固体电介质的种类及其特性天然材料人造材料无机物木材、云母、石棉、橡胶有机物电瓷、玻璃、电木、塑料木材、橡胶电瓷、玻璃3.3 固体电介质的击穿1一. 固体介质击穿的特点击穿场强一般比气体和液体电介质高得多；空气30kV/cm，变压器油120250 kV/cm，云母(电击穿)20003000kV/cm击穿场强与电压作用时间有很大的关系；绝缘是非自恢复的，一旦发生击穿，其绝缘性能不能再自行恢复；2短时电压周期性过电压交流试验电压持续运行电压电击穿热击穿电化学击穿10-610-31031106Ebt/s 二. 固体介质的击穿过程3 区域A：0.2s，热击穿.击穿电压随击穿前时间增加而明显下降. 区域D：数十小时，电化学（老化）击穿电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系固体电介质击穿特性的划分（四个区域）4三、固体电介质击穿理论（1）击穿机理：在强电场下电介质内部电子剧烈运动，发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击穿1、电击穿（2）、电击穿理论的分类 以碰撞电离开始作为击穿判据称这类理论为碰撞电离理论，或称本征电击穿理论 以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构作为击穿判据。
称这类理论为雪崩击穿理论5 本征击穿理论：在某一场强值内，电场作用下单位时间内电子获得的能量和电子碰撞损失的能量平衡，当场强增加到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后， 电子整体上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构 破坏，称之为电子崩击穿理论6（3）特点：a.击穿场强高（515MV/cm）；b.电压作用时间短，作用时间越短，击穿电压越高，b.电介质发热不显著，击穿电压与环境温度无关；c.电场均匀程度对击穿电压有显著影响7 时间影响：电压作用时间短，击穿电压高 介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导致介质击穿电压降低 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下， 介质有明显的不完全击穿现象，不完全击穿导致绝缘性能逐渐下降的效应称累积效应介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降 无关因素：电击穿电压和介质温度、散热条件、 介质厚度、频率等因素都无关（4）电击穿的影响因素82. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成电压作用下引起介质损耗，使介质发热发热大于散热时，介质温度不断升高介质分解、熔化、碳化或烧焦热击穿（1）击穿机理：绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。
介质电导率随温度的升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏而导致击穿 9 电介质发热曲线1,2,3对应于电压U 1U 2U 3 直线4表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0时,散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系 曲线1: 发热永远大于散热,介质温度t不断升高,在U1下最终发生热击穿. 曲线3: tta时,不发生热击穿,介质温度升高最终稳定到ta,ta称为稳定热平衡点; ttb时,类似曲线1,发生热击穿; t=tb时,发热=散热,介质温度不上升,但是一旦稍有扰动,温度升高,则介质升温直至热击穿,tb称为不稳定热平衡点; tat U2 U3 发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc Ta稳定， Tc不稳定 曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定U2是临界热击穿电压，Tc则是热击穿的临界温度 根本不存在热平衡点，必然发生热击穿 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系11la.介质温度特别高lb.热积累需要一定的时间，当电压上升快，或加压时间短时，热击穿电压升高;外施电压作用时间的增长，热击穿电压下降lc. 击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟。
ld.热击穿电压随环境温度的升高按指数下降 le.当介质厚度增大时，介质的平均击穿场强减弱lf.当电压频率升高时，热击穿电压下降lg.在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿 （3）热击穿的特点123 、电化学击穿（电老化） 固体介质在长期工作电压下，长期受到电、热、化学和机械力等的作用，介质内部发生局部放电，使其物理、化学性能发生不可逆的劣化，即绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击穿1） 击穿机理（2） 特点 a.所需时间长； b.击穿电压低13电的作用带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂解；热的作用：放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加；化学作用：放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和腐蚀作用，使介质逐渐劣化；可能比电、热的作用危害更大放电产生的高能辐射线引起材料分解；（3）局部放电使电介质劣化损伤的机理：14 电离性老化：高分子在交流电压作用下产生，气泡放电，电树枝老化 电导性老化：高分子在交流电压作用下产生，液体沿电场定向深入，水树枝老化 电解性老化：离子性无机绝缘材料在直流电压作用下产生,电解老化 表面漏电起痕与电蚀损：有机电介质表面产生（4）电老化的类型（可归纳成四类）15介质夹层或内部如存在气隙气泡,在交变场下气隙气泡的场强比固体介质大很多,而气体起始电离场强很小,容易产生电离.这种电离对固体介质的绝缘有很多不良后果:气泡体积膨胀造成介质开裂分层;使有机绝缘物分解出气体又促进电离;产生对绝缘材料或金属有腐蚀作用的气体;造成电场局部畸变促进电离.总之电离的综合效应会造成绝缘物分解,破坏(变酥,炭化等),并沿电场方向向绝缘层深处发展,在有机绝缘材料中放电发展通道会呈树枝状,称为”电树枝”. 电离性老化与局部放电有关,许多高压电气设备将局部放电水平作为检验绝缘质量的重要指标.电离性老化：16刷状树枝灌木状树枝聚乙烯中的树枝化放电劣化1722HDPE薄膜中的树枝形成50 m182350 m自然冷却施加电压5 kV(a) 1 min(b) 10 min(c) 40 min(d) 70 min(e) 75 min老化树枝的发展过程（自然冷却施加电压5 kV下高密度聚乙烯HDPE树枝的发展）：19 如果在两电极间的绝缘层中,存在液态导电物质(例如水),当该处场强超过某值时,液体沿电场方向向绝缘层深入,形成树枝状痕迹,称为”水树枝”产生发展”水树枝”所需的场强比”电树枝”低得多.产生”水树枝”原因是水或电解液中离子在交变场下,反复冲击绝缘物,使其发生疲劳损坏和化学分解,电解液随之渗透扩散.电导性老化：20在直流电压长期作用下,即使电压远低于局部放电的起始电压,由于介质内部进行着电化学过程,电介质会逐步老化,最终导致击穿.无机绝缘材料,如陶瓷,玻璃,云母等,在直流电压长期作用下,存在显著的电解性老化现象.潮气侵入电介质时,水分子会发生分离,加速电解性老化.电解性老化：还有因环境污染或绝缘中存在杂质而引起的电化学树枝，如电缆中由于腐蚀性气体芯处扩散，与铜发生反应就形成电化学树枝。
21是有机介质表面的一种电老化现象.在潮湿,脏污的介质表面会流过泄漏电流,在电流密度较大处先形成干燥区,电压分布随之不均匀,干燥区分担较高电压,从而形成火花或电弧放电.放电造成绝缘体表面过热,局部炭化烧蚀,形成漏电痕迹.持续发展将形成绝缘体表面贯通两端电极的放电通道.在潮湿,脏污地区,这种放电现象会对设备绝缘造成严重危害.耐漏电起痕和耐电蚀损能力也是衡量介质性能的重要指标.表面漏电起痕与电蚀损：22 表面漏电起痕与电蚀损 23因环境污染或绝缘中存在杂质而引起的电化学树枝，如电缆中由于腐蚀性气体芯处扩散，与铜发生反应就形成电化学树枝树枝老化的一般形状 树枝化的位置是随机的，即树枝引发于介质中各个高场强的点，例如粗糙或不规则的电极表面或介质内部的间隙、杂质等处24固体击穿理论固体击穿理论1 1 电击穿：电击穿：少量传导电子少量传导电子电子撞击原子发生电离电子撞击原子发生电离当当电子崩发展到一定程度时电子崩发展到一定程度时击穿特点：时间短，电压特点：时间短，电压高，温度低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环高，温度低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环境无关2 2 热击穿：热击穿：介损发热介损发热温度升高温度升高电导增大电导增大发发热增大热增大介质分解炭化。
介质分解炭化特点：与各种使热量聚集的特点：与各种使热量聚集的因素有关因素有关3 3 电化学击穿：电化学击穿：局部放电引起劣化击穿局部放电引起劣化击穿很多有机材（很多有机材料虽然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差料虽然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差25固体绝缘击穿的三种形式电压高于临界值后，电流剧增，电介质不耐压，失去绝缘固体介质在击穿过程中，熔化或烧焦，形成机械损伤电击穿热击穿电化学击穿介质中存在的少量自由电子，在强电场作用下碰撞，导致击穿电击穿速度快，环境温度影响不大介质损耗使绝缘内部发热，散不出去，温度过高而使绝缘击穿与环境温度、电压作用时间、电压频率有关固体受潮，介质损耗增大，泄漏电流增大，易被击穿由于电极边缘、电极和绝缘接触处的气隙或绝缘内部存在气泡等发生电晕或局部放电引起游离、发热、和化学反应等因素综合作用而引发26影响固体击穿电压的因素影响固体击穿电压的因素1 1 电压作用时间：电压作用时间：很短时间电击穿；很短时间电击穿；较长热击穿、电较长热击穿、电热联合；热联合；很长时间电化学击穿很长时间电化学击穿2 2 温度：温度：环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低3 3 电场均匀程度：电场均匀程度：均匀电场中击穿电压与厚度成正比；均匀电场中击穿电压与厚度成正比；不不均匀电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大均匀电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。
4 4 电压种类：电压种类：冲击击穿电压长大于工频击穿电压冲击击穿电压长大于工频击穿电压5 5 积累效应：积累效应：局部损伤积累注意冲击或工频试验次数局部损伤积累注意冲击或工频试验次数6 6 受潮：受潮：易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至1 17 7 机械负荷：机械负荷：出现微观裂缝后击穿电压显著下降出现微观裂缝后击穿电压显著下降（零值绝（零值绝缘子）缘子）27影响固体击穿的因素温度的影响温度超过一定数值后，击穿电压随温度升高而下降电压作用时间电压作用时间短-电击穿电压作用时间较长-热击穿电压作用时间特别长-电化学击穿28电场均匀程度电场越不均匀，击穿电压越低潮湿的影响不易吸潮的固体，受潮后击穿电压大大降低易吸潮的物体（纸、棉），吸潮后绝缘完全丧失电压种类影响直流击穿电压，比交流高得多冲击击穿电压，比交流击穿电压高得多高频击穿电压，比交流击穿电压低机械力的影响未破坏前影响不大出现裂缝时，击穿电压明显下降局部放电影响局部放电，未形成贯穿性的击穿通道，影响不大多次受高电压作用，积累成贯穿问题，使击穿电压下降29五. 提高固体电介质击穿电压的措施1. 改进制造工艺：2. 改进绝缘设计3. 改善运行条件： 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀 注意防潮、防尘；加强散热通风 采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处的气隙303-4固体介质的击穿主要有哪几种形式？它们各有什么特征？答：固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。
热击穿热击穿的主要特征是：不仅与材料的性能有关，还在很大程度上与绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关，因此热击穿强度不能看作是电介质材料的本征特性参数电击穿电击穿的主要特征是：击穿场强高，实用绝缘系统不可能达到；在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大均匀电场中电击穿场强反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度，它仅与材料的化。