電介質(zhì)

在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)喪失電絕緣能力的現(xiàn)象。分為固體電介質(zhì)擊穿、液體電介質(zhì)擊穿和氣體電介質(zhì)擊穿3種。

不同電介質(zhì)的極化程度是不一樣的。為了分析電介質(zhì)極化的宏觀效應(yīng)，常引入極化強(qiáng)度P這一物理量來(lái)表征電介質(zhì)的極化特性。極化強(qiáng)度是一個(gè)矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強(qiáng)度。

在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)喪失電絕緣能力而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。導(dǎo)致?lián)舸┑淖畹团R界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱擊穿場(chǎng)強(qiáng)，又稱介電強(qiáng)度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強(qiáng)度。不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，它低于均勻電場(chǎng)中固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。固體電介質(zhì)發(fā)生擊穿后,由于有巨大的電流通過,電介質(zhì)中會(huì)出現(xiàn)熔化或燒焦的通道，或出現(xiàn)機(jī)械損傷的裂紋。固體電介質(zhì)的這些變化是不可逆的，不能自己恢復(fù)原來(lái)的絕緣性能。脆性固體電介質(zhì)擊穿時(shí)，常發(fā)生材料的碎裂，故可用擊穿效應(yīng)來(lái)破碎非金屬礦石等。

擊穿形式　根據(jù)擊穿的發(fā)展過程，固體電介質(zhì)的擊穿可分為3種形式:電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。它們的一般特征如表所示。同一種電介質(zhì)中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素。隨著擊穿過程中固體電介質(zhì)內(nèi)部的變化，擊穿過程可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。　電擊穿 　取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式。電場(chǎng)使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的帶電質(zhì)點(diǎn)，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。對(duì)于電擊穿有以下幾種不同的理論解釋：本征擊穿、電子崩擊穿和電致機(jī)械應(yīng)力擊穿，通常以本征擊穿代表電擊穿，所以電擊穿有時(shí)又稱本征擊穿。本征擊穿過程所需時(shí)間為10-8s數(shù)量級(jí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于1MV/cm。

固體電介質(zhì)內(nèi)總會(huì)存在少量自由傳導(dǎo)(處于導(dǎo)帶的)電子。在電場(chǎng)作用下，它們會(huì)從電場(chǎng)獲取能量。單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量A與電場(chǎng)強(qiáng)度E、電子本身能量W、點(diǎn)格溫度T有關(guān)。另一方面，傳導(dǎo)電子也將因與固體電介質(zhì)點(diǎn)格發(fā)生碰撞而失去一部分能量。單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量B與W和T有關(guān)。當(dāng)點(diǎn)格溫度T為定值時(shí)，A、B與W的關(guān)系如圖1所示。圖中E2>EC>E1。當(dāng)外加電場(chǎng)為E2>EC時(shí),因一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2～WC之間，單位時(shí)間內(nèi)這些電子獲得的能量A始終大于失去的能量B，電子被加速，碰撞點(diǎn)格時(shí)產(chǎn)生電離,使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上升,最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。當(dāng)外加電場(chǎng)為E1EC時(shí),雖然偶而會(huì)有能量大于W1的電子出現(xiàn),且因此時(shí)A>B而使點(diǎn)格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于W1的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn),固體電介質(zhì)不會(huì)擊穿。處于臨界狀態(tài)的EC即為固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。

熱擊穿 　在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過高而導(dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。

固體電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下將因電導(dǎo)和極化損耗而發(fā)熱。單位時(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量A與作用電壓U、介質(zhì)溫度t有關(guān)。另一方面固體電介質(zhì)也將向四周散發(fā)熱量。單位時(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的散熱量B與(t-t0)有關(guān)(t0為環(huán)境溫度)。A、B與t的關(guān)系如圖2所示。圖中U2>UC>U1。當(dāng)外加電壓U2>UC時(shí)，固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量A大于散熱量B，介質(zhì)溫度上升,且因A始終大于B,所以固體電介質(zhì)的溫度不斷上升，最終介質(zhì)被燒焦、燒熔或燒裂，喪失絕緣性能，發(fā)生熱擊穿。當(dāng)外加電壓U1UC時(shí),雖然開始時(shí)A>B,固體電介質(zhì)溫度上升;但當(dāng)溫度升到t1時(shí)，發(fā)熱量A與散熱量B相等，建立起了熱平衡。此時(shí),若介質(zhì)能耐受溫度t1的作用,則固體電介質(zhì)能正常工作,不會(huì)發(fā)生熱擊穿。當(dāng)外加電壓等于UC時(shí),當(dāng)介質(zhì)溫度升到t2時(shí)，建立起了熱平衡，但不穩(wěn)定。溫度略有升高,發(fā)熱量A即大于散熱量B,最終仍然發(fā)生熱擊穿。電壓UC是發(fā)生熱擊穿的臨界電壓。

電化學(xué)擊穿 　在電場(chǎng)、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)變化，性能逐漸劣化，最終喪失絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。電化學(xué)擊穿過程包括兩部分：因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化；與老化有關(guān)的擊穿過程。

固體電介質(zhì)發(fā)生緩慢化學(xué)變化的原因多種多樣。直流電壓下，固體電介質(zhì)因離子電導(dǎo)而發(fā)生電解，結(jié)果在電極附近形成導(dǎo)電的金屬樹枝狀物，甚至從一個(gè)電極伸展到另一個(gè)電極。在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡中，或不同固體電介質(zhì)之間的氣隙或油隙中，會(huì)發(fā)生局部放電。與固體電介質(zhì)接觸的電極邊緣場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的局部區(qū)域內(nèi)如有氣體或液體電介質(zhì)，這里也會(huì)發(fā)生局部放電。局部放電的長(zhǎng)期作用會(huì)使固體電介質(zhì)逐步損壞?？諝庵械姆烹妼⑿纬沙粞?、氮的氧化物等化學(xué)性質(zhì)活潑的物質(zhì)，它們會(huì)使固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化。對(duì)有機(jī)固體電介質(zhì)，在電極上尖端處或微小空氣隙處，會(huì)發(fā)生樹枝狀放電，并留下炭化痕跡。

電場(chǎng)越強(qiáng)，溫度越高，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，固體電介質(zhì)的化學(xué)變化進(jìn)行得越強(qiáng)烈，其性能的劣化也越嚴(yán)重。

固體電介質(zhì)的化學(xué)變化通常使其電導(dǎo)增加，這會(huì)使固體電介質(zhì)的溫度上升，因而電化學(xué)擊穿的最終形式是熱擊穿。

影響因素 　影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素有：電場(chǎng)的不均勻程度，作用電壓的種類及施加的時(shí)間，溫度，固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)，電壓作用次數(shù)，機(jī)械負(fù)荷，受潮等。

①電場(chǎng)的不均勻程度：均勻、致密的固體電介質(zhì)在均勻電場(chǎng)中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)1～10MV/cm。擊穿場(chǎng)強(qiáng)決定于物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與外界因素的關(guān)系較小。當(dāng)電介質(zhì)厚度增加時(shí)，由于電介質(zhì)本身的不均勻性，擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)下降。當(dāng)厚度極小時(shí) (-3～10-4cm)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)又會(huì)增加。電場(chǎng)越不均勻，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降越多。電場(chǎng)局部加強(qiáng)處容易產(chǎn)生局部放電，在局部放電的長(zhǎng)時(shí)間作用下，固體電介質(zhì)將產(chǎn)生化學(xué)擊穿。

②作用電壓時(shí)間、種類：固體電介質(zhì)的三種擊穿形式與電壓作用時(shí)間有密切關(guān)系 （圖3）。同一種固體電介質(zhì)，在相同電場(chǎng)分布下，其雷電沖擊擊穿電壓通常大于工頻擊穿電壓，且直流擊穿電壓也大于工頻擊穿電壓。交流電壓頻率增高時(shí)，由于局部放電更強(qiáng)，介質(zhì)損耗更大，發(fā)熱嚴(yán)重，更易發(fā)生熱擊穿或?qū)е禄瘜W(xué)擊穿提前到來(lái)。

③溫度：當(dāng)溫度較低，處于電擊穿范圍內(nèi)時(shí)，固體電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與溫度基本無(wú)關(guān)。當(dāng)溫度稍高，固體電介質(zhì)可能發(fā)生熱擊穿。周圍溫度越高，散熱條件越差，熱擊穿電壓就越低。

④固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)：工程用固體電介質(zhì)往往不很均勻、致密，其中的氣孔或其他缺陷會(huì)使電場(chǎng)畸變，損害固體電介質(zhì)。電介質(zhì)厚度過大，會(huì)使電場(chǎng)分布不均勻，散熱不易，降低擊穿場(chǎng)強(qiáng)。固體電介質(zhì)本身的導(dǎo)熱性好，電導(dǎo)率或介質(zhì)損耗小，則熱擊穿電壓會(huì)提高。

⑤電壓作用次數(shù)：當(dāng)電壓作用時(shí)間不夠長(zhǎng)，或電場(chǎng)強(qiáng)度不夠高時(shí),電介質(zhì)中可能來(lái)不及發(fā)生完全擊穿,而只發(fā)生不完全擊穿。這種現(xiàn)象在極不均勻電場(chǎng)中和雷電沖擊電壓作用下特別顯著。在電壓的多次作用下，一系列的不完全擊穿將導(dǎo)致介質(zhì)的完全擊穿。由不完全擊穿導(dǎo)致固體電介質(zhì)性能劣化而積累起來(lái)的效應(yīng)稱為累積效應(yīng)。

⑥機(jī)械負(fù)荷：固體電介質(zhì)承受機(jī)械負(fù)荷時(shí)，若材料開裂或出現(xiàn)微觀裂縫，擊穿電壓將下降。

⑦受潮：固體電介質(zhì)受潮后，擊穿電壓將下降。

提高擊穿電壓措施　根據(jù)固體電介質(zhì)的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素，提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要措施有:①改善電場(chǎng)分布（見電場(chǎng)調(diào)整）,如電極邊緣的固體電介質(zhì)表面涂半導(dǎo)電漆；②調(diào)整多層絕緣中各層電介質(zhì)所承受的電壓；③對(duì)多孔性、纖維性材料經(jīng)干燥后浸油、浸漆,以防止吸潮,提高局部放電起始電壓；④加強(qiáng)冷卻，提高熱擊穿電壓；⑤改善環(huán)境條件，防止高溫，避免潮氣、臭氧等有害物質(zhì)的侵蝕 。