轨道交通高压设备检测和试验课件：固体电介质的击穿特性分析

固体电介质的击穿特性分析目录固体电介质的击穿影响固体电介质击穿电压的因素

提高固体电介质击穿电压的措施01020301固体电介质的击穿Ø常用的固体电介质：陶瓷、云母、绝缘纸、环氧树脂、玻璃纤维板、硅橡胶、塑料

…Ø特点：固有耐电强度极高，约为十几~几百kV/mm

(空气为3~4kV/mm

，液体为10~20kV/mm

)。击穿后会在其击穿路径上留下不可恢复的放电痕迹

，从而永远丧失其绝缘性能

，为非自恢复绝缘。载流导体的支撑载流导体的支撑绝缘介质除了气体、液体外还有固体。固体电介质除了可以用作绝缘材料外还可用作载流导体的支撑或作为极间屏障。

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固体电介质的击穿

极间屏障动车组车顶支撑绝缘子变压器绕组绝缘筒电力线路瓷横担在电场作用下，固体电介质的击穿主要有电击穿、热击穿和电化学击穿三种形式。(一)电击穿Ø定义：仅由电场作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。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，固体电介质的击穿一般为电击穿。Ø主要特征：电压作用时间短，击穿电压高(击穿场强达105~106

kV/m

)，击穿电压几乎与环境温度无关，介质发热不显著，电场的均匀度对击穿电压有显著影响。

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固体电介质的击穿

晶格结构被破坏

电导增大最终击穿内部存在

少量带电粒子撞击晶格结点上的

原子(或离子)碰撞电离形成电子崩在强电场作用下

加速Ø主要特征：击穿电压与电压作用时间有关，因为热击穿是一个热量积累的过程；电压作用时间越长，击穿电压越低(击穿场强约为103~104

kV/m

)；介质温度特别是局部温度有明显的升高；击穿电压随环境温度的升高而下降；击穿电压与电场的均匀程度关系不大，而与介质的散热条件密切相关。※

当绝缘本身存在局部缺陷时,缺陷处损耗增大,温升增高,热击穿就容易发生在这种绝缘有局部缺陷处。在电场作用下，固体电介质的击穿主要有电击穿、热击穿和电化学击穿三种形式。(二)热击穿

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固体电介质的击穿

温度不断升高温度↑电导↑

泄漏电流↑

发热量=散热量介质处于热稳定状态，温度不再上升，绝缘性能不致破坏电介质分解、熔化、碳化或烧焦绝缘性能完全丧失Ø定义：热击穿是由于固体电介质内部热不稳定过程造成的。发热量>散热量介质损耗发热热击穿在电场作用下，固体电介质的击穿主要有电击穿、热击穿和电化学击穿三种形式。(三)电化学击穿Ø定义：固体电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穿的现象为电化学击穿。※

电化学击穿是固体电介质在电压长期作用下劣化、

老化而引起的

，它与固体电介质本身的制造工艺、

工作条件等有密切关

系。

电化学击穿的击穿电压比电击穿和热击穿的击穿电压更低

，甚至可能在工作电压下发生

，对此应引起足够的重视。

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固体电介质的击穿

长期在工作电压下

发生电晕或局放内部或边缘

存在气泡、气隙带电粒子撞击引起分子结构破坏产生O3、NO2等对介质氧化腐蚀带电粒子撞击介质引起局部温升介质劣化电击穿温度过高热击穿02影响固体电介质

击穿电压的因素1min

击穿电压与更长时间的击穿电压相差不多通常可将1min

工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

数分钟到数小时才引起击穿热击穿往往起主要作用属于电击穿，此时热与化学的影响还来不及起作用属于热击穿，热过程和电化学作用使得击穿电压明显下降

作用时间更长后属于电化学击穿，由于绝缘老化，绝缘性能下降

作用时间很短(0.1s以下)击穿往往是电击穿二者有时很难分清

，例如在工频交流1min耐压试验中的试品击穿

，

往往是电和热双重作用的结果。

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影响固体电介质击穿电压的因素电击穿与热击穿的分界时间为105~106

μs

之间(一)电压作用时间大于此值小于此值(二)电场均匀程度Ø均匀电场中，固体介质的击穿电压比较高，且随介质厚度增加近似成线性增加；Ø不均匀电场中击穿电压有所降低，并且介质厚度的增加将使电场更不均匀，击穿电压也不再随厚度成线性增加；Ø当介质的厚度增加到影响介质散热时，介质可能发生热击穿，此时继续靠增加电介质的厚度来提高击穿电压就没有意义了。(三)温度Ø温度较低时固体电介质的击穿属于电击穿，电击穿的击穿电压较高，且与温度几乎无关；Ø温度高到一定程度时电击穿转为热击穿，温度越高热击穿电压越低；Ø不同固体介质的耐热性能和耐热等级不同，它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也不同。以固体绝缘作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下就可能会发生热击穿

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影响固体电介质击穿电压的因素(四)电场种类相同条件下

，固体电介质在直流、

交流和冲击电压下击穿电压往往不同。Ø在直流电压下，固体电介质的损耗(电导损耗)比工频交流电压下的损耗(电导损耗、极化损耗)小，介质发热少，因此直流击穿电压比工频击穿电压(幅值)高；Ø在冲击电压下，由于电压作用时间极短，热的效应和电化学的影响来不及起作用，因此击穿电压比工频和直流下都高。Ø所以

，在工频交流电压下

，介质的击穿电压最低

，对介质耐电强度的考验最严格。(五)受潮固体电介质受潮后击穿电压的下降程度与材料的性质有关。Ø不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质受潮后，其击穿电压仅下降一半左右;Ø易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料受潮后，其击穿电压仅为干燥时的几百分之一，这是因为电导率和介质损耗大大增加的缘故；Ø高压绝缘结构在制造时应注意除去水分

，在运行中应注意防潮

，并定期检查受潮情况。(六)累积效应固体电介质在幅值不很高的过电压，特别是冲击电压作用下，有时虽未形成贯穿性的击穿通道，但在介质内部已出现局部损伤，发生局部放电留下的碳化、烧焦或裂缝等痕迹是不可恢复的。在多次冲击或工频试验电压下，介质内部的局部损伤会逐步发展，最终导致击穿电压下降。(七)机械负荷固体电介质在使用时可能受到机械负荷的作用

，使电介质发生裂缝

，造成击穿电压显著下降。

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影响固体电介质击穿电压的因素03提高固体电介质

击穿电压的措施(一)改进制造工艺应尽可能地清除固体电介质中残留的杂质、气泡、水分等，使介质尽可能均匀致密，这可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、浸绝缘油或漆等方法实现。

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提高固体电介质击穿电压的措施(二)改进绝缘设计应采用合理的绝缘结构，使各部分的绝缘强度与其所承担的电场强度有适当的配合；改善电极形状及表面光洁度，尽可能使电场分布均匀；改善电极与电介质的接触状态，消除接触处的气隙或使该气隙不承受电位差，如下图中变压器的绝缘结构图所示。

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提高固体电介质击穿电压的措施(三)改进绝缘的运行条件在电气设备的运行中，应防止潮气侵入，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却，防止臭氧及有害气体与绝缘材料的接触。

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提高固体电介质击穿电压的措施影响固体电介质击穿电压的因素中指出，电压随介质厚度增加近似成线性增加，但

加到影响介质散热时，介质可能发生热击

增加电介质的厚度来提高击穿电压就没有度的选择，人生亦需有度，这是成