高电压 第8讲 固体电介质的击穿特性
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第8课-固体电介质的击穿
电介质的耐热等级
介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受 热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料 的耐热程度划分耐热等级。如
Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C >180℃
根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷 的最佳经济性设计
电介质的耐寒性
耐寒性则是绝缘材料在低温下保证安全 运行的最低许可温度，否则，固体可能 变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、 40 号变压器油分别表示其凝固温度为 10、-25、-40℃
3）. 热击穿
例：实验曲线分A、B两个范围 在A范围内：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质 在B范围内：当温度超过某临界值后，击穿电压随介质温 度的增加而下降，这表明击穿已涉及到明显的热过程
Ub （kV）（有效值）
50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 A B
80 100 120 140 θ cr
击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （％）
500 450 400 350 300 区域B 区域A 250 Φ 50 200 150 100 50 0 Φ 100 μs
A、B 区：击穿属于电击穿 C 区： D 区： 属于热击穿 为电化学击穿、 电老化，击穿时 间在几十个小时 以上，甚至几年
区域C
15.3
固有击穿理论：单位时间内传导电子从电场中获 得的能量和因碰撞而失去的能量不平衡引起破坏，
称之为固有击穿理论
电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形 成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导 致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论
电击穿的特点
时间影响：电压作用时间短，击穿电压高 介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电 场造成畸变，导致介质击穿电压降低 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有 明显的不完全击穿现象，不完全击穿导致绝缘性能逐渐 下降的效应称累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施 加次数的增多而下降 无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚 度、频率等因素都无关
高电压技术：3.3 固体电介质的击穿
9
（2）热击穿的理论分析
– 电介质发热曲线1,2,3对应于电压U 1＞U 2＞U 3 – 直线4表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0时,散
出的热量Q与介质中最高温度tm的关系 – 曲线1: 发热永远大于散热,介质温度t不断升高,在U1下最终
发生热击穿. – 曲线3:
t≤ta时,不发生热击穿,介质温度升高最终稳定到ta,ta称为稳 定热平衡点; t>tb时,类似曲线1,发生热击穿; t=tb时,发热=散热,介质温度不上升,但是一旦稍有扰动,温度 升高,则介质升温直至热击穿,tb称为不稳定热平衡点; ta<t<tb,不发生热击穿,介质温度最终将稳定在ta. – 曲线2与直线4相切,U2为临界击穿电压,tk为临界击穿温度.
发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增 大而导致击穿。
（2）、电击穿理论的分类
➢以碰撞电离开始作为击穿判据。称这类理论为碰撞电离理 论，或称本征电击穿理论。 ➢以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电 介质结构作为击穿判据。称这类理论为雪崩击穿理论。
5
• 本征击穿理论：在某一场强值内，电场作用下单位 时间内电子获得的能量和电子碰撞损失的能量平衡， 当场强增加到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即 发生
• 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后， 电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成 电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介 质结构 破坏，称之为电子崩击穿理论
6
（3）特点：
a.击穿场强高（5—15MV/cm）； b.电压作用时间短，作用时间越短，击穿电压越高， b.电介质发热不显著，击穿电压与环境温度无关； c.电场均匀程度对击穿电压有显著影响。
22
• 表面漏电起痕与电蚀损
（2）热击穿的理论分析
– 电介质发热曲线1,2,3对应于电压U 1＞U 2＞U 3 – 直线4表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0时,散
出的热量Q与介质中最高温度tm的关系 – 曲线1: 发热永远大于散热,介质温度t不断升高,在U1下最终
发生热击穿. – 曲线3:
t≤ta时,不发生热击穿,介质温度升高最终稳定到ta,ta称为稳 定热平衡点; t>tb时,类似曲线1,发生热击穿; t=tb时,发热=散热,介质温度不上升,但是一旦稍有扰动,温度 升高,则介质升温直至热击穿,tb称为不稳定热平衡点; ta<t<tb,不发生热击穿,介质温度最终将稳定在ta. – 曲线2与直线4相切,U2为临界击穿电压,tk为临界击穿温度.
发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增 大而导致击穿。
（2）、电击穿理论的分类
➢以碰撞电离开始作为击穿判据。称这类理论为碰撞电离理 论，或称本征电击穿理论。 ➢以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电 介质结构作为击穿判据。称这类理论为雪崩击穿理论。
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• 本征击穿理论：在某一场强值内，电场作用下单位 时间内电子获得的能量和电子碰撞损失的能量平衡， 当场强增加到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即 发生
• 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后， 电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成 电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介 质结构 破坏，称之为电子崩击穿理论
6
（3）特点：
a.击穿场强高（5—15MV/cm）； b.电压作用时间短，作用时间越短，击穿电压越高， b.电介质发热不显著，击穿电压与环境温度无关； c.电场均匀程度对击穿电压有显著影响。
22
• 表面漏电起痕与电蚀损
国家电网高压电培训 第三章 固体电介质和液体电介质的击穿特性
二、对高压电气设备绝缘性能的要求
⑴ 电气性能的要求；
⑵ 机械性能的要求；
⑶ 温度和热稳定性的要求；
⑷ 化学作用和不利环境条件下稳定性的要求。
一、 击穿过程?(击穿机理)
二、 影响液体介质击穿电压的主要因素?
三、 提高液体介质击穿电压的方法?
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同 工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件
电子崩发展至一定大小为击穿条件
(一) 击穿过程? 1．电击穿过程（碰撞游离）
2．热击穿过程（热状态）
3．电化学击穿过程（老化）
固体介质的击穿
(二) 影响固体介质击穿电压的主要因素?
1．电压作用时间
2．温度 3．电场均匀程度 4．电压的种类 5．累积效应
6．受潮
7．机械负荷
固体介质的击穿
(三) 提高固体介质击穿电压的方法? 1．改进制造工艺 2．改进绝缘设计 3．改善运行条件
9
10 11
体积电阻率 (90℃)(Ω·m)来自油中含气量(%) ( 体积分数) 油泥与沉淀物 ( %)( 质量分数)
≥6×1010
330～500kV：≤1 ≤0.02
按《液体绝缘材料工频相对介电常数、介质 电阻率的测量》GB/T 5654 或《绝缘油体积 DL/T421中的有关要求进行试验
按《绝缘油中含气量测定真空压差法》DL/T 中含气量的测定方法(二氧化碳洗脱法)》DL 要求进行试验
①杂质含量 ②杂质在油中的存在状态
悬浮态 × 溶解态 沉渣态
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
固体电介质的击穿特性
普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄 弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的 集中，也可指介质的不均匀性
一、固体电介质的击穿过程
1. 固体电介质击穿特性的划分
击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％） 15.3
500
450 400
350
300 250
区域A 区域B Φ50
200
区域C
150 100
Cathode
- +- ++ -
＋
＋
＋
＋
Anode
＋
＋
时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系
θ 12 3
4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
曲线 1：
发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1 下最终必定发生热击穿
θ 12 3 4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
(c)
异极性空间电荷的积累
概念：电介质在外加电场的 作用下，在金属电极与电介 质之间的界面上积聚了与施 加在该电极上的电压极性相 反的电荷，这些电荷称为异 极性空间电荷
特点：异极性空间电荷增强 金属电极与介质间的界面场 强，结果可导致介质整体击 穿电压的降低，如（b）所示 。当极性翻转时，可导致击 穿电压升高，如（c）所示
平衡点
ta<t<tb ： 不 会 发 生 热 击 穿 ，介质温度将稳定在ta
不同外施电压下介质发热散热 与介质温度的关系
曲线 2：
与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温 度
一、固体电介质的击穿过程
1. 固体电介质击穿特性的划分
击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％） 15.3
500
450 400
350
300 250
区域A 区域B Φ50
200
区域C
150 100
Cathode
- +- ++ -
＋
＋
＋
＋
Anode
＋
＋
时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系
θ 12 3
4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
曲线 1：
发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1 下最终必定发生热击穿
θ 12 3 4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
(c)
异极性空间电荷的积累
概念：电介质在外加电场的 作用下，在金属电极与电介 质之间的界面上积聚了与施 加在该电极上的电压极性相 反的电荷，这些电荷称为异 极性空间电荷
特点：异极性空间电荷增强 金属电极与介质间的界面场 强，结果可导致介质整体击 穿电压的降低，如（b）所示 。当极性翻转时，可导致击 穿电压升高，如（c）所示
平衡点
ta<t<tb ： 不 会 发 生 热 击 穿 ，介质温度将稳定在ta
不同外施电压下介质发热散热 与介质温度的关系
曲线 2：
与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温 度
高铁高压供电设备之液体和固体电介质的击穿特性—电介质的极化
空间电荷极化一般进行得比较缓慢，而且需要消耗能量，属于有损
极化。在电场频 率较低的交变电场中容易发生这种极化。在高频电场
中，由于带电质点来不及移动， 这种极化难以发生。
电极
E
E
电介质极化的形式
5、夹层极化
双层介质的极化
（a）双层介质示意图
（b）等值电路
二、电介质极化的工程意义
1
在选择高压电气设备的绝缘材料时，除了注意材料的电气强度要求以外，
电介质的极化
01 主要内容
02 电介质的极化
学习目标:
01 掌握电介质极化的概念
02 掌握介电常数的定义
电介质的极化
主要内容
液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。
液体：变压器油、电容器油、电缆油
固体：绝缘纸、纸板、云母、塑料、 电瓷、玻璃、硅橡胶
电介质的极化
电介质的极化
极化
当有外电场作用时，电介质
εr 值由电介质的材料决定，并与温度、频率等因素有关。
电介质的极化
常用电介质的 εr 值
真空：
各种气体：
材料类别
中性
空气、氮气
1.00058
1.00060
极性
二氧化硫
1.009
液体介质
弱极性
变压器油、硅
有机液体
2.2
2.2~2.8
极性
蓖麻油、氯化
联苯
4.5
4.6~5.2
强极性
酒精、水
33
81
εr = 1
（b）有外加电场
离子式极化
电介质极化的形式
3、偶极子极化
（a）无外加电场；
（b）有外加电场
偶极子极化
高电压技术
第一章气体的绝缘特性1.电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：气体电介质液体电介质固体电介质在电气设备中又分为：外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。
内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成。
2、一些基本概念：①气体介质的击穿——当加在气体间隙上的电场强度达到某一临界值后，间隙中的电流会突然剧增，气体介质会失去绝缘性能而导致击穿的现象，也称为气体放电。
②放电电压UF——在间隙距离及其它相关条件一定的条件下，加在间隙两端刚好能使其击穿的电压。
由于相关条件的变化，这个值有一定的分散性。
③击穿场强——指均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。
这个参数反映了某种气体介质耐受电场作用的能力，也即该气体的电气强度，或称气体的绝缘强度。
④平均击穿场强——指不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。
3.大气击穿的基本特点固体介质中的击穿将使介质强度永久丧失；而气体和液体击穿发生击穿时，一般只引起介质强度的暂时降低，当外加电压去掉后，绝缘性能又可以恢复，故称为自恢复绝缘。
§1.1 气体介质中带电质点的产生和消失一、气体原子的激发与游离产生带电质点的物理过程称为游离，是气体放电的首要前提。
1、几个基本概念①激发—-原子在外界因素（如电场、温度等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，从而使核外电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上去的过程（也称为激励）。
②游离—-中性原子由外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带正电的质点）的过程（也称为电离）。
2、游离的基本形式①碰撞游离a 、当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。
b 、发生条件：——气体分子（或原子）的游离能c 、碰撞游离的特点碰撞游离是气体放电过程中产生带电质点的极重要的来源。
高电压工程课件
容。通常气隙尺寸很小，有Ca＞＞Cg＞＞Cb。电极
间的全部电容为
CCaCCggCCbb CaCb
•高电压工程
•20
高电压工程基础
如果电极间加上瞬时值为u的交变电压，当介 质的tanδ很小时，则Cg上分配到的电压瞬时值为
ug
u Cb Cg Cb
•高电压工程
•21
高电压工程基础
当ug随u增加达 到气隙放电电压Ug时， 气隙发生放电，放电
Cg每次放电时，其放电电荷量为：
Q rC gC C aa C C bb(U gU r)(C gC b)(U gU r)
Qr称为真实放电量，但由于Cg、Cb和Ca实际上都 是无法测定的，所以Qr也无法测定。
•高电压工程
•25
高电压工程基础
由于气隙放电使气隙上电压下降 U =Ug﹣Ur，必引 起Cb上的电压增加 U。随着Cb上电压的增加，需要补
式中 A——比例常数
单位时间内散出的热量Q2：
Q2 (tto)S
σ——散热系数；
S ——散热面积。
介质的发热和散热与温度的关系
•高电压工程
•6
高电压工程基础
热击穿的主要特点： 1）击穿电压随环境温度的升高呈指数规律
下降； 2）击穿电压直接与介质的散热条件相关。 ➢ 介质厚度 ➢ 加压时间 ➢ 电压频率或介损
（约大一个数量级）。
•高电压工程
•31
高电压工程基础
二、气泡击穿理论
不论由于何种原因使液体中存在气泡时，由
于在交变电压下两串联介质中电场强度与介质介
电常数成反比，气泡中的电场强度比液体介质高，
而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以总
是气泡先发生电离，这又使气泡的温度升高，体
间的全部电容为
CCaCCggCCbb CaCb
•高电压工程
•20
高电压工程基础
如果电极间加上瞬时值为u的交变电压，当介 质的tanδ很小时，则Cg上分配到的电压瞬时值为
ug
u Cb Cg Cb
•高电压工程
•21
高电压工程基础
当ug随u增加达 到气隙放电电压Ug时， 气隙发生放电，放电
Cg每次放电时，其放电电荷量为：
Q rC gC C aa C C bb(U gU r)(C gC b)(U gU r)
Qr称为真实放电量，但由于Cg、Cb和Ca实际上都 是无法测定的，所以Qr也无法测定。
•高电压工程
•25
高电压工程基础
由于气隙放电使气隙上电压下降 U =Ug﹣Ur，必引 起Cb上的电压增加 U。随着Cb上电压的增加，需要补
式中 A——比例常数
单位时间内散出的热量Q2：
Q2 (tto)S
σ——散热系数；
S ——散热面积。
介质的发热和散热与温度的关系
•高电压工程
•6
高电压工程基础
热击穿的主要特点： 1）击穿电压随环境温度的升高呈指数规律
下降； 2）击穿电压直接与介质的散热条件相关。 ➢ 介质厚度 ➢ 加压时间 ➢ 电压频率或介损
（约大一个数量级）。
•高电压工程
•31
高电压工程基础
二、气泡击穿理论
不论由于何种原因使液体中存在气泡时，由
于在交变电压下两串联介质中电场强度与介质介
电常数成反比，气泡中的电场强度比液体介质高，
而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以总
是气泡先发生电离，这又使气泡的温度升高，体
固体电介质的击穿
图3-17 获得均匀电场的电极试样系统
若试样厚度t与下凹部分最小厚度d之比足够大（比值 不小于5～10），则击穿往往发生在足够均匀电场的最小 厚度处。
但并非所有的 固体电介质都能实 现，例如云母、有 机薄膜等介质困难 就较大。对于这类 固体电介质，通常 采用简单电极试样 系统。
图3-17 获得均匀电场的电极试样系统
导电通道的温度将不断上升，导
致热击穿。
图3-15 发热与散热曲线
可见，曲线2是介质热稳定状态和不稳定状态的 分界线，所以电压U2确定为热击穿的临界电压，tc为 热击穿的临界温度。
相应于切点c的热击穿 临界电压
Uc 0.2S 40ed e2 T0 (3-31)
图3-15 发热与散热曲线
2. 均匀固体电介质热击穿电压的确定
认为电场作用时间很短，以致导热过程可以忽略不 计时，则热平衡方程为
cv
dTE2
dt
(3-32)
如知道 EE(t)及 (T,E)，即可由上式求出
温度到达介质热破坏临界温度时的热击穿场强。
假设施加于介质的脉冲电场为斜角波形电场，即
E ( Ec )t tc
(3-33)
式中，Ec ——热击穿场强；tc ——至击穿的时间。
按击穿发生的判定条件的不同，电击穿理论可分为两大 类：
➢以碰撞电离开始作为击穿判据。称这类理论为碰撞电离
理论，或称本征电击穿理论。
➢以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以 破坏电介质结构作为击穿判据。称这类理论为雪崩击
穿理论。
1. 本征电击穿理论
在电场E的作用下，电子被加速，因此电子单位 时间从电场获得的能量可表示为
一般在电场不太强的情况下，介质的电导率可表示为
若试样厚度t与下凹部分最小厚度d之比足够大（比值 不小于5～10），则击穿往往发生在足够均匀电场的最小 厚度处。
但并非所有的 固体电介质都能实 现，例如云母、有 机薄膜等介质困难 就较大。对于这类 固体电介质，通常 采用简单电极试样 系统。
图3-17 获得均匀电场的电极试样系统
导电通道的温度将不断上升，导
致热击穿。
图3-15 发热与散热曲线
可见，曲线2是介质热稳定状态和不稳定状态的 分界线，所以电压U2确定为热击穿的临界电压，tc为 热击穿的临界温度。
相应于切点c的热击穿 临界电压
Uc 0.2S 40ed e2 T0 (3-31)
图3-15 发热与散热曲线
2. 均匀固体电介质热击穿电压的确定
认为电场作用时间很短，以致导热过程可以忽略不 计时，则热平衡方程为
cv
dTE2
dt
(3-32)
如知道 EE(t)及 (T,E)，即可由上式求出
温度到达介质热破坏临界温度时的热击穿场强。
假设施加于介质的脉冲电场为斜角波形电场，即
E ( Ec )t tc
(3-33)
式中，Ec ——热击穿场强；tc ——至击穿的时间。
按击穿发生的判定条件的不同，电击穿理论可分为两大 类：
➢以碰撞电离开始作为击穿判据。称这类理论为碰撞电离
理论，或称本征电击穿理论。
➢以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以 破坏电介质结构作为击穿判据。称这类理论为雪崩击
穿理论。
1. 本征电击穿理论
在电场E的作用下，电子被加速，因此电子单位 时间从电场获得的能量可表示为
一般在电场不太强的情况下，介质的电导率可表示为
第8讲 液体、固体电介质特性(三)
U E2 1 r1 1 r2 r 2 [ ln ln ] 1 r0 2 r1
1 2
37
分阶绝缘
优点：绝缘材料的利用率高 实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介 电常数与密度有关，密度大的纸（高）与低密度
纸搭配使用，做多层分阶。
38
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
A(E,α,T0)=B(α,T0) A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量 E：电场，α：标志电子的状态因子，T0：晶格温度
电子崩击穿理论——传导电子由电场得到了可使晶
格原子电离的能量，产生了电子崩，当电子崩发展 到足够强时（d足够大），引起固体介质击穿
1 (
d1
1
d2
2
dn
n
)
1 2 3
E1 E2 E3 d1 d2 d3
d
交流电压作用下——电压与电
容成反比，电场与介电常数成
反比
U
i
Ei
di dn
n
2
En
33
分层绝缘中的电场分配—交流条件下
油－屏障式绝缘
1<2，E1>E2
E1
U
1 (
1
d1
2
tta 时：曲线在直线 4 之下， 不发生热击穿，介质温度逐 渐升高并稳定在 ta ，称 ta 为 稳定热平衡点 t>tb 时：情况类似曲线 1 ， 最终发生热击穿 t=tb 时： 发热等于 散热 ， 但因扰动使 t 大于 tb ，则介 质温度上升，回不到 tb ，直 至热击穿。称 tb 为不稳定热 平衡点 ta<t<tb ： 不会发生 热击穿 ， 介质温度将稳定在ta
1 2
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分阶绝缘
优点：绝缘材料的利用率高 实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介 电常数与密度有关，密度大的纸（高）与低密度
纸搭配使用，做多层分阶。
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2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
A(E,α,T0)=B(α,T0) A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量 E：电场，α：标志电子的状态因子，T0：晶格温度
电子崩击穿理论——传导电子由电场得到了可使晶
格原子电离的能量，产生了电子崩，当电子崩发展 到足够强时（d足够大），引起固体介质击穿
1 (
d1
1
d2
2
dn
n
)
1 2 3
E1 E2 E3 d1 d2 d3
d
交流电压作用下——电压与电
容成反比，电场与介电常数成
反比
U
i
Ei
di dn
n
2
En
33
分层绝缘中的电场分配—交流条件下
油－屏障式绝缘
1<2，E1>E2
E1
U
1 (
1
d1
2
tta 时：曲线在直线 4 之下， 不发生热击穿，介质温度逐 渐升高并稳定在 ta ，称 ta 为 稳定热平衡点 t>tb 时：情况类似曲线 1 ， 最终发生热击穿 t=tb 时： 发热等于 散热 ， 但因扰动使 t 大于 tb ，则介 质温度上升，回不到 tb ，直 至热击穿。称 tb 为不稳定热 平衡点 ta<t<tb ： 不会发生 热击穿 ， 介质温度将稳定在ta
高电压技术固体与液体电介质击穿
A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(α,T0)：单位时间电子碰撞损失的能量 E：电场，α：标志电子的状态因子，T0：晶格温度
固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成 立，获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引 起破坏，称之为固有击穿理论 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形 成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导 致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论
时间（μs）
电工纸板的击穿电压
与电压作用时间的关系
2）. 电击穿
电击穿理论是建立在固体电介质中发生 碰撞电离基础上的，固体电介质中存在 的少量传导电子，在电场加速下与晶格 结点上的原子碰撞，从而击穿。 电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电 离的理论：固有击穿理论与电子崩击穿 理论
A(E,α,T0)=B(α,T0)
50 μm
HDPE树枝的发展
(a) 1 min
50 μm
自然冷却 施加电压5 kV
(b) 10 min
(c) 40 min
(d) 70 min
(e) 75 min
3. 影响固体介质击穿电压主要因素
电压作用时间 温度 电场均匀程度 电压种类 局部放电 累积效应 受潮 机械负荷 二次效应如空间电荷等
热击穿电压Ub与各种发、散热因素的关系
Ub = 0.342×
h(tk t0) f 0rtg0(h+2)
当发热因素f，r ，t0，tg0上升或增加时， 热击穿电压Ub将下降；
当散热因素σ，λ上升时，热击穿电压Ub将上 升在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不 一定能起到提高电介质击穿电压的作用，因而
A、B 区：击穿属于电击穿
固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成 立，获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引 起破坏，称之为固有击穿理论 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形 成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导 致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论
时间（μs）
电工纸板的击穿电压
与电压作用时间的关系
2）. 电击穿
电击穿理论是建立在固体电介质中发生 碰撞电离基础上的，固体电介质中存在 的少量传导电子，在电场加速下与晶格 结点上的原子碰撞，从而击穿。 电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电 离的理论：固有击穿理论与电子崩击穿 理论
A(E,α,T0)=B(α,T0)
50 μm
HDPE树枝的发展
(a) 1 min
50 μm
自然冷却 施加电压5 kV
(b) 10 min
(c) 40 min
(d) 70 min
(e) 75 min
3. 影响固体介质击穿电压主要因素
电压作用时间 温度 电场均匀程度 电压种类 局部放电 累积效应 受潮 机械负荷 二次效应如空间电荷等
热击穿电压Ub与各种发、散热因素的关系
Ub = 0.342×
h(tk t0) f 0rtg0(h+2)
当发热因素f，r ，t0，tg0上升或增加时， 热击穿电压Ub将下降；
当散热因素σ，λ上升时，热击穿电压Ub将上 升在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不 一定能起到提高电介质击穿电压的作用，因而
A、B 区：击穿属于电击穿
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热击穿的理论分析
电压：U1＞U2＞U3 曲线1, 2, 3 ：电介质发出热量Q与介质中最高温度tm的关系 直 线 4 ： 表 示 固 体 介 质 中 最 高 温 度 大 于 周 围 环 境 温 度 t0
时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系
θ 12 3 4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
电荷引起电场分布的畸变机理
Anode Cathode
E
EC1
+
-
＋ EC2
＋
＋
＋ Space ＋ Charge
＋
EInterface=E-EC1 EBulk=E+EC2
界面场强被削弱了 可导致介质击穿电压升高
Anode Cathode
E
EC1
-
+
＋ EC2
＋
＋
＋ Space ＋ Charge
＋
EInterface=E+EC1 EBulk=E-EC2
二、有机绝缘材料的树老化
¾ 树老化的原因
电导性老化：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电 物质(例如水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿 电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕 迹，称作“水树枝”
树枝老化的一般形状
Tree-like 树枝状
Bush-like 灌木丛状
chestnut-like 栗子状
三、影响固体介质击穿电压主要因素
¾ 电压作用时间 ¾ 场均匀程度 ¾ 温度 ¾ 电压种类 ¾ 局部放电 ¾ 累积效应 ¾ 受潮 ¾ 机械负荷 ¾ 二次效应如空间电荷等
四、电介质击穿过程的空间电荷效应
¾ 电介质中空间电荷：由于外加电场的作用等 原因，在介质内部积聚了电荷，称作空间电 荷
¾ 空间电荷效应：由于空间电荷的作用引起的 一系列变化。在电介质中，空间电荷的直接 作用是改变了介质中的电场分布。这种电场 畸变的结果导致了介质击穿电压的变化
固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可 恢复的绝缘
普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷 处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指 介质的不均匀性
一、固体电介质的击穿过程
¾ 固体电介质击穿特性的划分 ¾ 电击穿 ¾ 热击穿 ¾ 电化学击穿 （电老化）
一、固体电介质的击穿过程
¾ 热击穿
A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质
B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的 增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程
Ub（kV）（有效值）
50 40
30 A
20
10
B
0 0 20 40 60 80 100 120 140 160
θcr
θ(℃)
交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系
(c)
薄膜中的空间电荷效应
同极性的空间电荷效应 在薄膜中具有特殊性，当 介质中空间电荷的量超过 某一定值时，虽然同极性 的空间电荷对施加电压的 电极起到削弱界面场强的 作用，但由于大量的空间 电荷积聚对另外一方的电 极和介质界面的电场分布 得到有效的加强，从而导 致介质的整体击穿电压的 下降
Dc Electric strength
界面场强被增强了 可导致介质击穿电压下降
同极性空间电荷的积累
概念：电介质在外加电场 的作用下，在金属电极与 电介质之间的界面上积聚 了与施加在该电极上的电 压极性相同的电荷，这些 电荷称为同极性空间电荷
特点：同极性空间电荷削 弱金属电极与介质间的界 面场强，结果可导致介质 整体击穿电压的提高，如 （b）所示。当极性翻转 时，可导致击穿电压下 降，如（c）所示
耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许 可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝 固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度 为-10、-25、-40℃
¾ 机械性能
有脆性、塑性和弹性三种
¾ 吸潮性能
在潮湿地区要选用吸湿性小、憎水性强的材料。一般而 言，非极性电介质吸湿性低，极性电介质吸湿性较强
在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不一定能起到 提高电介质击穿电压的作用，因而是不经济的
一、固体电介质的击穿过程
¾ 电化学击穿 （电老化）
概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、
化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程 称电老化
电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性
老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在 直流电压下产生
反的电荷，这些电荷称为异
极性空间电荷
特点：异极性空间电荷增强
金属电极与介质间的界面场
x
强，结果可导致介质整体击 t = 0 穿电压的降低，如（b）所示。
(a)
当极性翻转时，可导致击穿
电压升高，如（c）所示
Anode
-+
＋
＋
＋
＋
＋
＋
x
Charge formation
(b)
+-
＋
＋
＋
＋
＋
＋
x
Polarity reversed
主要内容
固体电介质的击穿过程 有机绝缘材料的电树老化 影响固体电介质击穿电压的主要因素 电介质击穿过程的空间电荷效应 电介质的其它性能
二、有机绝缘材料的树老化
¾ 树老化类型
电树老化和水树老化
¾ 树老化的原因
电离性老化：介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，在 交变场下气隙或气泡的场强比邻近固体介质内的场强大 得多，而气体的起始电离场强比固体介质低得多，所以 在该气隙或气泡内容易发生电离。气隙或气泡的电离， 造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化等形 式)，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝 缘材料中会呈树枝状发展，称作“电树枝”
¾ 化学性能及抗生物性
t0≤t<tb 时 ： 通 过 周 围 介 质 的散热调节，介质温度将 逐渐稳定在ta，称ta为稳定 热平衡点
12 3 4
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与 介质温度的关系
曲线 2：
与直线4相切，U2 为临界热击穿电压；tk 为临界热击穿温 度
θ
12 3 4
b
a
0 t0 ta
tk
电介质中的树枝老化
树老化的研究
难点
特征
设备中树老化 无法观测 微观形态控制 树枝老化观察 微观形态和树枝 老化二者的观测
试品薄膜化 控制微观结构 绝缘缺陷模拟 树枝老化监测 树枝老化研究
主要内容
固体电介质的击穿过程 有机绝缘材料的电树老化 影响固体电介质击穿电压的主要因素 电介质击穿过程的空间电荷效应 电介质的其它性能
第8讲 固体电介质的击穿
主要内容
固体电介质的击穿过程 有机绝缘材料的电树老化 影响固体电介质击穿电压的主要因素 电介质击穿过程的空间电荷效应 电介质的其它性能
概述
气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度 最高 空气的耐电强度一般在3 ~ 4 kV/mm左右 液体的耐电强度在10 ~ 20 kV/mm 固体的耐电强度在十几至 几百kV/mm
电介质的耐热等级
介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用 的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划 分耐热等级（最高持续工作温度）。如
YAEBFH C 90 105 120 130 155 180 >180℃
根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳 经济性设计
¾ 电介质的耐寒性
曲线 1：
发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1 下最终必定发生热击穿
θ 12 3
4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
曲线 3 ：两个热平衡点
t >tb时：情况类似曲线1， 最终发生热击穿
t=tb 时 ： 发 热 等 于 散 热 ， 但因扰动使t大于tb，则介 质 温 度 上 升 ， 回 不 到 tb ， 直 至 热 击 穿 。 称 tb 为 不 稳 定热平衡点
电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得 到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子 崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构 破坏，称之为电子崩击穿理论
电击穿的特点
时间影响：电压作用时间短，击穿电压高 介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成 畸变，导致介质击穿电压降低 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有 明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为 累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多 而下降 无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、 频率等因素都无关
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
σ ：散热系数 λ ：导热系数
热击穿电压Ub与各种发、散热因素的关系
Ub = 0.342×
h λ σ (tk − t0 ) f ε0ε r tgδ0 (σ h + 2 λ)
当发热因素 f，εr ，t0，tgδ0 上升或增加时，Ub将下降 当散热因素σ ，λ 上升时，热击穿电压Ub将上升
区域D ：C区以外，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年， 介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化
击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％） 15.3
A、B 区：电击穿 C 区：热击穿 D 区：电化学击穿
电老化击穿
500
450 400
350
300 区域A 区域B
250
Φ50
200