介质击穿

高电压下的现象

介质击穿 disruptive discharge dielectric breakdown 固体、液体、气体介质及其组合介质在高电压作用下，介质强度丧失的现象。破坏性放电时，电极间的电压迅速下降到零或接近于零。

定义

当施加于电介质上的电压超过某临界值时，通过电介质的电流剧增，电介质发生破坏或分解，直至电介质丧失固有的绝缘性能，这种现象叫做电介质击穿。

原理

击穿是电介质的基本性能之一，标志着它在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，是决定电力设备、电子元器件最终使用寿命的重要因素。介质击穿电压的大小与材料的组成、厚度、环境条件及电极形状、布置等有关。均匀电场下，单位厚度电介质的击穿电压(MV/m)称为电介质击穿场强，又称介电强度。当电介质中含有水分、气泡及细微杂质时，常使击穿场强降低。

电介质发生击穿时的临界电压值称为击穿电压U击穿时的电场强度称为击穿场强。在均匀电场中和的关系为

式中d——击穿处电介质的厚度。

气体电介质的击穿

气体电介质的击穿主要指在电场作用下气体分子发生碰撞电离而导致电极间的贯穿性放电。当施加在气体电介质上的电压超过气体的饱和电流阶段之后，即进入电子碰撞游离阶段，带电质点(主要是电子)在电场中获得巨大能量，从而将气体分子碰裂游离成正离子和电子。新形成的电子又在电场中积累能量去碰撞其他分子，使其游离，如此连锁反应，便形成了电子崩。电子崩向阳极发展，最后形成一个具有高电导的通道，导致气体击穿。

气体电介质击穿电压与气压、温度、电极形状及气隙距离等有关，因此在实际工作中要考虑这些因素并进行校正。

巴申定律指出提高气体击穿电压的方法是提高气压或提高真空度，这两者在工程上都有实用意义。这就是当变压器在真空滤油，直接测量绝缘电阻时，绝缘强度可能很低的原因，要测试绝缘电阻就必须破坏真空。

空气是很好的气体绝缘材料，电离场强和击穿场强高，击穿后能迅速恢复绝缘性能，且不燃、不爆、不老化、无腐蚀性，因而得到了广泛应用。为提供高电压输电线或变电所的空气间隙距离的设计依据(高压输电线应离地面多高等)，需进行长空气间隙的工频击穿试验。

液体电介质的击穿

在纯净的液体电介质中，其击穿也是由于离子游离所引起的，但工程上用的液体电介质或多或少总会有杂质，如工程中用的变压器油，其击穿则完全是由杂质所造成的。

在电场作用下，变压器中的杂质如水泡、纤维等聚集到两电极之内，由于它们的介电常数比油的大得多(纤维为 =7，水为 =81，油为 =2.3)，将被吸向电场较集中的区域，可能顺着电力线排列起来，即顺电场方向构成“小桥”。小桥的电导和介电常数都比油大，因而使小桥及其周围的电场更为集中，降低了油的击穿电压。若杂质较多，还可构成贯穿整个电极间隙的小桥。有时，由于较大的电导电流使小桥发热，形成油或水分局部气化，生成的气泡也沿着电力线排列形成击穿。变压器油中最常见的杂质有水分、纤维、灰尘、油泥和溶解的气体等。水分对变压器击穿强度的影响更大，由图1可以看出，含有0．03%水分的变压器的击穿强度仅为干燥时的一半。纤维容易吸收水分，纤维含量多，水分也就多，而且纤维更易顺电场方向构成桥路。油中溶解的气体一旦遇到温度变化或搅动就容易释放出形成气泡，这些气泡在较低电压下就可能游离，游离气泡的温度升高就会蒸发，因而气泡沿电场方向也易构成小桥，导致变压器油击穿。

沿液体和固体电介质分界面的放电现象称为液体电介质中的沿面放电。这种放电不仅可使液体变质，而且放电产生的热作用和剧烈的压力变化可能使固体介质内产生气泡。经多次作用会使固体介质出现分层、开裂现象，放电有可能在固体介质内发展，绝缘结构的击穿电压因此下降。脉冲电压下液体电介质击穿时，常出现强力气体冲击波(即电水锤)，可用于水下探矿、桥墩探伤及人体内脏结石的体外破碎。

固体电介质击穿

固体介质击穿后，由于有巨大电流通过，介质中会出现熔化或烧焦的通道，或出现裂纹。脆性介质击穿时，常发生材料的碎裂。固体电介质的击穿大致可分为电击穿、热击穿、电化学击穿三种形式，不同击穿形式与电压作用时问和场强的关系如图2所示。

(1)电击穿。

电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电质点而导致电介质失去绝缘性能。在强电场的作用下，当电介质的带电质点剧烈运动，发生碰撞游离的连锁反应时，就产生电子崩。当电场强度足够强时，就会发生电击穿，此种电击穿是属于电子游离性质的击穿。一般情况下，电击穿的击穿电压是随着电介质的厚度呈线性地增加，而与加压时的温度无关。电击穿作用时间很短，一般以微秒计，其击穿电压较高，而击穿场强与电场均匀程度关系很大。

(2)热击穿。热击穿是指在强电场作用下，由于电介质内部介质损耗而产生的热量，由于来不及散发出去，使得电介质内部热量积累、温度过高，而电介质的绝缘电阻或介质损耗具有负的温度系数。当温度上升时，其电阻变小，又会使电流进一步增大，损耗发热也增大。电解质的热击穿是由电介质内部的热不平衡过程造成的。如果发热量大于散热量，形成恶性循环，电介质温度就会不断上升，导致温度不断上升，进一步引起介质分解、炭化等。因此，导致分子结构破坏而击穿称为热击穿。热击穿的特点是：击穿电压随温度的升高而下降，击穿电压与散热条件有关，如电介质厚度增加，散热条件变坏，击穿强度也随之下降。高压电器设备(如电缆、套管、发电机等)由于结构原因，在运行中经常出现温度过高，引起绝缘劣化、损耗增大而发生热击穿故障。热击穿除与温度和时间有关外，还与频率和电化学击穿有关。当外施电压频率增高时，击穿电压将下降。而电化学过程也将引起绝缘劣化和介损增加，从而导致发热增加。因此，可以认为电化学击穿是某些热击穿的前奏。

(3)电化学击穿。

电化学击穿是固体电介质在电场、温度、化学以及机械力等因素的长期作用下，电介质的物理和化学性能发生缓慢的、不可逆的老化，性能逐渐劣化，击穿电压逐渐下降，长时间击穿电压常常只有短时击穿电压的几分之一，并最终丧失绝缘能力。这种绝缘击穿称为电化学击穿。例如，在强电场作用下，电介质内部包含的气泡首先发生碰撞游离而放电，杂质(如水分)也因受电场加热而气化并产生气泡，于是使气泡放电进一步发展，导致整个电介质击穿。如变压器油、电缆、套管、高压电机定子线棒等，也往往因含气泡发生局部放电，如果逐步发展会使整个电极之间导通击穿。而在有机介质内部(如油浸纸、橡胶等)，气泡内持续的局部放电会产生游离生成物，如臭氧及碳水等化合物，从而引起介质逐渐变质和劣化。电化学击穿与介质的电压作用时间、温度、电场均匀程度、累积效应、受潮、机械负荷等多种因素相关。

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