固體電介質的擊穿

當施加于電介質的電場增加到相當強時，電介質的電導就不服從歐姆定律了，實驗表明，電介質在強電場下的電流密度按指數規律隨電場強度增加而增加，當電場進一步增強到某個臨界值時，電介質的電導突然劇增，電介質便由絕緣狀態變為導電狀態，這一躍變現象稱為電介質的擊穿，介質發生擊穿時，通過介質的電流劇烈地增加，通常以介質伏安特性斜率趨向于∞ (即dl/dU=∞)作為擊穿發生的標志（見圖2-20）。發生擊穿時的臨界電壓稱為電介質的擊穿電壓，相應的電場強度稱為介質的擊穿場強。

電介質的擊穿場強是電介質的基本電性能之一，它決定了電介質在電場作用下保持絕緣性能的極限能力。在電力系統中常常伏安特性由于某一電氣設備的絕緣損壞而造成事故，因而在很多情況下，電力系統和電氣設備的可靠性在很大程度上取決于其絕緣介質的正常工作。隨著電力系統額定電壓的提高，對系統供電可靠性的要求也越高，系統絕緣介質在高場強下正常工作變得至關重要。近年來，高電壓技術已不再限于電力工業的需要，還擴展應用到許多科技領域中，并涉及很多高場強絕緣的問題。由于這些情況的存在，研究電介質擊穿機理、影響因素、不同電介質的耐電強度等是十分必要的。

與氣體、液體電介質相比，固體電介質的擊穿場強較高，但固體電介質擊穿后材料中留下有不能恢復的痕跡，如燒焦或熔化的通道、裂縫等，即使去掉外施電壓，也不像氣體、液體介質那樣能自行恢復絕緣性能。

固體電介質的擊穿中，常見的有熱擊穿、電擊穿和不均勻介質局部放電引起擊穿等形式。電介質擊穿場強與電壓作用時間的關系及不同擊穿形式的范圍如圖2-21所示。

1.熱擊穿

熱擊穿是由于電介質內部熱不穩定過程所造成的。當固體電介質加上電場時，電介質中發生的損耗將引起發熱，使介質溫度升高。

電介質的熱擊穿不僅與材料的性能有關，還在很大程度上與絕緣結構(電極的配置與散熱條件)及電壓種類、環境溫度等有關，因此熱擊穿強度不能看作是電介質材料的本征特性參數。

2.電擊穿

電擊穿是在較低溫度下，采用了消除邊緣效應的電極裝置等嚴格控制的條件下，進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現象。電擊穿的主要特征是：擊穿場強高(在5～15MV/cm范圍)，實際絕緣系統是不可能達到的；在一定溫度范圍內，擊穿場強隨溫度升高而增大，或變化不大。

均勻電場中電擊穿場強反映了固體介質耐受電場作用能力的最大限度，它僅與材料的化學組成及性質有關，是材料的特性參數之一，所以通常稱之為耐電強度或電氣強度。

3.不均勻電介質的擊穿

不均勻電介質擊穿是指包括固體、液體或氣體組合構成的絕緣結構中的一種擊穿形式。與單一均勻材料的擊穿不同，擊穿往往是從耐電強度低的氣體開始，表現為局部放電，然后或快或慢地隨時間發展至固體介質劣化，損傷逐步擴大，致使介質擊穿。

由于實際固體介質擊穿還伴隨有機械、熱、化學等復雜過程，因而至今還沒有建立起可以滿意地解釋所有擊穿現象的理論，但是已經有了一些能夠較好說明部分現象的理論，以下將分別加以討論。

2.3.1固體電介質的熱擊穿

熱擊穿是由于電介質內部熱不穩定過程所造成的。當固體電介質加上電場時，電介質中發生的損耗將引起發熱，使介質溫度升高。而電介質電導具有正的溫度系數，溫度升高電導增大，損耗發熱也隨之增大。在電介質不斷升溫的同時，也存在一個通過電極及其他介質向外不斷散熱的過程。如果同一時間內發熱量等于散熱量，即達到熱平衡，則介質溫度不再上升而是穩定于某一數值，這時將不致引起介質絕緣強度的破壞。如果散熱條件不好或電壓達到某一臨界值，使發熱量超過散熱量，則介質的溫度會不斷上升，以致引起電介質分解、炭化或燒焦，最終擊穿。

為簡單起見，以圖2-22中的平板狀固體介質為例，對熱平衡問題進行探討。設平板電極和介質的面積都足夠大，介質以及介質中的電場都是均勻的（E= U/2h），于是介質發熱均勻；介質損耗所產生的熱量主要沿垂直于電極的方向(x軸方向)流向介質表面和平板電極。在這種條件下，固體介質沿厚度2h的雙向散熱可看作是沿厚度h的單向散熱。

電介質的損耗率(單位體積的功率損耗)為 

式中γ——電介質的電導率(S/cm)； 

E——電介質中的電場強度(V/cm)；

f——外加電場的頻率(Hz)。

因此，在1cm3的介質中單位時間內產生的熱量Q0[J/(s·cm3)]可以直接由上式求得。于是x軸方向厚度h、橫截面積為1cm2的一條狀介質中，單位時間產生的熱量(J/s)為

介質中所產生的熱量靠介質表面所接觸的電極逸散到周圍的媒質中去。在單位時間內電極上1cm2所逸出的熱量(J/s)為

介質的發熱和散熱與其溫度的關系可用圖2-23來表示。由于固體介質的tan 隨溫度按指數規律上升，故P0、Q0和Q1也隨溫度按指數規律上升，于是，在3個不同大小的電壓U1、U2、U3(U1>U2>U3)作用下，有相應的發熱曲線1、2和3，直線4為散熱曲線。

只有當發熱和散熱處于熱平衡狀態時，即Q1=Q2時，介質才會具有某一穩定的工作溫度，不會發生熱擊穿。

由曲線1(電壓為U1時)高于曲線4，固體介質內發熱量Q1總是大于散熱量Q2，在任何溫度下都不會達到熱平衡，電介質的溫度將不斷地升高，最后導致介質熱擊穿。曲線2(電壓為U2時)與曲線4相切，切點c是一個不穩定的熱平衡點。因為當導電通道溫度t<tc時，電介質發熱量大于散熱量，溫度將上升到tc；而當t>tc時，發熱量也大于散熱量，導電通道的溫度將不斷上升，導致熱擊穿。曲線3(電壓為U3時)與曲線4有a、b兩個交點。由于發熱量等于散熱量，此兩點稱為熱平衡點，a點是穩定的熱平衡點，b點是不穩定的熱平衡點。因而，電介質被加熱到通道溫度為ta。就停留在熱穩定狀態。

以上只是近似的討論，因為介質各點的溫度不會是均勻的，中心處溫度最高，靠近電極處溫度低；此外介質中部的熱量要經過介質本身才能傳導到電極上，這就有一個導熱系數和傳導距離的問題。雖然如此，仍可得出以下結論。

1)熱擊穿電壓會隨周圍媒質溫度t0的上升而下降，這時直線4會向右移動。

2)熱擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加，因為厚度越大，介質中心附近的熱量逸出困難，所以固體介質的擊穿場強隨h的增大而降低。

3)如果介質的導熱系數大，散熱系數也大，則熱擊穿電壓上升。

4)由式(2-32)可知，f和tanδ增大時都會造成Q1增加，使曲線1、2、3向上移動。曲線2上移表示臨界擊穿電壓下降。

2.3.2固體電介質的電擊穿

希伯爾(Hippel)和弗羅利希(Frohlich)在固體物理的基礎上以量子力學為工具逐步發展建立了固體電介質電擊穿的碰撞電離理論。這一理論可以簡述如下：

在強電場下，固體導帶中可能囚場致發射或熱發射而存在一些導電電子，這些電子在外電場作用下被加速獲得動能，同時在其運動中又與晶格相互作用而激發晶格振動，把電場的能量傳遞給晶格。當這兩個過程在一定的溫度和場強下平衡時，固體介質有穩定的電導；當電子從電場中得到的能量大于晶格振動損失的能量時，電子的動能就越來越大，電子能量大到一定值后，電子與晶格的相互作用便導致電離產生新電子，自由電子數迅速增加，電導進入不穩定階段，發生擊穿。

按擊穿發生的判定條件的不同，電擊穿理論可分為兩大類：

1)以碰撞電離開始作為擊穿判據。稱這類理論為碰撞電離理論，或稱本征電擊穿理論。

2)以碰撞電離開始后，電子數倍增到一定數值，足以破壞電介質結構作為擊穿判據。稱這類理論為雪崩擊穿理論。以下簡要介紹這兩類擊穿理論。

1.本征電擊穿理論

在電場E的作用下，電子被加速，因此，電子單位時間從電場獲得的能量可表示為

式中 u——電子能量。

電子在其運動中與晶格相互作用而發生能量的交換、由于晶格振動與溫度有關，所以B可寫為

式中T0——晶格溫度。

平衡時

當場強增加到使平衡破壞時，碰撞電離過程便立即發生。所以使式(2-35)成立的最大場強就是碰撞電離開始發生的起始場強，把這一場強作為電介質的臨界擊穿場強。

2. 雪崩擊穿理論

根據雪崩機理的不同，雪崩擊穿分為兩種類型；場致發射擊穿和碰撞電離雪崩擊穿。

1)場致發射擊穿。如在強場電導中所述，由于量子力學隧道效應，從價帶向導帶場致發射電子，引起電子雪崩?；谶@種觀點的理論認為，由于隧道電流的增長，對晶格能量的注入使其溫度上升，在晶格溫度到達臨界溫度時，便導致擊穿發生，稱這種擊穿為場致發射擊穿。

2)碰撞電離雪崩擊穿。這種擊穿理論是：導帶中的電子被外施電場加速到具有足夠的動能后，發生碰撞電離，這一過程在電場下不斷地由陰極向陽極發展，形成電子雪崩。當這種電子雪崩區域達到某一界限，晶格結構被破壞，固體發生擊穿。

2.3.3 不均勻電介質的擊穿

前述固體電介質擊穿理論適用于宏觀均勻的單一電介質的擊穿現象，在實際應用中，經常遇到的是宏觀不均勻復合電介質。從凝聚狀態來分析，一般總是氣體與液體或固體、液體與固體或固體與固體的組合，即使是單一電介質的絕緣結構，由于材料的不均勻性、含有雜質或氣隙等也不能看作是單一均勻電介質，因此研究不均勻介質的擊穿具有重要的實用意義。在這里先討論簡單的雙層復合電介質的擊穿，然后討論以老化現象為主的局部放電和樹枝化擊穿。

1.復合電介質的擊穿

(1)雙層復合電介質的擊穿

設一雙層復合電介質模型及其等效電路如圖2-24所示。雙層介質的厚度、電導率及介電常數分別為d1、d2、γ1、γ2和ε1、ε2，外施電壓為U及兩層介質中場強分別E1、E2。

設U為外施恒定電壓，在U作用下達到穩態時，若引入復合電介質的宏觀平均場強為

則有

其中，。

從式(2-39)可見，各層介質電場強度與電導率成反比。如果γ1=γ2，則E=E1+E2；如果γ1與γ2相差很大，其中一層電介質的場強大于E，例如，E1＞E，則當E1達到第一層電介質的擊穿場強E1b時，引起該層介質擊穿。第一層擊穿后，全部電壓加在第二層上，使E2發生畸變，通常導致第二層電介質隨之擊穿，即引起全部電介質擊穿。

(2)邊緣效應及其消除方法

在不同電場均勻度下研究固體電介質擊穿時發現，電場不均勻度越高，擊穿電壓隨電介質厚度的增長越慢，即平均擊穿場強越低，而且分散性也越大，只有在均勻電場下才具有擊穿電壓與厚度的正比關系，可以得到材料的最大擊穿強度。為了研究固體電介質本征擊穿的物理常數——耐電強度，必須采用消除邊緣的方法，使固體電介質能在足夠均勻的電場下發生電擊穿。

需要指出，在復合電介質中，電場分布不均勻的情況下，當未采用任何措施改善電極邊緣處的電場分布時，由于周圍媒質的擊穿強度常比固體電介質要小，往往在固體電介質擊穿之前先在電場集中的電極邊緣處發生放電，放電火花可視為電極針狀般的延伸，于是電極邊緣處的電場分布發生強烈畸變，若放電開始時外施電壓高于固體電介質一定厚度下的最小擊穿電壓(電介質在極不均勻電場作用下的擊穿電壓)，則媒質放電后立即引起固體電介質的擊穿。這種因電極邊緣媒質放電而引起固體電介質在電極邊緣處較低電壓下擊穿的現象稱為邊緣效應。

為了消除均勻電場的邊緣效應，其方法之一就是將電極試樣系統做成一定的尺寸和形狀，一般采用把試樣制作為凹面狀，如圖2-25所示。若試樣厚度t與下凹部分最小厚度d之比足夠大(比值不小于5~10)，則擊穿往往發生在足夠均勻電場的最小厚度處。但并非所有的固體電介質都能實現，例如，云母、有機薄膜等介質，困難就較大。對于這類固體電介質，通常采用簡單電極試樣系統，諸如固體試樣置放在兩平板電極間、平板與圓球或圓球與圓球電極間的系統，置于液體媒質之中。消除邊緣效應的方法之二是需用適當的媒質，使在固體電介質擊穿之前媒質中所分配到的電場強度低于其擊穿值。

2.局部放電

在含有氣體(如氣隙或氣泡)或液體(如油膜)的固體電介質中，當擊穿強度較低的氣體或液體中的局部電場強度達到其擊穿場強時，這部分氣體或液體開始放電，使電介質發生不貫穿電極的局部擊穿，這就是局部放電現象。這種放電雖然不立即形成貫穿性通道，但長期的局部放電，使電介質(特別是有機電介質)的劣化損傷逐步擴大，導致整個電介質擊穿。

局部放電引起電介質劣化損傷的機理是多方面的，但主要有如下3個方面：

1)電的作用。帶電粒子對電介質表面的直接擊作用，使有機電介質的分子主鏈斷裂。

2)熱的作用。帶電粒子的轟擊作用引起電介質局部的溫度上升，發生熱熔解或熱降解。

3)化學作用。局部放電產生的受激分子或二次生成物的作用，使電介質受到的侵蝕可能比電、熱作用的危害更大。

局部放電是電介質應用中的一種強場效應，它在電介質介電現象和電氣絕緣領域均具有重要意義。

局部放電圖與放電類型相關，不同的類型放電位置不同，圖2-26、圖2-27和圖2-28是交流狀態下局部放電的放電圖。 

3.聚合物電介質的樹枝化擊穿

樹枝化擊穿是聚合物電介質在長時間強電場作用下發生的一種老化破壞形式，在介質中形成具有氣化了的、如樹枝狀的痕跡，樹枝是充滿氣體的直徑為皮米(1pm=10-12m)以下的細微“管子"組成的通道，如圖2-29所示。

引起聚合物電介質樹枝化的原因是多方面的，所產生的樹枝也不同。樹枝可以因介質中間歇性的局部放電而緩慢地擴展，更可以在脈沖電壓作用下迅速發展，也能在無任何局部放電的情況下，由于介質中局部電場集中而發生。屬于這些原因引起的樹枝稱為電樹枝(如圖2-29所示有、無氣隙的樹枝和圖2-30所示35kV聚乙烯電纜中的雜質電樹枝)。樹枝化也能因存在水分而緩慢發生，除在水下運行外，還有因環境污染或絕緣介質中存在雜質而引起的電化學樹枝，如電纜中由于腐蝕性氣體在線芯處擴散，與銅發生反應，就形成電化學樹枝。

樹枝化的位置是隨機的，即樹枝引發于介質中各個高場強的點，例如，粗糙或不規則的電極表面或介質內部的間隙、雜質等處。聚合物介質樹枝化后，在其截面可以發生或不發生的擊穿，但在固體聚合物介質中，樹枝化擊穿是一個很重要的擊穿因素。如美國西海岸敷設的161根聚乙烯電纜，運行了1~11年以后，檢查已損壞和未損壞的電纜截面發現，樹枝化現象相當普遍，運行5年以上者，幾乎有一半產生了樹枝化。雖然樹枝化與壽命之間無明確的關系式，但是樹枝化無疑降低了電纜的使用壽命。需要指出，樹枝化是聚合物介質擊穿的先導，但擊穿并不因樹枝化而接踵到來。