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固體電介質(zhì)的擊穿理論：電擊穿、熱擊穿、電化學(xué)擊穿
閱讀：4683發(fā)布時(shí)間：2024-8-19
與氣體、液體電介質(zhì)相比較，固體電介質(zhì)的擊穿特性有很大不同，主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：①固體電介質(zhì)的耐電強(qiáng)度比氣體和液體電介質(zhì)高，空氣的耐電強(qiáng)度一般為3~4kV/mm，液體的耐電強(qiáng)度為10~20kV/mm，而固體的耐電強(qiáng)度在十幾至幾百kV/mm；②周體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜, 且擊穿后其絕緣性能不可恢復(fù)。固體電介質(zhì)擊穿后會出現(xiàn)燒焦或熔化的通道、裂縫等，即使去掉外施電壓，也不能像氣體、液體電介質(zhì)那樣恢復(fù)絕緣性能，屬于非自恢復(fù)絕緣。
固體電介質(zhì)的擊穿理論
固體電介質(zhì)的擊穿與電壓作用時(shí)間有很大的關(guān)系，如圖3-21所示，并且隨電壓作用時(shí)間的不同，固體電介質(zhì)的擊穿有電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿三種不同的形式。
1. 電擊穿 電化學(xué)擊穿
固體電介質(zhì)的電擊穿理論與氣體的擊穿相似，它是建立在電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生碰撞游離的基礎(chǔ)上的。認(rèn)為是在強(qiáng)電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部少量的帶電質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離形成電子崩，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時(shí)，破壞了固體電介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?/span>
電擊穿的主要特點(diǎn)：電壓作用時(shí)間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與環(huán)境溫度、散熱條件、頻率等因素?zé)o關(guān)，但是與電場均勻度關(guān)系很大。此外和介質(zhì)特性也有很大關(guān)系，如果介質(zhì)中有氣孔或其他缺陷，電場會產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低。
2.熱擊穿
對于固體電介質(zhì)的熱擊穿，很多學(xué)者都做過實(shí)驗(yàn)和理論研究，然而要定量進(jìn)行討論卻十分復(fù)雜。下面介紹簡單實(shí)用的瓦格納熱擊穿理論。
瓦格納熱擊穿模型如圖 3-22所示，假設(shè)固體介質(zhì)置于平板電極a與b之間，該介質(zhì)有一處或幾處的電陽比其周圍小得多，構(gòu)成電介質(zhì)中的低阻導(dǎo)電通道。如通道的橫截面積為S，長度為d，電導(dǎo)率為γ，當(dāng)加上直流電壓U后電流便主要集中在這導(dǎo)電通道內(nèi)，則每秒鐘內(nèi)導(dǎo)電通道由于電流通過而產(chǎn)生的熱量為
每秒鐘由導(dǎo)電通道向周圍介質(zhì)散出的熱量與通道長度d、通道平均溫度T與周圍介質(zhì)溫度T0的溫度差(T-T0)成正比，即散熱量為
式中：β為散熱系數(shù)。電介質(zhì)導(dǎo)電通道的電導(dǎo)率γ與溫度的關(guān)系為
式中：γ0為導(dǎo)電電通道在溫度T0時(shí)的電導(dǎo)率；α為溫度系數(shù)。
由上可知，γ是溫度的函數(shù)，所以發(fā)熱量Q1也是溫度的函數(shù)，因此對于不同的電壓值U，Q1與T的關(guān)系是一族指數(shù)曲線，如圖3-23所示。曲線1、2、3分別為電源U1、U2、U3(U1>U2>U3)作用下，介質(zhì)發(fā)熱量與介質(zhì)導(dǎo)電通道溫度的關(guān)系。而散熱量Q2與溫度差(T-T0)成正比，如圖中曲線4所示。
從圖3-23可看出，曲線1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3與曲線4有兩個(gè)交點(diǎn)，Q1=Q2。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)。曲線2與曲線4相切，切點(diǎn)c是個(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。可見，曲線2是介質(zhì)熱穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)的分界線，所以電壓U2確定為熱擊穿的臨界電壓，Tc為熱擊穿的臨界溫度。相應(yīng)于切點(diǎn)c的熱擊穿臨界電壓：
熱擊穿的主要特點(diǎn)：發(fā)生熱擊穿時(shí)，介質(zhì)溫度尤其是熱擊穿通道處的溫度特別高，熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降，隨外施電壓作用時(shí)間的增長而下降，隨外施電壓頻率的增高而下降。周圍媒質(zhì)的散熱條件越差，熱擊穿電壓越低,固體電介質(zhì)的厚度增加或其tanδ增大都會使介質(zhì)發(fā)熱量增大，導(dǎo)致熱擊穿電壓下降。
3.電化學(xué)擊穿(電老化)
電介質(zhì)在運(yùn)行中長期受到電、熱、化學(xué)和機(jī)械力等作用，使其物理、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化，最終導(dǎo)致?lián)舸?，這種過程稱為電化學(xué)擊穿。電化學(xué)擊穿是一個(gè)復(fù)雜的緩慢過程，是電介質(zhì)內(nèi)部和邊緣處存在的氣泡、氣隙長期在工作電壓作用下發(fā)生電暈或局部放電，產(chǎn)生臭氧、二氧化氮等氣體，氧化、腐蝕絕緣，產(chǎn)生熱量，增大局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗，甚至造成局部燒焦絕緣以及氣體游離，產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)撞擊、破壞絕緣等綜合作用的結(jié)果。所有這些情況都將導(dǎo)致絕緣劣化、擊穿強(qiáng)度下降，以致在長時(shí)期電壓作用下發(fā)生熱擊穿，或者在短時(shí)過電壓作用下發(fā)生電擊穿。電化學(xué)擊穿是固體電介質(zhì)在電壓長期作用下劣化、老化而引起的，它與固體電介質(zhì)本身的制造工藝、工作條件等有密切關(guān)系，并且電化學(xué)擊穿的擊穿電壓比電擊穿和熱擊穿更低，甚至在工作電壓下就可能發(fā)生。所以對固體電介質(zhì)的電化學(xué)擊穿應(yīng)引起足夠的重視。
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