介質擊穿

介質擊穿 disruptive discharge dielectric breakdown 固體、液體、氣體介質及其組合介質在高電壓作用下，介質強度喪失的現象。 破壞性放電時，電極間的電壓迅速下降到零或接近於零。

基本介紹

• 中文名：介質擊穿
• 外文名：dielectric breakdown
• 分類：一種高電壓下的現象

定義

當施加於電介質上的電壓超過某臨界值時，通過電介質的電流劇增，電介質發生破壞或分解，直至電介質喪失固有的絕緣性能，這種現象叫做電介質擊穿。

原理

擊穿是電介質的基本性能之一，標誌著它在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，是決定電力設備、電子元器件最終使用壽命的重要因素。介質擊穿電壓的大小與材料的組成、厚度、環境條件及電極形狀、布置等有關。均勻電場下，單位厚度電介質的擊穿電壓(MV/m)稱為電介質擊穿場強，又稱介電強度。當電介質中含有水分、氣泡及細微雜質時，常使擊穿場強降低。

分析圖

電介質發生擊穿時的臨界電壓值稱為擊穿電壓U擊穿時的電場強度稱為擊穿場強。在均勻電場中和的關係為

式中d——擊穿處電介質的厚度。

氣體電介質的擊穿

氣體電介質的擊穿主要指在電場作用下氣體分子發生碰撞電離而導致電極間的貫穿性放電。當施加在氣體電介質上的電壓超過氣體的飽和電流階段之後，即進入電子碰撞游離階段，帶電質點(主要是電子)在電場中獲得巨大能量，從而將氣體分子碰裂游離成正離子和電子。新形成的電子又在電場中積累能量去碰撞其他分子，使其游離，如此連鎖反應，便形成了電子崩。電子崩向陽極發展，最後形成一個具有高電導的通道，導致氣體擊穿。

氣體電介質擊穿電壓與氣壓、溫度、電極形狀及氣隙距離等有關，因此在實際工作中要考慮這些因素並進行校正。

巴申定律指出提高氣體擊穿電壓的方法是提高氣壓或提高真空度，這兩者在工程上都有實用意義。這就是當變壓器在真空濾油，直接測量絕緣電阻時，絕緣強度可能很低的原因，要測試絕緣電阻就必須破壞真空。

空氣是很好的氣體絕緣材料，電離場強和擊穿場強高，擊穿後能迅速恢復絕緣性能，且不燃、不爆、不老化、無腐蝕性，因而得到了廣泛套用。為提供高電壓輸電線或變電所的空氣間隙距離的設計依據(高壓輸電線應離地面多高等)，需進行長空氣間隙的工頻擊穿試驗。

液體電介質的擊穿

在純淨的液體電介質中，其擊穿也是由於離子游離所引起的，但工程上用的液體電介質或多或少總會有雜質，如工程中用的變壓器油，其擊穿則完全是由雜質所造成的。

在電場作用下，變壓器中的雜質如水泡、纖維等聚集到兩電極之內，由於它們的介電常數比油的大得多(纖維為 =7，水為 =81，油為 =2.3)，將被吸向電場較集中的區域，可能順著電力線排列起來，即順電場方向構成“小橋”。小橋的電導和介電常數都比油大，因而使小橋及其周圍的電場更為集中，降低了油的擊穿電壓。若雜質較多，還可構成貫穿整個電極間隙的小橋。有時，由於較大的電導電流使小橋發熱，形成油或水分局部氣化，生成的氣泡也沿著電力線排列形成擊穿。變壓器油中最常見的雜質有水分、纖維、灰塵、油泥和溶解的氣體等。水分對變壓器擊穿強度的影響更大，由圖2—18可以看出，含有0．03%水分的變壓器的擊穿強度僅為乾燥時的一半。纖維容易吸收水分，纖維含量多，水分也就多，而且纖維更易順電場方向構成橋路。油中溶解的氣體一旦遇到溫度變化或攪動就容易釋放出形成氣泡，這些氣泡在較低電壓下就可能游離，游離氣泡的溫度升高就會蒸發，因而氣泡沿電場方向也易構成小橋，導致變壓器油擊穿。

沿液體和固體電介質分界面的放電現象稱為液體電介質中的沿面放電。這种放電不僅可使液體變質，而且放電產生的熱作用和劇烈的壓力變化可能使固體介質內產生氣泡。經多次作用會使固體介質出現分層、開裂現象，放電有可能在固體介質內發展，絕緣結構的擊穿電壓因此下降。脈衝電壓下液體電介質擊穿時，常出現強力氣體衝擊波(即電水錘)，可用於水下探礦、橋墩探傷及人體內臟結石的體外破碎。

固體電介質擊穿

固體介質擊穿後，由於有巨大電流通過，介質中會出現熔化或燒焦的通道，或出現裂紋。脆性介質擊穿時，常發生材料的碎裂。固體電介質的擊穿大致可分為電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿三種形式，不同擊穿形式與電壓作用時問和場強的關係如圖3．32所示。

(1)電擊穿。

電擊穿是因電場使電介質中積聚起足夠數量和能量的帶電質點而導致電介質失去絕緣性能。在強電場的作用下，當電介質的帶電質點劇烈運動，發生碰撞游離的連鎖反應時，就產生電子崩。當電場強度足夠強時，就會發生電擊穿，此種電擊穿是屬於電子游離性質的擊穿。一般情況下，電擊穿的擊穿電壓是隨著電介質的厚度呈線性地增加，而與加壓時的溫度無關。電擊穿作用時間很短，一般以微秒計，其擊穿電壓較高，而擊穿場強與電場均勻程度關係很大。

(2)熱擊穿。熱擊穿是指在強電場作用下，由於電介質內部介質損耗而產生的熱量，由於來不及散發出去，使得電介質內部熱量積累、溫度過高，而電介質的絕緣電阻或介質損耗具有負的溫度係數。當溫度上升時，其電阻變小，又會使電流進一步增大，損耗發熱也增大。電解質的熱擊穿是由電介質內部的熱不平衡過程造成的。如果發熱量大於散熱量，形成惡性循環，電介質溫度就會不斷上升，導致溫度不斷上升，進一步引起介質分解、炭化等。因此，導致分子結構破壞而擊穿稱為熱擊穿。熱擊穿的特點是：擊穿電壓隨溫度的升高而下降，擊穿電壓與散熱條件有關，如電介質厚度增加，散熱條件變壞，擊穿強度也隨之下降。高壓電器設備(如電纜、套管、發電機等)由於結構原因，在運行中經常出現溫度過高，引起絕緣劣化、損耗增大而發生熱擊穿故障。熱擊穿除與溫度和時間有關外，還與頻率和電化學擊穿有關。當外施電壓頻率增高時，擊穿電壓將下降。而電化學過程也將引起絕緣劣化和介損增加，從而導致發熱增加。因此，可以認為電化學擊穿是某些熱擊穿的前奏。

(3)電化學擊穿。

電化學擊穿是固體電介質在電場、溫度、化學以及機械力等因素的長期作用下，電介質的物理和化學性能發生緩慢的、不可逆的老化，性能逐漸劣化，擊穿電壓逐漸下降，長時間擊穿電壓常常只有短時擊穿電壓的幾分之一，並最終喪失絕緣能力。這種絕緣擊穿稱為電化學擊穿。例如，在強電場作用下，電介質內部包含的氣泡首先發生碰撞游離而放電，雜質(如水分)也因受電場加熱而氣化並產生氣泡，於是使氣泡放電進一步發展，導致整個電介質擊穿。如變壓器油、電纜、套管、高壓電機定子線棒等，也往往因含氣泡發生局部放電，如果逐步發展會使整個電極之間導通擊穿。而在有機介質內部(如油浸紙、橡膠等)，氣泡內持續的局部放電會產生游離生成物，如臭氧及碳水等化合物，從而引起介質逐漸變質和劣化。電化學擊穿與介質的電壓作用時間、溫度、電場均勻程度、累積效應、受潮、機械負荷等多種因素相關。