固體電介質(zhì)的擊穿

當(dāng)施加于電介質(zhì)的電場增加到相當(dāng)強(qiáng)時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)就不服從歐姆定律了，實(shí)驗(yàn)表明，電介質(zhì)在強(qiáng)電場下的電流密度按指數(shù)規(guī)律隨電場強(qiáng)度增加而增加，當(dāng)電場進(jìn)一步增強(qiáng)到某個(gè)臨界值時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)突然劇增，電介質(zhì)便由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這一躍變現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿，介質(zhì)發(fā)生擊穿時(shí)，通過介質(zhì)的電流劇烈地增加，通常以介質(zhì)伏安特性斜率趨向于∞ (即dl/dU=∞)作為擊穿發(fā)生的標(biāo)志（見圖2-20）。發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電壓稱為電介質(zhì)的擊穿電壓，相應(yīng)的電場強(qiáng)度稱為介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。

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

與氣體、液體電介質(zhì)相比，固體電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)較高，但固體電介質(zhì)擊穿后材料中留下有不能恢復(fù)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(zhì)那樣能自行恢復(fù)絕緣性能。

固體電介質(zhì)的擊穿中，常見的有熱擊穿、電擊穿和不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿等形式。電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)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(zhì)內(nèi)部熱不穩(wěn)定過程所造成的。當(dāng)固體電介質(zhì)加上電場時(shí)，電介質(zhì)中發(fā)生的損耗將引起發(fā)熱，使介質(zhì)溫度升高。

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

2.電擊穿

電擊穿是在較低溫度下，采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。電擊穿的主要特征是：擊穿場強(qiáng)高(在5～15MV/cm范圍)，實(shí)際絕緣系統(tǒng)是不可能達(dá)到的；在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大。

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

3.不均勻電介質(zhì)的擊穿

不均勻電介質(zhì)擊穿是指包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)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(qiáng)度低的氣體開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化，損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。

由于實(shí)際固體介質(zhì)擊穿還伴隨有機(jī)械、熱、化學(xué)等復(fù)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(xiàn)象的理論，但是已經(jīng)有了一些能夠較好說明部分現(xiàn)象的理論，以下將分別加以討論。

2.3.1固體電介質(zhì)的熱擊穿

熱擊穿是由于電介質(zhì)內(nèi)部熱不穩(wěn)定過程所造成的。當(dāng)固體電介質(zhì)加上電場時(shí)，電介質(zhì)中發(fā)生的損耗將引起發(fā)熱，使介質(zhì)溫度升高。而電介質(zhì)電導(dǎo)具有正的溫度系數(shù)，溫度升高電導(dǎo)增大，損耗發(fā)熱也隨之增大。在電介質(zhì)不斷升溫的同時(shí)，也存在一個(gè)通過電極及其他介質(zhì)向外不斷散熱的過程。如果同一時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量等于散熱量，即達(dá)到熱平衡，則介質(zhì)溫度不再上升而是穩(wěn)定于某一數(shù)值，這時(shí)將不致引起介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的破壞。如果散熱條件不好或電壓達(dá)到某一臨界值，使發(fā)熱量超過散熱量，則介質(zhì)的溫度會不斷上升，以致引起電介質(zhì)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(zhì)為例，對熱平衡問題進(jìn)行探討。設(shè)平板電極和介質(zhì)的面積都足夠大，介質(zhì)以及介質(zhì)中的電場都是均勻的（E= U/2h），于是介質(zhì)發(fā)熱均勻；介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱量主要沿垂直于電極的方向(x軸方向)流向介質(zhì)表面和平板電極。在這種條件下，固體介質(zhì)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(zhì)的損耗率(單位體積的功率損耗)為 

式中γ——電介質(zhì)的電導(dǎo)率(S/cm)； 

E——電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度(V/cm)；

f——外加電場的頻率(Hz)。

因此，在1cm3的介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)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(zhì)中，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量(J/s)為

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

介質(zhì)的發(fā)熱和散熱與其溫度的關(guān)系可用圖2-23來表示。由于固體介質(zhì)的tan 隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，故P0、Q0和Q1也隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，于是，在3個(gè)不同大小的電壓U1、U2、U3(U1>U2>U3)作用下，有相應(yīng)的發(fā)熱曲線1、2和3，直線4為散熱曲線。

只有當(dāng)發(fā)熱和散熱處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，即Q1=Q2時(shí)，介質(zhì)才會具有某一穩(wěn)定的工作溫度，不會發(fā)生熱擊穿。

由曲線1(電壓為U1時(shí))高于曲線4，固體介質(zhì)內(nèi)發(fā)熱量Q1總是大于散熱量Q2，在任何溫度下都不會達(dá)到熱平衡，電介質(zhì)的溫度將不斷地升高，最后導(dǎo)致介質(zhì)熱擊穿。曲線2(電壓為U2時(shí))與曲線4相切，切點(diǎn)c是一個(gè)不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)電通道溫度t<tc時(shí)，電介質(zhì)發(fā)熱量大于散熱量，溫度將上升到tc；而當(dāng)t>tc時(shí)，發(fā)熱量也大于散熱量，導(dǎo)電通道的溫度將不斷上升，導(dǎo)致熱擊穿。曲線3(電壓為U3時(shí))與曲線4有a、b兩個(gè)交點(diǎn)。由于發(fā)熱量等于散熱量，此兩點(diǎn)稱為熱平衡點(diǎn)，a點(diǎn)是穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，b點(diǎn)是不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)。因而，電介質(zhì)被加熱到通道溫度為ta。就停留在熱穩(wěn)定狀態(tài)。

以上只是近似的討論，因?yàn)榻橘|(zhì)各點(diǎn)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(zhì)中部的熱量要經(jīng)過介質(zhì)本身才能傳導(dǎo)到電極上，這就有一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)和傳導(dǎo)距離的問題。雖然如此，仍可得出以下結(jié)論。

1)熱擊穿電壓會隨周圍媒質(zhì)溫度t0的上升而下降，這時(shí)直線4會向右移動。

2)熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因?yàn)楹穸仍酱螅橘|(zhì)中心附近的熱量逸出困難，所以固體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)隨h的增大而降低。

3)如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升。

4)由式(2-32)可知，f和tanδ增大時(shí)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(zhì)的電擊穿

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

在強(qiáng)電場下，固體導(dǎo)帶中可能囚場致發(fā)射或熱發(fā)射而存在一些導(dǎo)電電子，這些電子在外電場作用下被加速獲得動能，同時(shí)在其運(yùn)動中又與晶格相互作用而激發(fā)晶格振動，把電場的能量傳遞給晶格。當(dāng)這兩個(gè)過程在一定的溫度和場強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場中得到的能量大于晶格振動損失的能量時(shí)，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(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，發(fā)生擊穿。

按擊穿發(fā)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(jù)。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(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞電介質(zhì)結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。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(shí)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(yùn)動中與晶格相互作用而發(fā)生能量的交換、由于晶格振動與溫度有關(guān)，所以B可寫為

式中T0——晶格溫度。

平衡時(shí)

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

2. 雪崩擊穿理論

根據(jù)雪崩機(jī)理的不同，雪崩擊穿分為兩種類型；場致發(fā)射擊穿和碰撞電離雪崩擊穿。

1)場致發(fā)射擊穿。如在強(qiáng)場電導(dǎo)中所述，由于量子力學(xué)隧道效應(yīng)，從價(jià)帶向?qū)鲋掳l(fā)射電子，引起電子雪崩。基于這種觀點(diǎn)的理論認(rèn)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(dá)臨界溫度時(shí)，便導(dǎo)致擊穿發(fā)生，稱這種擊穿為場致發(fā)射擊穿。

2)碰撞電離雪崩擊穿。這種擊穿理論是：導(dǎo)帶中的電子被外施電場加速到具有足夠的動能后，發(fā)生碰撞電離，這一過程在電場下不斷地由陰極向陽極發(fā)展，形成電子雪崩。當(dāng)這種電子雪崩區(qū)域達(dá)到某一界限，晶格結(jié)構(gòu)被破壞，固體發(fā)生擊穿。

2.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿

前述固體電介質(zhì)擊穿理論適用于宏觀均勻的單一電介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常遇到的是宏觀不均勻復(fù)合電介質(zhì)。從凝聚狀態(tài)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(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，由于材料的不均勻性、含有雜質(zhì)或氣隙等也不能看作是單一均勻電介質(zhì)，因此研究不均勻介質(zhì)的擊穿具有重要的實(shí)用意義。在這里先討論簡單的雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿，然后討論以老化現(xiàn)象為主的局部放電和樹枝化擊穿。

1.復(fù)合電介質(zhì)的擊穿

(1)雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿

設(shè)一雙層復(fù)合電介質(zhì)模型及其等效電路如圖2-24所示。雙層介質(zhì)的厚度、電導(dǎo)率及介電常數(shù)分別為d1、d2、γ1、γ2和ε1、ε2，外施電壓為U及兩層介質(zhì)中場強(qiáng)分別E1、E2。

設(shè)U為外施恒定電壓，在U作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，若引入復(fù)合電介質(zhì)的宏觀平均場強(qiáng)為

則有

其中，。

從式(2-39)可見，各層介質(zhì)電場強(qiáng)度與電導(dǎo)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(zhì)的場強(qiáng)大于E，例如，E1＞E，則當(dāng)E1達(dá)到第一層電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)E1b時(shí)，引起該層介質(zhì)擊穿。第一層擊穿后，全部電壓加在第二層上，使E2發(fā)生畸變，通常導(dǎo)致第二層電介質(zhì)隨之擊穿，即引起全部電介質(zhì)擊穿。

(2)邊緣效應(yīng)及其消除方法

在不同電場均勻度下研究固體電介質(zhì)擊穿時(shí)發(fā)現(xiàn)，電場不均勻度越高，擊穿電壓隨電介質(zhì)厚度的增長越慢，即平均擊穿場強(qiáng)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(guān)系，可以得到材料的最大擊穿強(qiáng)度。為了研究固體電介質(zhì)本征擊穿的物理常數(shù)——耐電強(qiáng)度，必須采用消除邊緣的方法，使固體電介質(zhì)能在足夠均勻的電場下發(fā)生電擊穿。

需要指出，在復(fù)合電介質(zhì)中，電場分布不均勻的情況下，當(dāng)未采用任何措施改善電極邊緣處的電場分布時(shí)，由于周圍媒質(zhì)的擊穿強(qiáng)度常比固體電介質(zhì)要小，往往在固體電介質(zhì)擊穿之前先在電場集中的電極邊緣處發(fā)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(fā)生強(qiáng)烈畸變，若放電開始時(shí)外施電壓高于固體電介質(zhì)一定厚度下的最小擊穿電壓(電介質(zhì)在極不均勻電場作用下的擊穿電壓)，則媒質(zhì)放電后立即引起固體電介質(zhì)的擊穿。這種因電極邊緣媒質(zhì)放電而引起固體電介質(zhì)在電極邊緣處較低電壓下擊穿的現(xiàn)象稱為邊緣效應(yīng)。

為了消除均勻電場的邊緣效應(yīng)，其方法之一就是將電極試樣系統(tǒng)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(fā)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(zhì)都能實(shí)現(xiàn)，例如，云母、有機(jī)薄膜等介質(zhì)，困難就較大。對于這類固體電介質(zhì)，通常采用簡單電極試樣系統(tǒng)，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(tǒng)，置于液體媒質(zhì)之中。消除邊緣效應(yīng)的方法之二是需用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)，使在固體電介質(zhì)擊穿之前媒質(zhì)中所分配到的電場強(qiáng)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(zhì)中，當(dāng)擊穿強(qiáng)度較低的氣體或液體中的局部電場強(qiáng)度達(dá)到其擊穿場強(qiáng)時(shí)，這部分氣體或液體開始放電，使電介質(zhì)發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿，這就是局部放電現(xiàn)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(zhì)(特別是有機(jī)電介質(zhì))的劣化損傷逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致整個(gè)電介質(zhì)擊穿。

局部放電引起電介質(zhì)劣化損傷的機(jī)理是多方面的，但主要有如下3個(gè)方面：

1)電的作用。帶電粒子對電介質(zhì)表面的直接擊作用，使有機(jī)電介質(zhì)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(zhì)局部的溫度上升，發(fā)生熱熔解或熱降解。

3)化學(xué)作用。局部放電產(chǎn)生的受激分子或二次生成物的作用，使電介質(zhì)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(zhì)應(yīng)用中的一種強(qiáng)場效應(yīng)，它在電介質(zhì)介電現(xiàn)象和電氣絕緣領(lǐng)域均具有重要意義。

局部放電圖與放電類型相關(guān)，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(tài)下局部放電的放電圖。 

3.聚合物電介質(zhì)的樹枝化擊穿

樹枝化擊穿是聚合物電介質(zhì)在長時(shí)間強(qiáng)電場作用下發(fā)生的一種老化破壞形式，在介質(zhì)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(xì)微“管子"組成的通道，如圖2-29所示。

引起聚合物電介質(zhì)樹枝化的原因是多方面的，所產(chǎn)生的樹枝也不同。樹枝可以因介質(zhì)中間歇性的局部放電而緩慢地?cái)U(kuò)展，更可以在脈沖電壓作用下迅速發(fā)展，也能在無任何局部放電的情況下，由于介質(zhì)中局部電場集中而發(fā)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(zhì)電樹枝)。樹枝化也能因存在水分而緩慢發(fā)生，除在水下運(yùn)行外，還有因環(huán)境污染或絕緣介質(zhì)中存在雜質(zhì)而引起的電化學(xué)樹枝，如電纜中由于腐蝕性氣體在線芯處擴(kuò)散，與銅發(fā)生反應(yīng)，就形成電化學(xué)樹枝。

樹枝化的位置是隨機(jī)的，即樹枝引發(fā)于介質(zhì)中各個(gè)高場強(qiáng)的點(diǎn)，例如，粗糙或不規(guī)則的電極表面或介質(zhì)內(nèi)部的間隙、雜質(zhì)等處。聚合物介質(zhì)樹枝化后，在其截面可以發(fā)生或不發(fā)生的擊穿，但在固體聚合物介質(zhì)中，樹枝化擊穿是一個(gè)很重要的擊穿因素。如美國西海岸敷設(shè)的161根聚乙烯電纜，運(yùn)行了1~11年以后，檢查已損壞和未損壞的電纜截面發(fā)現(xiàn)，樹枝化現(xiàn)象相當(dāng)普遍，運(yùn)行5年以上者，幾乎有一半產(chǎn)生了樹枝化。雖然樹枝化與壽命之間無明確的關(guān)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(zhì)擊穿的先導(dǎo)，但擊穿并不因樹枝化而接踵到來。