電力絕緣介質擊穿機理

來源：揚州國浩電氣有限公司 2025年05月08日 07:20

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電力絕緣介質可能存在缺陷，在電場作用下，擊穿強度較低的缺陷區域容易首先被擊穿而發生放電，這便是局部放電。從本質上講，局部放電是絕緣介質不貫穿電極的局部擊穿現象，即某一部分被擊穿。

在外界的條件下，介質由絕緣狀態變為良導電狀態的過程，稱為介質擊穿。在常溫、常壓條件下，電介質的帶電粒子被原子、分子的內力或者分子間的作用力緊密束縛著，它們或者是正負抵消、或者因為排列雜亂無章，宏觀上沒有表現出導電性，即電介質具有很好的絕緣性，常用作電氣絕緣。但當外界條件發生變化，其絕緣性能將不會一直保持不變。在電場的作用下，電介質的內部結構將會發生變化，當然當電場強度較小時仍表現出很好的絕緣性，但當外部電場場強達到相當大時，電介質的導電能力會突然劇增，此時電介質內部結構受到破壞，帶電粒子在躍遷、碰撞、復合中產生大量的載流子并向外輻射能量，宏觀上電介質已經由絕緣狀態變為導電狀態，即電介質被擊穿。不同的電介質因為聚合狀態不一樣，表現出的絕緣性能有所差別，其擊穿場強和擊穿過程也有所不同。一般而言氣體介質、液體介質和固體介質的擊穿場強依次增大。

對于氣體介質而言，在常溫、常壓下因缺少導電載流子而表現出良好的絕緣性。但在光、熱，電的環境之下，由于光電離、熱電離、碰撞電離以及分級電離等作用，其絕緣性能會發生變化，電子獲得足夠的能量脫離原子核束縛成為自由電子，原子核因缺少電子導致空穴的產生形成正離子。這些自由電子和正離子一起組成載流子在外電場的作用下定向遷移使得氣體介質產生一定程度的電導。電場強度很小時，氣體的電流密度與所加的電場強度成正比，氣體導電遵守歐姆定律；增強電場強度，氣體電流也隨之增加，但仍然表現出很好的絕緣性；當外加電場強度增加到一定值時，氣體所產生的新載流子在電場作用下迅速跑到電極附近進行復合，因為缺少更多的載流子參與導電，電流將出現飽和，在一定范圍內增加場強，電流不再增大，絕緣性能也不會遭到破壞；繼續增加電場強度超過某一值(擊穿場強)，氣體電流不再穩定，而是急劇上升，這是由于氣體中的導電載流子特別是自由電子受到電場的作用而加速，得到足夠的能量，遷移的過程中與氣體的其它分子發生碰撞并致使后者電離，產生更多的載流子參與導電，電流在這種連鎖反應效應下急劇增加，最后導致氣體被擊穿。氣體被擊穿導電的現象被稱為氣體放電，放電時除電流激增之外，通常還伴隨熱、光等現象。氣體放電主要分為輝光放電、電弧放電和電暈放電三種。

液體擊穿理論觀點概括分為電子碰撞電離和氣泡擊穿兩類。在熱發射或陰極輻射等作用下，液體電介質會產生一些初始電子。當液體處于高壓電場環境時，這些電子在電場中獲得能量被加速，在運動過程中與液體分子發生碰撞，碰撞時把能量傳給液體分子。當電場不是很大時，液體介質的絕緣性能不會受到影響；但當電場足夠大時，即滿足由于電場的作用使得在碰撞中電子給液體分子的能量足以讓液體分子電離，而且電子在相鄰兩次碰撞間從電場中獲得的能量大于液體分子電離所需能量的條件時，電子數目因為碰撞、電離迅速增加，產生倍增效應，短時間內導致液體電介質被擊穿。氣泡擊穿理論則是指：在電場的作用下，電子加速獲得能量與液體分子碰撞，碰撞過程中產生的能量致使液體的溫度升高而分解產生氣體，產生的氣體形成氣泡在電場的作用下電離產生高能量電子并伴隨能量的釋放，這將會促使氣體體積膨脹，液體分子進一步分解產生氣體，氣泡因此不斷擴大并最終導致液體介質被擊穿。液體介質被擊穿，往往會伴隨能量的釋放并有新的生成物出現。

固體介質不容易被擊穿，但在強電場的環境下，固體介質的導帶可能因熱發射或者場致發射而產生一些導電電子，這些導電電子在電場作用下加速運動，在運動過程中與晶格相互作用并把電場能量傳遞給晶格，晶格因為獲得能量而產生振動。如果電子從電場中獲得的能量大于傳遞給晶格振動的能量，電子的動能就會越來越大。當電子的動能大到一定值時，電子與晶格振動的相互作用會激發晶格電離，產生新的導電電子，電子數目在短時間內迅速增加，固體介質因為電子數目的倍增效應很容易被擊穿。此外，如果固體介質中的產生的熱量來不及散失將會引起局部區域溫度不斷升高，同樣會導致固體介質被擊穿。

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