介質(zhì)擊穿電場強(qiáng)度試驗(yàn)儀-ZJC-150kV

一、主要技術(shù)指標(biāo)：

1,、輸入電壓：AC220V 50Hz 

2,、輸出電壓：AC：0～150kV； DC：0～150kV

3,、輸出功率：15kVA

4,、測(cè)量范圍：AC15～150kV,； DC15～150kV

5、測(cè)量誤差： ≤ 1％

6,、升壓速率： 0.01kV/s～5kV/s

7,、耐壓時(shí)間：0～8H

8、漏電流： 1～30 mA可由計(jì)算機(jī)軟件自由進(jìn)行設(shè)定

9,、電源 ：交流220V±10%的單相交流電壓和50Hz±1%的頻率

10,、試驗(yàn)環(huán)境溫度：15 ～ 30℃，相對(duì)濕度：0～85%能夠穩(wěn)定運(yùn)行,。

11,、外形尺寸長×寬×高：1980mm×1220 mm×1750mm（參考）

12、設(shè)備自重：350Kg（參考）

13,、接地要求儀器需要單獨(dú)接地,，接地附合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，金屬棒深埋地下至少要1.5米以下

二,、結(jié)構(gòu)原理及性能特點(diǎn)：

1,、主要由：升壓系統(tǒng)(高壓變壓器)、測(cè)量系統(tǒng),、A/D轉(zhuǎn)換器,、放電系統(tǒng)、電極,、油箱,、電極定位架、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),、軟件等組成,；

2、計(jì)算機(jī)---A/D轉(zhuǎn)換器---測(cè)量控制系統(tǒng)---調(diào)壓裝置----升壓變壓器-----試樣,；

3,、高壓變壓器主要產(chǎn)生試樣所需的直流電壓；

4,、調(diào)壓器用于調(diào)節(jié)升壓變壓器輸入端電壓以產(chǎn)生高壓所需的輸入電壓,；

5、電壓測(cè)量主要是從高壓變壓器測(cè)量端測(cè)量,，高壓變壓器測(cè)量端和高壓端是線性的,；

6、放電系統(tǒng)在試驗(yàn)做完以后放電,，以免產(chǎn)生放電對(duì)人身的危害,；

固體介質(zhì)的擊穿的介紹：

1  概 述

介質(zhì)擊穿

Ub 為擊穿電壓（擊穿電場Eb=Ub/d ，d為介質(zhì)厚度）

•     擊穿的分類

? 本征擊穿（Intrinsic Breakdown）：電擊穿

? 非本征擊穿：熱擊穿（Thermal Breakdown）

? 放電擊穿（Discharge Breakdown）

•     介質(zhì)擊穿兩種情況

? 發(fā)生久性變化（或叫不可逆變化）：如固體介質(zhì)擊穿。

? 發(fā)生可恢復(fù)性變化：介質(zhì)在電場的作用下被擊穿,，把外電 場撤除后,，介質(zhì)又恢復(fù)其絕緣性能，如氣體,。

? “自愈現(xiàn)象”（Self-Healing），如金屬化紙介電容器 ,。

•     固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律

1. 固體介質(zhì)的擊穿電場大于液體和氣體介質(zhì)

Eb （氣體） =3×106V/m

Eb （液體） =107~108V/m

Eb （固體） =108~109V/m

2. 固體介質(zhì)擊穿是破壞性的

3. 擊穿的發(fā)展過程

? 介電性能的破壞：絕緣變成導(dǎo)體（電擊穿）

? 介質(zhì)本身的破壞：有明顯的擊穿通道（熱擊穿,、機(jī)械擊 穿）

4. 擊穿與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)：

電極形狀、媒質(zhì),、散熱條件,、電壓類型、加壓時(shí)間,、厚度

電擊穿的特點(diǎn)

①擊穿前的強(qiáng)電場 ,，符合玻爾定律： I = I0 eAU   或弗蘭克爾定律： I = I0 eB   U

②擊穿場強(qiáng)高，擊穿電場范圍較窄108~109V/m       

③在均勻電場中,，電擊穿發(fā)生時(shí)的電場強(qiáng)度直到厚度為 0.1u-1u范圍都與厚度無關(guān),。                        

④擊穿場強(qiáng)與周圍媒質(zhì)溫度無關(guān)                     

⑤擊穿場強(qiáng)與加壓時(shí)間無關(guān)

電擊穿必須滿足：

電導(dǎo)率γ 小、tgδ小,、散熱條件好,，無氣隙、無邊緣放電

熱擊穿的特點(diǎn)

電擊穿和熱擊穿的判斷

熱擊穿電壓比電擊穿電壓較低

固體介質(zhì)的熱擊穿理論

兩點(diǎn)結(jié)論：

?熱擊穿電壓Ub與溫度T密切有關(guān),，和電阻率ρ與溫度 的關(guān)系相同,，只是指數(shù)減半，logUb的斜率差不多為  logρ斜率的一半,；

?熱擊穿電壓Ub與溝道長度d成正比,，但實(shí)驗(yàn)未證實(shí)。

概念：電擊穿為固體介質(zhì)的本征擊穿,。

產(chǎn)生原因：電子過程——電子碰撞電離

近代關(guān)于固體介質(zhì)電擊穿的理論,。

按照擊穿發(fā)生的判定條件，電擊穿理論分為兩大類：

1. 以碰撞電離開始作為擊穿判據(jù),，這類理論為碰撞電 離理論,，或稱本征電擊穿理論；

2. 以電離開始后,，電子倍增到一定數(shù)值,，足以破壞介 質(zhì)絕緣狀態(tài)作為擊穿判據(jù)，這類理論稱為“雪崩”擊穿 理論,。

碰撞電離理論

單位時(shí)間內(nèi),，電子從電場獲得能量為A，同時(shí)與晶格碰撞  失去能量為B,。晶格波能量是量子化?ω的,，電子與晶格波

的交換能應(yīng)為其整數(shù)倍n?ω,。

平衡狀態(tài)：

當(dāng)電場提高使平衡狀態(tài)破壞時(shí)A＞B，碰撞電離立即發(fā)生,。 由上式確定碰撞電離開始發(fā)生的起始場強(qiáng),，并作為介質(zhì)擊 穿場強(qiáng)。

希伯爾低能判據(jù)

A與B在數(shù)值上有三種情形：

?當(dāng)電場較弱時(shí),，A＜B,，電子將損失能量達(dá)到其穩(wěn)定值；    ?A＝B時(shí),，為平衡狀態(tài),，對(duì)應(yīng)電子的最大能量，臨界能量 ξc ?A＞B時(shí),，電子將不斷從電場中獲得能量,。

EH為希伯爾場強(qiáng)，或臨界擊穿場強(qiáng),。

電場要使具有這樣小能量以上的所有電子加速才能導(dǎo)致

擊穿,，故稱為慢電子擊穿理論。

①當(dāng)電場E很低時(shí),，A(E1)與B相交于兩點(diǎn),，電子能量ξ1＜ ξ＜ξ2的電子，由于損耗大于獲得,，將不斷損失其能量 直至降低到ξ1而建立平衡時(shí)為止,。若ξ＜ξ1，則A＞B電 子能量增加,，直至ξ＝ξ1達(dá)到平衡,，電導(dǎo)的穩(wěn)定狀態(tài)不 會(huì)破壞，電強(qiáng)度也不致破壞,。

②當(dāng)電場E很高時(shí),，在任何情形下總是A(E2)＞B，肯定發(fā) 生擊穿,。

③當(dāng)電場為某一臨界場強(qiáng)EH時(shí),，A(EH)曲線與B曲線相切， 切點(diǎn)對(duì)應(yīng)于B＝f2 (ξ)為最大值處,，此時(shí)平衡關(guān)系成立,，

即A(EH ,ξc ) = B(T0 ,ξc )

弗洛里赫高能判據(jù)

晶體電擊穿是一些高能量的快電子碰撞電離引起，而不需要 所有的慢電子參與,，電場只需加速部分高能量（接近晶格電離能）的電子即可使晶體擊穿,。

有兩種可能情況：

ξ′ >  ξ3  > Wi                    ①如此大能量的電子數(shù)極少，且速度快、碰撞頻繁,、自由程短,，不易積累能量，電子崩不易形成,。

ξ2  <  ξ′ < Wi                   ②由于A＞B,，電子在電場作用下被加速而能量增至Wi，產(chǎn)生 碰撞電離并導(dǎo)致?lián)舸?。處于ξ＜Wi狀態(tài)的電子,，存在時(shí)間   長，在經(jīng)過較長的自由行程后,，積累足夠大的能量,，易形成 電子崩,，使電強(qiáng)度破壞達(dá)到擊穿,，因此只要能量ξ稍小于Wi 的電子被加速，就能導(dǎo)致?lián)舸?/span>

碰撞電離理論

堿鹵晶體擊穿場強(qiáng)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值

?希伯爾電場充分但不必要：欲加速幾乎全部電子,，所需 的電場強(qiáng)度自然偏高,。

?弗洛里赫電場必要但不充分，計(jì)算出的電場自然偏低,。

“雪崩”電擊穿理論

（1）碰撞電離雪崩擊穿

Seitz理論：一個(gè)電子從陰極出發(fā),，經(jīng)過約40次碰撞 電離，介質(zhì)材料即被破壞,，又稱為“40繁代理論”,。

設(shè)電場強(qiáng)度E=108V/m，電子遷移率μ≈10-4m2/V · s,， 擴(kuò)散系數(shù)D≈10-4m2/s,。

在t=1μ s內(nèi)，電子運(yùn)動(dòng)長度為1cm,，崩頭的擴(kuò)散半徑

約為

在該圓柱體中原子數(shù)為

πr2 × 10?2 × 1029  ≈ 1017

設(shè)破壞晶格原子所需能量約為10eV,，即破壞圓柱體內(nèi)所有 原子所需能量為：1018eV。

每個(gè)電子經(jīng)過1cm從電場中獲得的能量約為106eV,，故只要

有1012個(gè)電子就破壞介質(zhì)晶格,。碰撞電離過程中電子數(shù)以

2 α增加

2α = 1012

α = 40

隧道擊穿

由于隧道效應(yīng)使介質(zhì)中電流增   大，介質(zhì)失去絕緣性能的現(xiàn)象稱 為隧道擊穿,。

隧道電流為：

A,、B為與電極－介質(zhì)間功函數(shù)有 關(guān)的常數(shù)，與溫度關(guān)系不大,。   這個(gè)公式給出,，從電極進(jìn)入介質(zhì) 導(dǎo)帶的隧道電流的密度與場強(qiáng)的 關(guān)系。

電極至介質(zhì)隧道電流密度：

① 在強(qiáng)電場時(shí)隧道電流隨場強(qiáng)的增大而迅速增大，因 而必將導(dǎo)致介質(zhì)失去絕緣性能,。

② 福蘭茲提出用隧道電流導(dǎo)致介質(zhì)溫升達(dá)到一定溫度 （臨界溫度Tc）作為介質(zhì)隧道擊穿的判據(jù),。

③ 隧道電流與禁帶寬度有密切關(guān)系，禁帶狹窄時(shí),，較 低場強(qiáng)下就有很大的隧道電流,。

機(jī)械擊穿

局部放電引起的擊穿

在工程上要制取一種連續(xù)均勻的固體介質(zhì)材料是困難的， 通常固體介質(zhì)中含有氣隙,，以下兩種形式：             

（1）電極與介質(zhì)層之間留有氣隙                     

（2）介質(zhì)內(nèi)部存在氣隙或氣泡

在外施電壓作用下,，當(dāng)擊穿場強(qiáng)較低的氣體（氣隙或氣泡）中的局部電場強(qiáng)度達(dá)到氣體的擊穿場強(qiáng)時(shí)，這部分氣 體開始放電,，使介質(zhì)發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿,，這種現(xiàn) 象被稱為局部放電擊穿。

關(guān)鍵詞：介質(zhì)擊穿電場強(qiáng)度試驗(yàn)儀-ZJC-150kV 電壓擊穿場強(qiáng)測(cè)試儀