《高电压技术》第一篇电介质的电气强度--第三章液体和固体介质的电气特性--第三节固体介质的击穿

1、高电压技术高电压技术普普 通通 高高 等等 教教 育育 “十十 二二 五五” 国国 家家 规规 划划 教教 材材电电 气气 工工 程程 及及 其其 自自 动动 化化 专专 业业 系系 列列 教教 材材第第 一一 篇篇 电介质的电气强度电介质的电气强度绪绪 论论 高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。 高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。 对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝 缘这一对矛盾。 为了说明电力系统与高电压技术的密切关系， 以高压架空输电线路的设计为例，在图 0-1中 列出了种种与高电压技术直接相关的工程问

2、题。除了电力工业、电工制造业外，高电压技术 目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光 技术、核物理、等离子体物理、生态与环 境保护、生物学、医学、高压静电工业应 用等领域。第第 一一 篇篇 电介质的电气强度电介质的电气强度第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用 得最多的液体介质是变压器油，电容器油和电缆油也分别用 于电力电容器和电力电缆中。用作内绝缘的固体介质最常见 的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等，用于制造绝缘子的固体 介质有电瓷、玻璃和硅橡胶等。电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导 电性能、介电性能和电气强度；它

3、们分别以四个主要参数，即电导率（或绝缘电阻率 ）、介电常数、介质损耗角正切 tan和击穿电场强度（以下简称击穿场强）Eb来表示。第三节第三节 固体介质的击穿固体介质的击穿固体介质的固有击穿强度要比液体和气体介质高得多，其 击穿的特点是击穿场强与电压的作用时间有很大的关系。固体介质击穿后，会在击穿路径留下放电痕迹，如烧穿或 熔化的通道以及裂缝等，从而永远丧失其绝缘性能，故为非自 恢复绝缘。一、固体介质的击穿理论一、固体介质的击穿理论 电击穿电击穿固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使 介质破坏并丧失绝缘性能的现象。固体介质中存在少量处于导带能级的电子（传导电 子），它们在强电场作用下加速

4、，并与晶格结点上的原子（或离子）不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得 的能量大于碰撞时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子）发生电离的水平时，传导电子数将 迅速增多，引起电子崩，破坏了固体介质的晶格结构，使 电导大增而导致击穿。一、固体介质的击穿理论一、固体介质的击穿理论 电电击击穿穿在介质的电导（或介质损耗）很小、又有良好的散热 条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的 击穿通常为电击穿，其击穿场强一般可达105106 kV/m，比热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为103 104 kV/m。电击穿的主要特征为：击穿电压几乎与周围环境温 度无关；除时间很短的情况外

5、，击穿电压与电压作用时间 的关系不大；介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电 压有显著影响。 热击穿热击穿概念：概念：热击穿是由于固体介质内的热不稳定过程造成的。当固体 介质较长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此 同时也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热 与散热将在一定条件下达到平衡，这时固体介质处于热稳定状 态，介质温度不会不断上升而导致绝缘的破坏。但是，如果发 热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳 化或烧焦，从而发生热击穿。 电化学击穿电化学击穿固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局部放电等原 因，使绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击

6、穿的现象称为电化学击穿。 在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成，也可 以因介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。电化学击穿电压的大小与加电压 时间的关系非常密切，但也因介质种 类的不同而异。图3-23是三种固体介 质的击穿场强随施加电压的时间而变 化的情况：曲线l、2下降较快，表示 聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放电的性 能差；曲线3接近水平，表示硅有机 玻璃云母带的击穿场强随加电压间的 增加下降很少，可见无机绝缘材料耐 局部放电的性能较好。( (一一) )电压作用时间电压作用时间如果电压作用时间很短(例如0.1s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

7、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1min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。二、影响固体介质击穿电压的主要因素二、影响固体介质击穿电压的主要因素( (二二) )电场均匀程度电场均匀程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

8、，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，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。( (三三) ) 温度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。( (四四) )受潮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。( (五五) )累积效应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。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，很