击穿电压的主要因素

影响固体介质击穿电压的因素甚多，下面介绍几种主要的影响因素。

电介质的老化 
电气设备在长期运行中，其介质不可避免的要承受热的、电的、化学的和机械力的作用。在这些因素的作用下，介质的物理性能逐渐劣化，如变脆、变粘、起层等，电气性能逐渐降低，如电导变大、变大和绝缘强度下降等，这种在性能方面出的不可逆的劣化现象称为介质的老化。 
电介质的老化分为三类：由电场作用引起的电老化、由高温作用引起的热老化和由受潮所加速劣化的受潮老化。下面分别介绍三种老化的过程。 
一、电老化
电老化分为局部放电老化、电导性老化和电解性老化三种类型。 
介质内部不可避免地存在某些小气泡或气隙，它们可能是由于浸渍工艺不完善，使介质层间、介质与电极间或介质内部残留的也可能是浸渍剂与介质材料的膨胀系数不同由温度变化所引起的介质在运行中也可能分解出气体，形成小气泡介质中的水分电离分解也能产生气泡。气体介质的相对介电常数接近，比固、液体介质的相对介电常数小得多，因而在电场作用下的场强就比邻近的固、液体介质中的场强大得多，而击穿场强又比固、液体介质的低得多，所以*容易在这些气隙或气泡中产生局部放电。 
局部放电将产生如下后果： 
带电粒子撞击气泡（或气隙）表面的介质，特别是对有机绝缘物，能使主链断裂，高分子解聚或部分变为低分子，介质的物理性能变差。 
局部温度升高，气泡膨胀，使介质开裂、分层、变脆，高温同时能使材料产生化学分解，使该部分电导和损耗变大。 
局部放电产生的和等气体对有机物产生氧化侵蚀，使介质逐渐劣化，特别 
是介质受潮后，还可能与潮气结合生成亚硝酸或硝酸，对介质及金属电极都产生腐蚀。

电压作用时间 

如果电压作用时间很短（例如以下），固体介质的击穿往往是电击穿，击穿

电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分清，例如在工频交流 耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十 小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。 
以常用的油浸电工纸板为例，在图中，以频击穿电压（峰值）作为基准值，纵坐标以标么值来表示。电击穿与热击穿的分界点时间约在之间，作用时间大于此值后，热过程和电化学作用使得击穿电压明显下降。不过击穿电压与更长时间（图中达数百小时）的击穿电压相差已不太大，所以通常可将频试验电压作为基础来估计固体介质在工频电压作用下长期工作时的热击穿电压。许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低，这一点必须予以重视。在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中（例如旋转电机），就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料。 
图油浸电工纸板的击穿电压与加电压时间的关系时 
电场均匀程度和介质的厚度 
处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大若在不均匀电场中，介质厚度增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。 
常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，**电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。如果经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。 
频率 
在电击穿区域内，如果频率的变化不造成电场均匀度的改变，则击穿电压与频率几乎无关。在热击穿区域内，如果频率使和变化不大，则击穿电压将与频率的平方根成反比。如厚度为的玻璃，在工频时的击穿电压为（有效值），而在高频时击穿电压仅为（有效值）。这是因为频率上升使介质损耗上升，导致发热，促使热击穿过程的发展。 
温度 
固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压将更低。因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不同的。 
受潮 
受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料，如聚乙烯聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。 
累积效应
固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压，特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。 
在幅值不高的内部过电压下以及幅值虽高、但作用时间很短的雷电过电压下，由于加电压时间短，可能来不及形成贯穿性的击穿通道，但可能在介质内部引起强烈的局部放电，从而引起局部损伤。 
主要以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着施加冲击或工频试验电压次数的增多，可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此，在确定这类电气设备耐压试验加电压次数和试验电压值时，应考虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保证一定的绝缘裕度。 

击穿的定义：

使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。

使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。电介质击穿时的电场强度叫击穿场强。不同电介质在相同温度下,其击穿场强不同。当电容器介质和两极板的距离d一定后,由U1-U2=Ed知,击穿场强决定了击穿电压。击穿场强通常又称为电介质的介电强度。提高电容器的耐压能力起关键作用的是电介质的介电强度。附表为各种电介质的相对介电常量εr和介电强度。

电介质 εr 击穿场强,×106/(V·m-1)

击穿电压是电容器的极限电压，超过这个电压，电容器内的介质将被击穿.额定电压是电容器长期工作时所能承受的电压，它比击穿电压要低.电容器在不高于击穿电压下工作都是安全可靠的，不要误认为电容器只有在额定电压下工作才是正常的。

击穿机理

当 PN 结的反向偏压较高时，会发生由于碰撞电离引发的电击穿，即雪崩击穿。存在于半导体晶体中的自由载流子在耗尽区内建电场的作用下被加速其能量不断增加，直到与半导体晶格发生碰撞，碰撞过程释放的能量可能使价键断开产生新的电子空穴对。新的电子空穴对又分别被加速与晶格发生碰撞，如果平均每个电子(或空穴)在经过耗尽区的过程中可以产生大于 1 对的电子空穴对，那么该过程可以不断被加强，终达到耗尽区载流子数目激增，PN 结发生雪崩击穿。定义碰撞电离率 α 为载流子沿电场方向经过单位距离而引发新的电子空穴对的几率，对于硅而言，电子与空穴对应的碰撞电离率 α 是不相同的，为简化计算，我们常用α的有效值代替空穴和电子各自的α，从而雪崩击穿发生的临界条件可表示为:

值得说明的是，有一些化合物半导体如 GaAs 中电子与空穴的碰撞电离率α是相等的，对于这些化合物半导体式(1-1)是严格成立的，对于硅，α的有效值约为 1.8×10E[2]。如果考虑到曲面结，电场不是简单的一维分布，将式(1-1)以矢量路径积分的形式表出:

式(1-2)中l表示电场的方向矢量，为耗尽区边界的位置。例如，对于球面结，电场的方向沿球面的半径方向，载流子被径向的电场加速直到与晶格发生碰撞或到达耗尽区边界，发生雪崩击穿的临界条件为:

定义 PN 结发生临界击穿对应的电压为 PN 结的击穿电压 BV，BV 是衡量 PN结可靠性与使用范围的一个重要参数，在 PN 结的其它性能参数不变的情况下，我们希望 BV 的值越高越好。在一维电场分布的条件下，击穿电压可表示为:

如考虑到电场的非一维分布如曲面结或不规则结面的情况，击穿电压更普遍的表达式为:

击穿电压 BV 为电场沿其起点至其终点的路径积分值。

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