固体电介质的击穿理论：电击穿、热击穿、电化学击穿

固体电介质的击穿理论：电击穿、热击穿、电化学击穿

固体电介质的击穿特性与气体、液体电介质有很大不同，主要表现为以下两点：

1. 固体电介质的耐电强度比气体和液体电介质高。空气的耐电强度一般为34kV/mm，液体的耐电强度为1020kV/mm，而固体的耐电强度在十几至几百kV/mm。

2. 固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后其绝缘性能不可恢复。固体电介质击穿后会出现烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不能像气体、液体电介质那样恢复绝缘性能，属于非自恢复绝缘。

固体电介质的击穿与电压作用时间有很大的关系，并且随电压作用时间的不同，固体电介质的击穿有电击穿、热击穿和电化学击穿三种不同的形式。

1. 电击穿

固体电介质的电击穿理论与气体的击穿相似，它是建立在电介质内部发生碰撞游离的基础上的。认为是在强电场作用下，电介质内部少量的带电质点剧烈运动，发生碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏了固体电介质的晶格结构导致击穿。

电击穿的主要特点：

• 电压作用时间短
• 击穿电压高
• 击穿电压与环境温度、散热条件、频率等因素无关
• 与电场均匀度关系很大
• 介质中有气孔或其他缺陷会导致击穿电压降低

2. 热击穿

对于固体电介质的热击穿，很多学者都做过实验和理论研究，然而要定量进行讨论却十分复杂。下面介绍简单实用的瓦格纳热击穿理论。

瓦格纳热击穿模型假设固体介质置于平板电极a与b之间，该介质有一处或几处的电阻比其周围小得多，构成电介质中的低阻导电通道。如通道的横截面积为S，长度为d，电导率为γ，当加上直流电压U后电流便主要集中在这导电通道内，则每秒钟内导电通道由于电流通过而产生的热量为

每秒钟由导电通道向周围介质散出的热量与通道长度d、通道平均温度T与周围介质温度T0的温度差(T-T0)成正比，即散热量为

式中：β为散热系数。电介质导电通道的电导率γ与温度的关系为

式中：γ0为导电电通道在温度T0时的电导率；α为温度系数。

由上可知，γ是温度的函数，所以发热量Q1也是温度的函数，因此对于不同的电压值U，Q1与T的关系是一族指数曲线，如图3-23所示。曲线1、2、3分别为电源U1、U2、U3(U1>U2>U3)作用下，介质发热量与介质导电通道温度的关系。而散热量Q2与温度差(T-T0)成正比，如图中曲线4所示。

从图3-23可看出，曲线1高于曲线4，固体介质内发热量Q1总是大于散热量Q2，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3与曲线4有两个交点，Q1=Q2。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Ta就停留在热稳定状态。曲线2与曲线4相切，切点c是个不稳定的热平衡点。因为当导电通道温度T<Tc时，电介质发热量大于散热量，温度将上升到Tc。而当T>Tc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。可见，曲线2是介质热稳定状态和不稳定状态的分界线，所以电压U2确定为热击穿的临界电压，Tc为热击穿的临界温度。相应于切点c的热击穿临界电压：

热击穿的主要特点：

• 发生热击穿时，介质温度尤其是热击穿通道处的温度特别高
• 热击穿电压随环境温度的升高呈指数规律下降
• 随外施电压作用时间的增长而下降
• 随外施电压频率的增高而下降
• 周围媒质的散热条件越差，热击穿电压越低
• 固体电介质的厚度增加或其tanδ增大都会使介质发热量增大，导致热击穿电压下降

3. 电化学击穿(电老化)

电介质在运行中长期受到电、热、化学和机械力等作用，使其物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这种过程称为电化学击穿。电化学击穿是一个复杂的缓慢过程，是电介质内部和边缘处存在的气泡、气隙长期在工作电压作用下发生电晕或局部放电，产生臭氧、二氧化氮等气体，氧化、腐蚀绝缘，产生热量，增大局部电导和介质损耗，甚至造成局部烧焦绝缘以及气体游离，产生带电质点撞击、破坏绝缘等综合作用的结果。所有这些情况都将导致绝缘劣化、击穿强度下降，以致在长时期电压作用下发生热击穿，或者在短时过电压作用下发生电击穿。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，并且电化学击穿的击穿电压比电击穿和热击穿更低，甚至在工作电压下就可能发生。所以对固体电介质的电化学击穿应引起足够的重视。