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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：3658發(fā)布時間：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：①固體電介質(zhì)的耐電強度比氣體和液體電介質(zhì)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(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間有很大的關(guān)系,，如圖3-21所示,，并且隨電壓作用時間的不同，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)為是在強電場作用下,，電介質(zhì)內(nèi)部少量的帶電質(zhì)點劇烈運動，發(fā)生碰撞游離形成電子崩,，當(dāng)電子崩足夠強時,，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：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?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)者都做過實驗和理論研究,，然而要定量進行討論卻十分復(fù)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(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(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c是個不穩(wěn)定的熱平衡點。因為當(dāng)導(dǎo)電通道溫度T<Tc時,，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,，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,?？梢姡€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(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)在運行中長期受到電、熱,、化學(xué)和機械力等作用,，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(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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