固体电介质和液体电介质的击穿特性

固体电介质和液体电介质的电气强度一般都比空气的电气强度高得多，其用作内绝缘可以大大减小电气设备的结构尺寸，因此被广泛用作电气设备的内绝缘和绝缘支撑等。最常见的固体电介质有绝缘纸、环氧树脂、玻璃纤维板、云母、电瓷、硅橡胶及塑料等，应用得最多的液体电介质是变压器油。固体电介质和液体电介质与气体电介质的电气特性有很大不同。首先固体及液体的有机介质在运行过程中会逐渐发生老化，从而影响绝缘的电气强度和寿命；其次固体电介质一旦发生击穿即对绝缘造成不可逆转的性破坏，故称其为非自恢复绝缘；固体电介质和液体电介质的击穿机理与气体电介质也不同。虽然目前人们对固体和液体电介质击穿过程的理解不如气体的那么清楚，但已经提出了几种不同的击穿机埋。

4.1固体电介质的击穿机理

在电场作用下，固体电介质的击穿可能会因电的作用、热的作用或电化学的作用所引起，因此击穿过程比较复杂。

4.1.1 电击穿

固体电介质的电击穿是指仅由于电场的作用而直接造成固体绝缘击穿的物理现象。

关于固体电介质电击穿的机理有种种理论和假设，归结起来即认为在强电场下固体电介质内部存在的少量带电粒子作剧烈的运动，与固体电介质晶格结点上的原子发生碰撞电离，形成电子崩，从而破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击穿。

电击穿的主要特点是击穿电压与周围环境温度无关，与电压作用时间也关系不大，介质

形成电子崩，从而破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击穿。

电击穿的主要特点是击穿电压与周围环境温度无关，与电压作用时间也关系不大，介质发热不显著；但电场的均匀程度对击穿电压影响很大。电击穿所需的场强比较高，一般可达10⁵～10⁶kV/m。当介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电时，固体电介质所发生的击穿一般为电击穿。

4.1.2 热击穿

热击穿是由于电介质内部的热不稳定所造成的。当固体电介质较长时间地处在外电压作用下，由于介质内部的损耗而发热，致使温度升高，从而使介质的电导和tanδ都增大，这反过来又使温度进一步升高。若到达某一温度后，发热量等于散热量，介质的温度则停止上升而处于热稳定状态，这时将不致引起绝缘强度的破坏。然而，这种热稳定状态不是在任何情况下都能建立的。如果散热条件不好，或电压达到某一临界值，使绝缘的发热量总是大于散热量，这时将会使介质的温度不断升高，直至介质分解、熔化、碳化或烧焦，造成热破坏而丧失其绝缘性能，这就是热击穿的过程。

在交流电压作用下，单位体积介质的功率损耗P随温度的升高增大，且关系式为

式中：tanδ₀为温度t₀时的介质损耗角正切；t为温度；δ为与介质有关的系数；C为绝缘结构的电容；U为外加电压。

单位时间产生的热量Q₁与介质损耗功率P成正比，即

即                    

式中：A为比例常数。

假定产生的热量只能从电极两边散出，则单位时间内散出的热量Q₂为

式中：σ为散热系数；S为散热面积。

Q₁和Q₂与温度的关系可用图4-1来表示。由于体电介质的tanδ随温度按指数规律上升，故Q₁也随温度按指数规律上升(图1-1中曲线1~3)，Q₂则与温度呈线性关系(见图4-1中曲线4)。在不同的外加电压下，可画出不同的发热曲线Q₁(U₁)、Q₁(U₂)、Q₁(U₃)，此处U₁＜U₂＜U₃。显然，只有发热量和散热量处于热平衡状态时，即Q₁=Q₂，介质才会处于热稳定状态，具有某一稳定的工作温度，不会发生热击穿。

由图4-1可见，当电压为较低值U₁时，相应的发热曲线Q(U₁)与Q₂相交于A点，对应的温度为t_A，A点为稳定的工作点。一旦介质温度上升，t＞t_A，则由于散热量大于发热量，将使温度下降到t_A；t＜t_A，则由于发热量大于散热量又会使温度再回升到t_A，所以介质就有一个稳定的工作温度t_A，不会引发热击穿。

当电压升高到U₂时，相应的发热曲线Q₁(U₂)与Q₂相切于K点，对应于K点的温度为t_K， K点是不稳定的热平衡点，仅仅在t=t_K时才达到热平衡。如果有偶然因素使介质温度略有升高，则由于Q₁＞Q₂而使温度继续升高，直到发生热击穿，因此，可以将电压U₂看作是发生热击穿的临界电压值。这是因为当U＞U₂时，曲线Q₁(U₃)不再与Q₂有交点，这时不论在什么温度下总是发热大于散热，使介质的温度不断上升，必然会造成热击穿。

热击穿的主要特点是击穿电压随环境温度的升高呈指数规律下降，击穿电压直接与介质的散热条件相关。由于厚度大的介质散热困难，所以热击穿电压并不随介质厚度成正比增加。热击穿需要热量的积累，而热量的积累需要时间，因此加压时间短时，热击穿电压将增高。此外，电压频率或介质的tanδ增大，都会使介质发热量增大，导致热击穿电压下降。

4.1.3 电化学击穿

固体电介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电，产生活性气体O₃、NO、NO₂，对介质产生氧化和腐蚀作用，同时产生热量引起局部发热，以及在局部放电过程中带电粒子的撞击作用，导致绝缘劣化或损伤，使其电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。电化学击穿是一个复杂而缓慢过程，在临近最终击穿阶段，可能因劣化处损耗增加，温度过高而以热击穿形式完成；也可能因介质劣化后电气强度下降，而以电击穿形式完成。

在电化学击穿中，还有一种树枝状或丛状放电的情况，这通常是发生在有机绝缘材料(如交联聚乙烯)的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状或丛状放电，并在有机固体介质上留下纤细的放电痕迹，这就是树枝状放电劣化。在交流电压下，树枝状放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所致。

4.2影响固体电介质击穿电压的因素

影响固体电介质击穿电压的因素很多，下面仅对主要影响因素作一些介绍。

4.2.1 电压作用时间

以常用的油浸电工纸板为例，如图4-2所示，以其1min工频击穿电压(峰值)为基准值(100%)，纵坐标用标幺值表示。电击穿与热击穿的分界点时间在10⁵～10⁶μs之间，电压作用时间大于此值后的击穿为热击穿，小于此值的击穿则属于电击穿。由图可见，电压作用时间越长，击穿电压越低，1min击穿电压与更长时间的击穿电压已相差不大。所以，通常可将1min工频试验电压作为基础来估计固体电介质在工频电压作用下长期工作时的热击穿电压。尚需指出，许多有机绝缘材料的短时间电气强度虽然很高，但由于它们耐局部放电的性能 较差，以致其长时间电气强度较低，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(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。

由图4-2还可以看出，在电击穿区域内，在较宽的时间范围内油浸电工纸板击穿电压与电压作用时间几乎无关，只有在时间小于微秒级时击穿电压才随电压作用时间减小而升高，这一点与气体放电的伏秒特性很相似。其雷电冲击击穿电压约为工频击穿电压的3倍。

4.2.2 电场均匀程度

均匀、致密的固体介质如处于均匀电场中，其击穿电压往往比较高，且击穿电压随介质厚度的增加近似地呈线性增加。若在不均匀电场巾，则击穿电压较均匀电场中降低，且随着介质厚度的增加使电场更不均匀，击穿电压也不再随介质厚度的增加而线性增加。当介质厚度的增加使散热困难时，又会促使发生热击穿，这时靠增加介质厚度来提高击穿电压就没有多大的意义。

4.2.3温度

固体介质电击穿的场强很高，而与温度几乎无关，但其热击穿电压则随温度的升高而降低。由于环境温度高不利于固体介质的散热，会使热击穿电压下降。所以，用固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下就会有热击穿的危险。为了降低绝缘的温度，常采取一些散热措施，如加强风冷、油冷及加装散热器等。

4.2.4受潮

固体介质受潮会使击穿电压大大降低，其降低程度与介质的性质有关。对于不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅降低一半左右；对于易吸潮的材料，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能只有干燥时的百分之几或更低，这是因为电导率和介质损耗均大大增加的缘故。所以高压绝缘结构不但在制造时要注意除去水分，在运行中也要注意防潮，并定期检查受潮情况，一旦受潮必须进行干燥处理。

4.2.5 累积效应

固体介质在不均匀电场中，或者在雷电冲击电压下，其内部可能出现局部放电或者损伤，但并未形成贯穿性的击穿通道，但在多次冲击或工频试验电压作用下，这种局部放电或者伤痕会逐步扩大，这称为累积效应。显然，由于累积效应会使固体介质的绝缘性能劣化，导致击穿电压下降。因此，在确定电气设备试验电压和试验次数时应充分考虑固体介质的这种累积效应，在设计固体绝缘结构时亦应保证一定的绝缘裕度。

4.3固体电介质的老化

电介质在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理化学变化，从而使介质的物理、化学性能产生不可逆转的劣化，导致电介质的电气及机械强度下降，介质损耗及电导增大等，这一现象称为绝缘的老化。

引起绝缘老化的原因很多，主要有热的作用、电的作用、机械力的作用以及周围环境因素的影响，如受潮、氧、臭氧、氮氧化物、各种射线以及微生物的作用等。各种不同的因素除了本身能对绝缘产生老化作用外，还常常互相影响，加速老化过程，尽管老化过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，但从老化的特征上可将其大体划分为电老化和热老化两大类型。

4.3.1 固体介质的电老化

电老化主要是由于电场的作用所产生。根据电老化的性质不同，又可分为电离性老化、电导性老化和电解性老化。

1.电离性老化

电离性老化主要指绝缘内部存在的气隙或气泡在较强电场下发生电离而产生局部放电所引起的绝缘老化。

局部放电引起绝缘老化的机理被认为是：带电粒子对介质的撞击可使有机介质主链断裂，使高分子解聚或部分变成低分子；局部放电引起局部过热，高温使绝缘材料产生化学分解；局部放电产生的活性气体O₃、NO、NO₂对介质的氧化和腐蚀，以及由局部放电产生的紫外线或X射线使介质分解和解聚；随后放电道通沿电场方向逐渐向绝缘深处发展，在某些高分子有机绝缘中常发展成树枝状，称为“电树枝”。电树枝的不断发展最终将导致绝缘击穿。因此，许多高压电气设备都将局部放电水平作为检验其绝缘质量的重要指标。

绝缘中气隙或气泡引起局部放电的机理可以这样来解释：当固体介质内部含有气隙时，气隙及与其相串联的固体介质中的场强分布是与它们的介电常数成反比。气体介质的介电常数比固体介质的介电常数小得多，因此气隙中的电场强度要比固体介质中的电场强度高得多，而气体的电气强度又较固体介质低，所以当外加电压还远小于固体介质的击穿电压时，气隙中的气体就首先发生电离而产生局部放电。

下面对局部放电的发展过程作简单分析。

固体介质内部有单个小气隙时的等效电路如图4-3所示。图中，C_g为气隙的电容，C_b是与气隙串联的固体介质的电容，C_a是固体介质其余完好部分的电容，Z为气隙放电脉冲的电源阻抗。一般情况下气隙较小，所以C_b≪C_g，且C_b≪C_a。

将瞬时值为u的交流电压施加在固体介质时，C_g上分得的电压为

当u_g随u增大到气隙的放电电压U_s时，气隙放电。放电产生的正负电荷在外加电场作用下分别聚积在气隙与固体介质的上下交界面上，它们建立的电场与外加电场方向相反，从而使C_g上的电压急剧下降到剩余电压U_r，放电熄灭。但由于外加电压u还在上升，C_g上的电压又随外加电压u充电到U_S，开始第二次放电。同理，第二次放电产生的正负电荷所建立的电场与外加电场方向相反，所以C_g上的电压会再次下降到剩余电压U_r，放电熄灭。当外加电压u不断下降时，气隙界面电荷产生的附加电场会超过外加电场，导致反向放电发生。依此类推，可以推出第四次、第五次、第六次等放电出现的位置与放电的极性，如图4-4(a)所示。因此，随着C_g的充放电过程使局部放电重复发生，从而在电路中产生由局部放电引起的脉冲电流，如图4-4(b)所示，其频率范围在200～400kHz。

C_g每次放电时，其放电电荷量为

其中：q_r为真实放电量。由于C_g、C_b和C_a实际上都是无法测定的，所以q_r也无法测定。但是气隙放电引起的电压变动(U_s-U_r)会按反比分配在C_b、C_a上(因从气隙两端看C_b、C_a是相串联的)。设在C_a上的电压变动为∆u，则有

这就是说，当气隙放电时，固体介质两端的电压也会产生电压降落∆u，这相当于固体介质放掉电荷q，即

其中：q为视在放电量。

通过电源充电在回路中形成电流脉冲。∆u和q的值都是可以测量的，因此，通常将q作为度量局部放电强度的参数。从以上各式可以看出，q既是发生局部放电时试品电容所放掉的电荷，也是电容C_b上的电荷增量。比较式(4-6)和式(4-8)可得

即视在放电量通常比真实放电量小得多，但q与q_r呈线性关系，因此通过测量q可以相对地反映出q_r的大小。

实验研究表明，视在放电量，放电重复率和一次放电所消耗的能量是反映局部放电强弱的三个基本参数。

如前所述，在交流电压下，当外加电压较高时，局部放电在半周期内可以重复多次发生，而在直流电压下情况就不一样。由于直流电压的大小和方向均不变，所以一旦气隙产生放电，所产生的空间电荷建立的附加电场会使气隙中的电场削弱，导致放电熄灭，直到空间电荷通过介质内部的电导消散，使附加电场减小到一定程度后，才能开始第二次放电。由于电介质的电导很小，所以空间电荷的消散速度极慢。因此，在其他条件相同的情况下，直流电压下单位时间内的放电次数一般要比交流电压下小3～4个数量级，从而使得介质在直流电压下的局部放电所产生的破坏作用远比交流电压下小。

2. 电导性老化

电导性老化指某些高分子机合成绝缘材料内部在某些液态的导电物质(最常见的是水分或制造过程中残留的某些电解质溶液)，在电场强度超过某一定值时，这些导电液就会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树枝状的痕迹，称为“水树枝”，使介质的绝缘特性老化。

“水树枝”是由于水或其他电解液中的离子在交变电场作用下往复冲击介质，使其疲劳损伤和化学分解，随之逐渐渗透扩散到介质深处所形成的。实践表明，产生“水树枝”所需的电场强度要比产生“电树枝”所需的场强低得多；“水树枝”一旦产生其发展速度也比“电树枝”快。

3.电解性老化

电解性老化指在所加电压还远低于局部放电起始电压的情况下，由于介质内部进行的化学过程(尤其在直流电压下最为严重)造成对介质的腐蚀、氧化，使介质逐渐老化。当有潮气侵入电介质时，由于水分本身就能离解出H⁺和O^-离子，则会加速电解性老化。随着温度的升高，化学反应速度加快，电解性老化的速度也随之加快。

4.3.2固体电介质的热老化

固体电介质的性能在长期受热的情况下逐渐劣化，失去原来的优良性能，称为热老化。热老化的主要过程为热裂解、氧化裂解以及低分子挥发物的逸出。热老化的特征大多数是使介质失去弹性、变硬、变脆，机械强度降低，也有些介质表现为变软、发黏、变形，失去机械强度，与此同时介质的电导变大，介质损耗增加，击穿电压降低，绝缘性能变坏。

由于温度的升高将使热老化过程加速，所以根据热老化决定的绝缘寿命与绝缘的工作温度密切相关。国际电工委员会将各种电工绝缘材料按其耐热性能划分等级，并确定各级绝缘材料的最高持续工作温度，见表41。

表4-1                      电工绝缘材料的耐热等级

使用温度超过表4-1的规定，绝缘材料将迅速老化，寿命大大缩短。实验表明，A绝缘的工作温度超过规定值8℃，则寿命大约缩短一半，这通常称为热老化的8℃规则。实际上对其他各级绝缘的温度规定值并不都是8℃，如B级绝缘为10℃，H极绝缘为12℃等。

有机绝缘材料在热的作用下发生着各种化学变化，包括氧化、热裂解和缩聚等，这些化学反应的速率决定了材料的热老化寿命。因此，可应用化学反应动力学推出材料寿命和温度的关系。在温度低于绝缘材料的上限工作温度时，有机绝缘由热老化所决定的绝缘寿命的近似计算式为

式中：T为实际使用温度下的绝缘寿命；A为标准使用温度下的绝缘寿命；θ为绝缘的实际使用温度；θ₀为绝缘的标定使用温度；α为热老化系数，由绝缘的性质、结构等因素决定，对A绝缘α在0.065~0.12范围内。

为了获得最佳的经济技术效益，在当今的技术经济条件下，对大多数电气设备(如发电机、变压器、电动机等)绝缘的正常使用寿命一般认定为20～25年，由此就可以确定出该设备的标准使用温度。