及不同 击穿 形式的范围如图 2-2 1 所示。

1. 热 击穿

热 击穿 是由于电介质内部热不稳定过程所造成的。当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高。

电介质的热 击穿 不仅与材料的性能有关，还在很大程度上与 绝缘 结构 ( 电极的配置与散热条 件 ) 及 电压 种类、环境温度等有关，因此热 击穿强度 不能看作是电介质材料的本征特性参数。

2 . 电 击穿

电 击穿 是在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行 击穿 试验时所观察到的一种 击穿 现象。电 击穿 的主要特征是： 击穿 场强高 ( 在 5 ～ 15MV/c m 范 围 ) ，实际 绝缘 系统是不可能达到的；在一定温度范围内， 击穿 场强随温度升高而增大，或变化不大。

均匀电场中电 击穿 场强反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度，它仅与材料的化学组成及性质有关，是材料的特性参数之一，所以通常称之为耐电 强度 或 电气强度 。

3 . 不均匀电介质的 击穿

不均匀电介质 击穿 是指包括固体、液体或气体组合构成的 绝缘 结构中的一种 击穿 形式。与单一均匀材料的 击穿 不同， 击穿 往往是从耐电 强度 低的气体开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化，损伤逐步扩大，致使介质 击穿 。

由于实际固体介质 击穿 还伴随有机械、热、化学等复杂过程，因而至今还没有建立起可以满意地解释所有 击穿 现象的理论，但是已经有了一些能够较好说明部分现象的理论，以下将分别加以讨论。

2.3. 1 固体电介质的热击穿

热 击穿 是由于电介质内部热不稳定过程所造成的。当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高。而电介质电导具有正的温度系数，温度升高电导增大，损耗发热也随之增大。在电介质不断升温的同时，也存在一个通过电极及其他介质向外不断散热的过程。如果同一时间内发热量等于散热量，即达到热平衡，则介质温度不再上升而是稳定于某一数值，这时将不致引起介质 绝缘强度 的破坏。如果散热条件不好或 电压 达到某一临界值，使发热量超过散热量，则介质的温度会不断上升，以致引起电介质分解、炭化或烧焦，最终 击穿 。

为简单起见，以图 2-2 2 中的平板状固体介质为例，对热平衡问题进行探讨。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（ E= U/2h ）， 于是介质发热均匀； 介质损耗 所产生的热 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 2 h 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 ) 为

式中 γ — — 电介质的电导 率 (S/cm ) ；

E — — 电介质中的电场 强度 (V/cm ) ；

f — — 外加电场的频 率 (Hz ) 。

因此，在 1cm 3 的介质中单位时间内产生的热 量 Q 0 [J/(s·cm 3 ) ] 可以直接由上式求得。于 是 x 轴方向厚 度 h 、横截面积 为 1cm 2 的一条状介质中，单位时间产生的热 量 (J/s ) 为

介质中所产生的热量靠介质表面所接触的电极逸散到周围的媒质中去。在单位时间内电极上 1cm 2 所逸出的热 量 (J/s ) 为

介质的发热和散热与其温度的关系可用图 2-23 来表示。由于固体介质的 tan 随温度按指数规律上 升，故 P 0 、 Q 0 和 Q 1 也随温度按指数规律上升，于 是，在 3 个不同大小的 电压 U 1 、 U 2 、 U 3 ( U 1 >U 2 >U 3 ) 作用下，有相应的发热曲 线 1 、 2 和 3 ，直 线 4 为散热曲线。

只有当发热和散热处于热平衡状态时，即 Q 1 =Q 2 时，介质才会具有某一稳定的工作温度，不会 发生热 击穿 。

由曲线 1( 电压 为 U 1 时 ) 高于曲 线 4 ，固体介 质内发热量 Q 1 总是大于散热 量 Q 2 ，在任何温度下 都不会达到热平衡，电介质的温度将不断地升高，最后导致介质热 击穿 。曲线 2( 电压 为 U 2 时 ) 与曲 线 4 相切，切 点 c 是一个不稳定的热平衡点。因为当导电通道温 度 t c 时，电介质发热量大于散热量，温度将上升 到 t c ；而 当 t>t c 时，发热量也大于散热量，导电通道的温度将不断上升，导致热 击穿 。曲 线 3( 电压 为 U 3 时 ) 与曲 线 4 有 a 、 b 两个交点。由于发热量等于散热量，此两点称为热平衡点 ， a 点是稳定的热平衡点 ， b 点是不稳定的热平衡点。因而，电介质被加热到通道温度 为 t a 。就停留在热稳定状态。

以上只是近似的讨论，因为介质各点的温度不会是均匀的，中心处温度最高，靠近电极处温度低；此外介质中部的热量要经过介质本身才能传导到电极上，这就有一个导热系数和传导距离的问题。虽然如此，仍可得出以下结论。

1 ) 热 击穿电压 会随周围媒质温 度 t 0 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，因为厚度越大，介质中心附近的热量逸出困难，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。

4 ) 由 式 (2-32 ) 可知， f 和 tan δ 增大时都会造 成 Q 1 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。

2.3. 2 固体电介质的电击穿

希伯尔 (Hippel ) 和弗罗利 希 (Frohlich ) 在固体物理的基础上以量子力学为工具逐步发展建立了固体电介质电 击穿 的碰撞电离理论。这一理论可以简述如下：

在强电场下，固体导带中可能囚场致发射或热发射而存在一些导电电子，这些电子在外电场作用下被加速获得动能，同时在其运动中又与晶格相互作用而激发晶格振动，把电场的能量传递给晶格。当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中得到的能量大于晶格振动损失的能量时，电子的动能就越来越大，电子能量大到一定值后，电子与晶格的相互作用便导致电离产生新电子，自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，发生 击穿 。

按 击穿 发生的判定条件的不同，电 击穿 理论可分为两大类：

1 ) 以碰撞电离开始作为 击穿 判据。称这类理论为碰撞电离理论，或称本征电 击穿 理论。

2 ) 以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构作为 击穿 判据。称这类理论为雪崩 击穿 理论。以下简要介绍这两类 击穿 理论。

1 . 本征电 击穿 理论

在电场 E 的作用下，电子被加速，因此，电子单位时间从电场获得的能量可表示为

式 中 u — — 电子能量。

电子在其运动中与晶格相互作用而发生能量的交换、由于晶格振动与温度有关，所以 B 可写为

式中 T 0 —— 晶格温度。

平衡时

当场强增加到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生。所以使式 (2-35 ) 成立的最大场强就是碰撞电离开始发生的起始场强，把这一场强作为电介质的临界 击穿 场强。

2. 雪崩 击穿 理论

根据雪崩机理的不同，雪崩 击穿 分为两种类型；场致发射 击穿 和碰撞电离雪崩 击穿 。

1 ) 场致发射 击穿 。如在强场电导中所述，由于量子力学隧道效应，从价带向导带场致发射电子，引起电子雪崩。基于这种观点的理论认为，由于隧道电流的增长，对晶格能量的注入使其温度上升，在晶格温度到达临界温度时，便导致 击穿 发生，称这种 击穿 为场致发射 击穿 。

2 ) 碰撞电离雪崩 击穿 。这种 击穿 理论是：导带中的电子被外施电场加速到具有足够的 动能后，发生碰撞电离，这一过程在电场下不断地由阴极向阳极发展，形成电子雪崩。当这种电子雪崩区域达到某一界限，晶格结构被破坏，固体发生 击穿 。

2.3.3 不均匀电介质的击穿

前述固体电介质 击穿 理论适用于宏观均匀的单一电介质的 击穿 现象，在实际应用中，经常遇到的是宏观不均匀复合电介质。从凝聚状态来分析，一般总是气体与液体或固体、液体与固体或固体与固体的组合，即使是单一电介质的 绝缘 结构，由于材料的不均匀性、含有杂质或气隙等也不能看作是单一均匀电介质，因此研究不均匀介质的 击穿 具有重要的实用意义。在这里先讨论简单的双层复合电介质的 击穿 ，然后讨论以老化现象为主的局部放电和树枝化 击穿 。

1 . 复合电介质的 击穿

(1 ) 双层复合电介质的 击穿

设一双层复合电介质模型及其等效电路如图 2-2 4 所示。双层介质 的厚度、电导率及 介电常数 分别为 d 1 、 d 2 、 γ 1 、 γ 2 和 ε 1 、 ε 2 ，外施 电 压 为 U 及两层介质中场强分 别 E 1 、 E 2 。

设 U 为外施恒定 电压 ， 在 U 作用下达到稳态时，若引入复合电介质的宏观平均场强为

则有

其中， 。

从式 (2-39 ) 可见，各层介质电场 强度 与电导率成反比。如果 γ 1 = γ 2 ， 则 E=E 1 +E 2 ；如果 γ 1 与 γ 2 相差很大，其中一层电介质的场强大 于 E ，例如 ， E 1 ＞ E ，则 当 E 1 达到第一层电介质的 击穿 场 强 E 1 b 时，引起该层介质 击穿 。第一层 击穿 后，全部 电压 加在第二层上， 使 E 2 发生畸变，通常导致第二层电介质随之 击穿 ，即引起全部电介质 击穿 。

(2 ) 边缘效应及其消除方法

在不同电场均匀度下研究固体电介质 击穿 时发现，电场不均匀度越高， 击穿电压 随电介质厚度的增长越慢，即平均 击穿 场强越低，而且分散性也越大，只有在均匀电场下才具有 击穿电压 与厚度的正比关系，可以得到材料的最大 击穿强度 。为了研究固体电介质本征 击穿 的物理 常数 — — 耐电 强度 ，必须采用消除边缘的方法，使固体电介质能在足够均匀的电场下发生电 击穿 。

需要指出，在复合电介质中，电场分布不均匀的情况下，当未采用任何措施改善电极边缘处的电场分布时，由于周围媒质的 击穿强度 常比固体电介质要小，往往在固体电介质 击穿 之前先在电场集中的电极边缘处发生放电，放电火花可视为电极针状般的延伸，于是电极边缘处的电场分布发生强烈畸变，若放电开始时外施 电压 高于固体电介质一定厚度下的最小 击穿电压 ( 电介质在极不均匀电场作用下的 击穿电压 ) ，则媒质放电后立即引起固体电介质的 击穿 。这种因电极边缘媒质放电而引起固体电介质在电极边缘处较低 电压 下 击穿 的现象称为边缘效应。

为了消除均匀电场的边缘效应，其方法之一就是将电极试样系统做成一定的尺寸和形状，一般采用把试样制作为凹面状，如图 2-2 5 所示。 若试样厚 度 t 与下凹部分最小厚度 d 之比足够 大 ( 比值不小 于 5~10 ) ，则 击穿 往往发生在足 够均匀电场的最小厚度处。但并非所有的固体 电介质都能实现，例如，云母、有机薄膜等介 质，困难就较大。对于这类固体电介质，通常采用简单电极试样系统，诸如固体试样置放在两平板电极间、平板与圆球或圆球与圆球电极间的系统，置于液体媒质之中。消除边缘效应的方法之二是需用适当的媒质，使在固体电介质 击穿 之前媒质中所分配到的电场 强度 低于其 击穿 值。

2 . 局部放电

在含有气体 ( 如气隙或气 泡 ) 或液 体 ( 如油 膜 ) 的固体电介质中，当 击穿强度 较低的气体或液体中的局部电场 强度 达到其 击穿 场强时，这部分气体或液体开始放电，使电介质发生不贯穿电极的局部 击穿 ，这就是局部放电现象。这种放电虽然不立即形成贯穿性通道，但长期的局部放电，使电介 质 ( 特别是有机电介 质 ) 的劣化损伤逐步扩大，导致整个电介质 击穿 。

局部放电引起电介质劣化损伤的机理是多方面的，但主要有如下 3 个方面：

1 ) 电的作用。带电粒子对电介质表面的直接击作用，使有机电介质的分子主链断裂。

2 ) 热的作用。带电粒子的轰击作用引起电介质局部的温度上升，发生热熔解或热降解。

3 ) 化学作用。局部放电产生的受激分子或二次生成物的作用，使电介质受到的侵蚀可能比电、热作用的危害更大。

局部放电是电介质应用中的一种强场效应，它在电介质 介电 现象和 电气绝缘 领域均具有重要意义。

局部放电图与放电类型相关，不同的类型放电位置不同，图 2-2 6 、 图 2-27 和图 2-2 8 是交流状态下局部放电的放 电图。

3 . 聚合物电介质的树枝化 击穿

树枝化 击穿 是聚合物电介质在长时间强电场作用下发生的一种老化破坏形式，在介质中形成具有气化了的、如树枝状的痕迹，树枝是充满气体的直径为皮米 ( 1pm=10 -12 m ) 以下的细 微 “ 管 子 " 组成的通道，如 图 2-2 9 所示。

引起聚合物电介质树枝化的原因是多方面的，所产生的树枝也不同。树枝可以因介质中间歇性的局部放电而缓慢地扩展，更可以在脉冲 电压 作用下迅速发展，也能在无任何局部放电的情况下，由于介质中局部电场集中而发生。属于这些原因引起的树枝称为电树枝 ( 如 图 2-2 9 所示有、无气隙的树枝和 图 2-3 0 所 示 35k V 聚乙烯电缆中的杂质电树 枝 ) 。树枝化也能因存在水分而缓慢发生，除在水下运行外，还有因环境污染或 绝缘 介质中存在杂质而引起的电化学树枝，如电缆中由于腐蚀性气体在线芯处扩散，与铜发生反应，就形成电化学树枝。

树枝化的位置是随机的，即树枝引发于介质中各个高场强的点，例如，粗糙或不规则的电极表面或介质内部的间隙、杂质等处。聚合物介质树枝化后，在其截面可以发生或不发生的 击穿 ，但在固体聚合物介质中，树枝化 击穿 是一个很重要的 击穿 因素。如美国西海岸敷设的 16 1 根聚乙烯电缆，运行 了 1~1 1 年以后，检查已损坏和未损坏的电缆截面发现，树枝化现象相当普遍，运 行 5 年以上者，几乎有一半产生了树枝化。虽然树枝化与寿命之间无明确的关系式，但是树枝化无疑降低了电缆的使用寿命。需要指出，树枝化是聚合物介质 击穿 的先导，但 击穿 并不因树枝化而接 踵到来。