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固體電介質(zhì)的擊穿理論：電擊穿,、熱擊穿、電化學擊穿
閱讀：4648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,、熱擊穿和電化學擊穿三種不同的形式。
1. 電擊穿 電化學擊穿
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,、頻率等因素無關(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?，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.電化學擊穿(電老化)
電介質(zhì)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(dǎo)致?lián)舸@種過程稱為電化學擊穿,。電化學擊穿是一個復(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)的電化學擊穿應(yīng)引起足夠的重視。
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