热击穿是指绝缘材料在热作用下失去绝缘性能的临界现象，其核心诱因在于材料局部热量积累超过散热能力，导致温度持续升高，进而引发结构劣化或熔化。在热电路（如工业加热炉、家电）和高压设备（如变压器）中，热击穿是导致绝缘失效、设备烧毁甚至火灾的关键风险。若热绝缘材料选型不当或散热设计存在缺陷，热击穿概率将增加30%至50%。

本报告针对热击穿认知误区（如混淆热击穿与电击穿、忽视环境温度对击穿电压的影响），从基础定义、机理分析到防控措施，构建了完整的知识体系，适用于绝缘设计工程师、设备制造商及质检人员，可直接指导热电路绝缘材料选型、高压设备热管理方案优化，有效降低热击穿风险。

二、热击穿基础认知

（一）核心定义与本质特征

• 定义：热击穿是绝缘材料在电场和热场共同作用下，因介质损耗产生的热量超过材料散热能力，导致温度急剧升高，最终破坏材料绝缘结构（如熔化、碳化），丧失绝缘性能的现象。
• 与其他击穿类型的区别：

• 本质特征：
  1. 1. 温度依赖性：环境温度越高，热击穿电压越低（如玻璃棉在100℃时的击穿电压比25℃时低20%至30%）。
  2. 2. 滞后性：热击穿需经历“热量积累→温度升高→材料劣化”的过程，并非瞬间发生（通常从发热到击穿需数分钟至数小时）。
  3. 3. 不可逆性：热击穿会破坏材料化学结构（如有机材料碳化、无机材料烧结），无法恢复绝缘性能，需更换材料。

（二）热击穿关键评价指标

衡量绝缘材料抗热击穿能力需关注以下指标，以确保匹配应用场景需求：

（三）热击穿与热电路的关联

在热电路系统中，热击穿风险主要集中在以下环节，需重点防控：

1. 1. 发热元件周边绝缘：如工业加热炉炉壁陶瓷纤维与金属支架间的绝缘垫片，若介质损耗大（tanδ>0.03），长期高温下易积累热量，引发热击穿。
2. 2. 控制模块绝缘：如电烤箱温控器与加热腔间的玻璃棉绝缘层，若厚度不足导致散热不良，局部温度超过150℃（玻璃棉耐热上限400℃，但有机粘合剂可能在150℃碳化），引发热击穿。
3. 3. 高压部件绝缘：如热电路中高压电源与发热元件间的绝缘电缆，若环境温度超过80℃，击穿电压降低，易发生热击穿导致短路。

三、热击穿机理分析

热击穿的发生需经历“热量积累→温度失控→结构破坏”三个阶段，核心在于“热平衡失衡”，具体过程如下：

（一）阶段1：热量产生（初始发热）

• 热量来源：
  1. 1. 介质损耗发热：绝缘材料在电场作用下，因分子极化、离子漏导产生能量损耗（损耗功率与tanδ成正比），转化为热量（如环氧树脂在1kV电压下，每平方米每小时产生50至100W热量）。
  2. 2. 外部传导发热：热电路中发热元件（如发热丝）的热量通过热传导传递至绝缘层（如加热丝温度250℃，绝缘层靠近侧温度可达150至200℃）。
• 关键条件：此时材料散热（如通过空气对流、热辐射）仍能维持热平衡，温度稳定在安全范围（如≤耐热等级温度）。

（二）阶段2：热量积累（温度升高）

• 失衡诱因：
  1. 1. 散热能力下降：绝缘层过厚（如陶瓷纤维厚度超过100mm）、散热通道堵塞（如灰尘覆盖）或环境温度升高（如工业炉周边温度超过50℃），导致散热速率降低。
  2. 2. 热量产生增加：热电路功率升高（如发热丝功率从2kW增至3kW）、电压波动（如220V升至240V），导致介质损耗功率增大，发热加剧。
• 过程表现：材料局部温度以5至10℃/min的速率升高，超过耐热等级温度（如A级绝缘超过105℃），材料开始轻微老化（如有机材料变软、无机材料颜色变化）。

（三）阶段3：结构破坏（热击穿）

• 劣化加剧：温度持续升高至“材料临界温度”（如环氧树脂200℃、玻璃棉300℃），材料化学结构破坏：
  • 1. 有机绝缘：分子链断裂，发生碳化（如环氧树脂变黑、发脆），绝缘电阻从10¹²Ω降至10⁶Ω以下。
  • 2. 无机绝缘：高温下烧结或熔化（如玻璃棉软化、陶瓷开裂），失去绝缘结构。
• 击穿发生：当材料绝缘电阻降至“漏导临界值”，漏电流急剧增大（从μA级升至mA级），产生“焦耳热”进一步加剧温度升高，最终形成导电通道，发生热击穿（表现为火花、冒烟，甚至烧毁）。

四、影响热击穿的关键因素

（一）材料本身因素（基础影响）

1. 耐热等级与临界温度

• 耐热等级越低，热击穿风险越高（如Y级绝缘90℃，在100℃环境下热击穿电压比H级180℃低50%）。临界温度（材料开始结构破坏的温度）是核心阈值：如环氧树脂临界温度200℃，超过此温度后，热击穿时间从1小时缩短至10分钟以内。

2. 介质损耗因数（tanδ）

• tanδ越大，单位时间内产生的热量越多，越易引发热积累（如tanδ=0.05的绝缘材料，比tanδ=0.01的材料发热功率高5倍）。高温下tanδ增大的材料（如部分有机绝缘材料）热击穿风险更高：例如，聚乙烯在100℃时的tanδ是25℃时的3倍，发热加剧。

### 3. 导热率与散热能力

• 导热率越低，散热越慢，热量越易积累（如聚氨酯泡沫λ=0.025W/(m·K)，比氧化铝陶瓷λ=20W/(m·K)的热击穿风险高80%）；高发热场景（如热电路）需选用高导热绝缘材料（如陶瓷、金属基绝缘板），以降低局部温度。

### （二）外部环境因素（动态影响）

#### 1. 环境温度

• 环境温度每升高10℃，热击穿电压降低5%~10%（如玻璃棉在25℃时的击穿电压为20kV/mm，在55℃时降至17kV/mm）；高温环境（如工业车间温度40℃）比常温环境（25℃）的热击穿概率高2~3倍，需额外加强散热。

#### 2. 散热条件

• 自然对流（无风扇）的散热效率低，热击穿风险比强制对流（风扇/水冷）高40%（如电烤箱绝缘层在无风扇时，局部温度比有风扇时高30~50℃）；散热通道堵塞（如灰尘覆盖绝缘层、通风口堵塞）会使散热效率下降50%，热击穿时间缩短至原来的1/3。

#### 3. 电场强度与电压

• 电场强度越高，介质损耗功率越大，发热越剧烈（如10kV/mm电场下的绝缘材料，比5kV/mm的发热功率高4倍）；电压波动（如220V电网波动至240V）会使介质损耗功率增大18%，间接提升热击穿风险。

### （三）结构设计因素（工程影响）

#### 1. 绝缘层厚度

• 厚度过薄：电场强度过高（如1mm厚绝缘层承受2kV电压，电场强度20kV/mm），易引发电击穿叠加热击穿；厚度过厚：散热路径变长，热量难以传递（如10mm厚环氧树脂绝缘层，局部温度比5mm厚的高20~30℃），需在“绝缘强度”与“散热”间平衡（如热电路常用2~5mm厚陶瓷绝缘片）。

#### 2. 热桥与局部发热点

• 绝缘层内的金属杂质、气泡等缺陷会形成“热桥”，局部电场集中导致介质损耗增大，发热加剧（如绝缘层内直径1mm的气泡，会使周边温度升高10~15℃）；热电路中绝缘层靠近发热元件的部位（如发热丝与绝缘层接触处）是局部发热点，温度比其他部位高50~80℃，易成为热击穿起始点。

#### 3. 材料拼接与密封

• 绝缘层拼接处若密封不良（如缝隙未填密封胶），会导致空气对流不畅，热量堆积（如陶瓷纤维拼接处未密封，局部温度比密封处高25~35℃）；不同材质绝缘层拼接（如有机绝缘与无机绝缘）会因热膨胀系数差异产生缝隙，引发热量积累，增加热击穿风险。

### 五、热击穿检测方法与规范

#### （一）核心检测项目（材料级）

##### 1. 热击穿电压测试

• - **检测标准**：GB/T 1408.1-2016《绝缘材料 电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》（热态扩展）。
• - **检测流程**：
  1.   - **样品准备**：裁剪100mm×100mm的绝缘材料样品（如陶瓷片、环氧树脂板），厚度按实际应用（如2mm）。
  2.   - **环境控制**：将样品放入恒温箱，设定测试温度（如25℃、50℃、100℃，模拟不同工况）。
  3.   - **施加电压**：以1kV/s的速率缓慢升高工频电压，记录样品发生击穿（出现火花、电流骤增）时的电压值，即为该温度下的热击穿电压。
  4.   - **结果判定**：若某温度下的热击穿电压≥设计要求（如热电路需≥12kV/mm），则判定合格；否则需调整材料或厚度。
• - **关键设备**：工频耐压测试仪（如华仪HY-805）、恒温箱（精度±1℃）。

##### 2. 介质损耗因数（tanδ）测试

• - **检测标准**：GB/T 1409-2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》。
• - **检测流程**：
  1.   - **样品预处理**：将样品烘干（去除湿气，避免影响tanδ），放置在25℃环境中平衡24小时。
  2.   - **测试条件**：在不同温度（25℃、50℃、100℃）和电压（1kV、2kV）下，用介损仪测量tanδ。
  3.   - **结果判定**：tanδ随温度升高的增幅≤50%（如25℃时0.01，100℃时≤0.015），且最大值≤0.03，判定合格；否则材料易发热，热击穿风险高。
• - **关键设备**：介损仪（如西林电桥、HP 4284A）。

##### 3. 耐热老化测试（长期抗热击穿能力）

• - **检测标准**：GB/T 11026.1-2021《电气绝缘材料 耐热性 第1部分：老化程序和试验结果的评定》。
• - **检测流程**：
  1.   - 将样品放入老化箱，设定老化温度（如H级绝缘180℃），持续老化1000小时。
  2.   - **老化后测试**：测量样品的热击穿电压、tanδ、绝缘电阻，与老化前对比。
  3.   - **结果判定**：热击穿电压下降幅度≤20%，tanδ增幅≤30%，绝缘电阻下降幅度≤50%，判定合格；否则材料长期使用易发生热击穿。

- **关键设备**：老化试验箱、绝缘电阻测试仪（如KEITHLEY 6517B）。（二）实际应用检测（工程级）

1. 热电路绝缘层热击穿风险评估

• 检测流程：
  1. - 工况模拟：将热电路运行在额定功率（如2kW电烤箱），稳定工作2小时；
  2. - 温度测量：使用红外测温仪测量绝缘层表面温度（重点关注靠近发热元件的部位），记录最高温度T_max；
  3. - 风险判定：若T_max≤绝缘材料耐热等级温度-20℃（如A级绝缘105℃，T_max≤85℃），则热击穿风险低；若T_max≥耐热等级温度，则需立即停机，排查散热问题或更换材料。
• 关键设备：红外测温仪（分辨率≤0.1℃）、功率计。

2. 高压设备绝缘系统热击穿检测

• 检测方法：局部放电检测（热击穿前通常伴随局部放电加剧）。
• 检测流程：
  1. - 对设备施加额定电压，使用局部放电检测仪测量放电量；
  2. - 若放电量随时间增长（如初始10pC，1小时后增至100pC），且局部温度升高，说明绝缘层存在劣化，热击穿风险高。
• 关键设备：局部放电检测仪（如TEKTRONIX PDS 6000）。

（三）核心参考标准

六、热击穿预防措施

热击穿预防需从“材料选型→结构设计→使用维护”全链条管控，核心是“减少热量产生、提升散热效率、避免温度失控”：

（一）材料选型优化（源头防控）

1. 按耐热等级匹配场景

• - 热电路发热元件周边（温度100~200℃）：选用H级（180℃）或C级（>180℃）绝缘材料（如陶瓷纤维、硅橡胶），避免选用A级（105℃）以下材料（如普通塑料）；
• - 高温工业炉（温度>300℃）：选用无机绝缘材料（如氧化铝陶瓷、高纯石英），其耐热性远优于有机材料，热击穿风险低。

2. 优先选用低介质损耗材料

• - 高频或高电压场景（如热电路高压电源）：选用tanδ<0.01的材料（如陶瓷、聚四氟乙烯），减少介质损耗发热；
• - 避免选用高温下tanδ显著增大的材料（如部分聚乙烯、橡胶），此类材料易在长期使用中积累热量。

3. 高发热场景选用高导热绝缘材料

• - 热电路中发热丝与金属外壳间的绝缘：选用氧化铝陶瓷（λ=20W/(m・K)）或金属基绝缘板（如铝基覆铜板，λ=10W/(m・K)），比聚氨酯泡沫（λ=0.025W/(m・K)）的散热效率高400倍，降低局部温度。

（二）结构设计优化（过程防控）

1. 优化绝缘层厚度与布局

• - 厚度计算：根据“工作电压+安全裕量”确定厚度（如2kV电压，选用2mm厚陶瓷片，电场强度10kV/mm，低于热击穿电压15kV/mm），避免过厚或过薄；
• - 布局设计：绝缘层远离局部发热点（如发热丝与绝缘层间距≥5mm），或在发热点周边加厚绝缘层（如3mm厚），增强绝缘强度同时预留散热空间。

2. 强化散热设计

• - 强制对流：热电路封闭空间（如电烤箱、工业炉）加装风扇（风速≥2m/s），或设计通风孔（面积≥总表面积的10%），提升散热效率；
• - 水冷辅助：高功率热电路（如10kW以上）的绝缘层周边可设计水冷通道（水流速≥0.5m/s），将局部温度控制在耐热等级温度以下20℃；
• - 避免热桥：绝缘层内避免混入金属杂质，拼接处用低介损密封胶（如硅酮密封胶，tanδ<0.02）填充，消除气泡和缝隙。

3. 增设热击穿保护装置

• - 温度监测：在绝缘层关键部位（如靠近发热元件处）埋入温度传感器（如NTC热敏电阻），实时监测温度，超阈值（如耐热等级温度-10℃）时报警或断电；
• - 过压保护：安装电压保护器，避免电网波动导致电压过高，减少介质损耗发热；
• - 示例：电烤箱绝缘层温度传感器设定阈值85℃（H级绝缘180℃，预留安全裕量），温度超85℃时，温控器切断加热电源，防止热击穿。

（三）使用维护优化（长期防控）

1. 定期检查与清洁

• - 每3~6个月检查绝缘层表面：有无碳化、变色、开裂（如环氧树脂变黑、陶瓷片碎裂），发现缺陷立即更换；
• - 清洁散热通道：清除绝缘层周边的灰尘、油污（如风扇、通风孔），避免堵塞导致散热不良（灰尘覆盖会使散热效率下降30%~50%）。

2. 避免超温超压运行

• - 严格按额定功率和电压使用设备（如2kW电烤箱不允许长时间运行在3kW功率），超功率会使绝缘层温度升高50~100℃，热击穿风险骤增；
• - 高温环境下（如夏季车间温度40℃），可降低设备负载（如降额20%使用），减少发热。

3. 老化更换

• - 绝缘材料达到设计使用年限（如有机材料5~8年，无机材料10~15年）后，即使外观无明显缺陷，也需更换，避免老化导致热击穿电压下降；
• - 关键设备（如工业炉、高压变压器）的绝缘系统，每2~3年进行一次全性能检测（热击穿电压、tanδ），不合格则整体更换。

七、热击穿典型案例与分析

（一）案例1：电烤箱绝缘层热击穿

• 现象：家用电烤箱使用3年后，运行中突然冒烟，断电后拆解发现加热腔与外壳间的玻璃棉绝缘层碳化，局部出现导电通道；成因分析：
  1. 材料选型不当：玻璃棉虽为 A 级绝缘材料（耐温 105℃），但加热腔周边长期温度高达 120℃（超出其耐热等级），导致介质损耗增加，热量积累；
  2. 散热不良：烤箱通风孔被灰尘堵塞，散热效率下降 60%，绝缘层温度持续升高至 250℃，引发碳化和热击穿。
• 解决方案：
  1. 更换绝缘材料为 H 级硅橡胶板（耐热 180℃，介质损耗角正切 tanδ=0.008），厚度从 10mm 减至 5mm，以提升散热效果；
  2. 清理通风孔，加装防尘网，并定期（每 3 个月）进行清洁；
  3. 增设温度传感器，当温度超过 150℃时自动断电保护，后续使用中未再发生热击穿。

（二）案例 2：工业炉陶瓷绝缘片热击穿

• 现象：1200℃工业炉的陶瓷绝缘片（氧化铝陶瓷）在运行中发生击穿，导致加热丝短路，炉体外壳带电。
• 成因分析：
  1. 绝缘片存在缺陷：生产过程中内部产生气泡，导致局部电场集中，介质损耗发热加剧；
  2. 散热不足：陶瓷片与金属支架接触过于紧密，缺乏散热间隙，热量无法有效传递，局部温度超过陶瓷软化温度（1600℃），引发热击穿。
• 解决方案：
  1. 更换为无缺陷的高纯氧化铝陶瓷（纯度 99%，无气泡），并在陶瓷片与支架间加装 0.5mm 厚的云母垫片，以隔热并预留散热间隙；
  2. 在陶瓷片周边设计风冷通道，风速 1.5m/s，将温度控制在 1400℃以下；
  3. 每批次陶瓷片进货时检测其热击穿电压（1200℃时≥15kV/mm），不合格产品拒收。

八、结论与技术发展建议

热击穿防控的核心在于“热平衡管控”——通过“减少热量产生（采用低介损材料）、提升散热效率（高导热 + 强制对流）、实时监测温度（传感器保护）”，确保绝缘材料温度始终低于其耐热等级温度。结合热电路、热绝缘技术的发展趋势，未来可从以下方向加强防控：

1. 新材料研发：
   • 开发兼具“低介损、高导热、耐高温”特性的一体化绝缘材料（如陶瓷基复合材料，热导率 λ=50W/(m・K)，tanδ<0.005，耐温 1500℃），从源头降低热击穿风险；
   • 研发自修复绝缘材料（如含微胶囊的环氧树脂，热劣化时微胶囊破裂释放修复剂），延长材料使用寿命，避免突发热击穿。

1. 智能化防控：
   • 集成“温度 - 局部放电 - 绝缘电阻”多参数监测系统，利用 AI 算法预测热击穿风险（如放电量增长 10 倍时发出预警），实现提前干预；
   • 开发可穿戴式绝缘监测传感器（如柔性 NTC 传感器），贴附在绝缘层表面，实时传输温度数据，适用于复杂形状的热电路绝缘层。

1. 标准化与工艺优化：
   • 完善热击穿检测标准（如制定热电路专用绝缘材料的热击穿电压测试方法），统一行业测试条件；
   • 优化绝缘层制造工艺（如陶瓷成型采用等静压技术，减少气泡；有机材料采用真空烘干，去除湿气），降低材料缺陷率。

对设计人员的建议：热击穿防控需具备“系统思维”，不能仅关注材料选型，还需结合散热设计、保护装置和维护方案，形成“材料 - 结构 - 使用”的完整防控体系。同时，应重视前期热仿真（如使用 ANSYS Icepak 模拟绝缘层温度分布），提前识别局部发热点，避免后期整改。