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固體電介質的擊穿理論：電擊穿,、熱擊穿,、電化學擊穿
閱讀：5267發(fā)布時間：2024-8-19
與氣體、液體電介質相比較,，固體電介質的擊穿特性有很大不同,，主要表現(xiàn)為以下兩點：①固體電介質的耐電強度比氣體和液體電介質高,，空氣的耐電強度一般為3~4kV/mm，液體的耐電強度為10~20kV/mm,，而固體的耐電強度在十幾至幾百kV/mm,；②周體電介質的擊穿過程最復雜, 且擊穿后其絕緣性能不可恢復,。固體電介質擊穿后會出現(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,、液體電介質那樣恢復絕緣性能，屬于非自恢復絕緣,。
固體電介質的擊穿理論
固體電介質的擊穿與電壓作用時間有很大的關系,，如圖3-21所示，并且隨電壓作用時間的不同,，固體電介質的擊穿有電擊穿,、熱擊穿和電化學擊穿三種不同的形式。
1. 電擊穿 電化學擊穿
固體電介質的電擊穿理論與氣體的擊穿相似,，它是建立在電介質內部發(fā)生碰撞游離的基礎上的,。認為是在強電場作用下，電介質內部少量的帶電質點劇烈運動,，發(fā)生碰撞游離形成電子崩,，當電子崩足夠強時，破壞了固體電介質的晶格結構導致?lián)舸?/span>
電擊穿的主要特點：電壓作用時間短,，擊穿電壓高,，擊穿電壓與環(huán)境溫度、散熱條件,、頻率等因素無關,，但是與電場均勻度關系很大。此外和介質特性也有很大關系,，如果介質中有氣孔或其他缺陷,，電場會產生畸變，從而導致介質擊穿電壓降低,。
2.熱擊穿
對于固體電介質的熱擊穿,，很多學者都做過實驗和理論研究，然而要定量進行討論卻十分復雜,。下面介紹簡單實用的瓦格納熱擊穿理論,。
瓦格納熱擊穿模型如圖 3-22所示，假設固體介質置于平板電極a與b之間,，該介質有一處或幾處的電陽比其周圍小得多,，構成電介質中的低阻導電通道,。如通道的橫截面積為S，長度為d,，電導率為γ,，當加上直流電壓U后電流便主要集中在這導電通道內，則每秒鐘內導電通道由于電流通過而產生的熱量為
每秒鐘由導電通道向周圍介質散出的熱量與通道長度d,、通道平均溫度T與周圍介質溫度T0的溫度差(T-T0)成正比,，即散熱量為
式中：β為散熱系數。電介質導電通道的電導率γ與溫度的關系為
式中：γ0為導電電通道在溫度T0時的電導率,；α為溫度系數,。
由上可知，γ是溫度的函數,，所以發(fā)熱量Q1也是溫度的函數,，因此對于不同的電壓值U，Q1與T的關系是一族指數曲線,，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,，介質發(fā)熱量與介質導電通道溫度的關系,。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，固體介質內發(fā)熱量Q1總是大于散熱量Q2,，在任何溫度下都不會達到熱平衡,，電介質的溫度將不斷地升高，最后導致介質熱擊穿,。曲線3與曲線4有兩個交點,，Q1=Q2。由于發(fā)熱量等于散熱量,，此兩點稱為熱平衡點,，a點是穩(wěn)定的熱平衡點，b點是不穩(wěn)定的熱平衡點,。因而電介質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c是個不穩(wěn)定的熱平衡點。因為當導電通道溫度T<Tc時,，電介質發(fā)熱量大于散熱量,，溫度將上升到Tc。而當T>Tc時,，發(fā)熱量也大于散熱量,，導電通道的溫度將不斷上升，導致熱擊穿,?？梢姡€2是介質熱穩(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,。相應于切點c的熱擊穿臨界電壓：
熱擊穿的主要特點：發(fā)生熱擊穿時,，介質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規(guī)律下降,，隨外施電壓作用時間的增長而下降,，隨外施電壓頻率的增高而下降。周圍媒質的散熱條件越差,，熱擊穿電壓越低,固體電介質的厚度增加或其tanδ增大都會使介質發(fā)熱量增大,，導致熱擊穿電壓下降。
3.電化學擊穿(電老化)
電介質在運行中長期受到電,、熱,、化學和機械力等作用，使其物理,、化學性能發(fā)生不可逆的劣化,，最終導致?lián)舸@種過程稱為電化學擊穿,。電化學擊穿是一個復雜的緩慢過程,，是電介質內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,，產生臭氧,、二氧化氮等氣體，氧化,、腐蝕絕緣,，產生熱量，增大局部電導和介質損耗,，甚至造成局部燒焦絕緣以及氣體游離,，產生帶電質點撞擊、破壞絕緣等綜合作用的結果。所有這些情況都將導致絕緣劣化,、擊穿強度下降,，以致在長時期電壓作用下發(fā)生熱擊穿，或者在短時過電壓作用下發(fā)生電擊穿,。電化學擊穿是固體電介質在電壓長期作用下劣化,、老化而引起的，它與固體電介質本身的制造工藝,、工作條件等有密切關系,，并且電化學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,。所以對固體電介質的電化學擊穿應引起足夠的重視,。
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