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固體電介質擊穿

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固體電介質擊穿是在強電場作用下,固體電介質喪失電絕緣能力而由絕緣狀態突變為良導電狀態。

1 固體電介質擊穿 -固體電介質擊穿

 

2 固體電介質擊穿 -正文

  在強電場作用下,固體電介質喪失電絕緣能力而由絕緣狀態突變為良導電狀態。導致擊穿的最低臨界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場中,擊穿電壓與固體電介質厚度之比稱為擊穿電場強度(簡稱擊穿場強,又稱介電強度),它反映固體電介質自身的耐電強度。不均勻電場中,擊穿電壓與擊穿處固體電介質厚度之比稱為平均擊穿場強,它低於均勻電場中固體電介質的介電強度。固體電介質發生擊穿后,由於有巨大的電流通過,電介質中會出現熔化或燒焦的通道,或出現機械損傷的裂紋。固體電介質的這些變化是不可逆的,不能自己恢復原來的絕緣性能。脆性固體電介質擊穿時,常發生材料的碎裂,故可用擊穿效應來破碎非金屬礦石等。
  擊穿形式  根據擊穿的發展過程,固體電介質的擊穿可分為3種形式:電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿。它們的一般特徵如表所示。同一種電介質中發生何種形式的擊穿,取決於不同的外界因素。隨著擊穿過程中固體電介質內部的變化,擊穿過程可以從一種形式轉變為另一種形式。

固體電介質擊穿固體電介質擊穿

  電擊穿  取決於固體電介質中碰撞電離的一種擊穿形式。電場使電介質中積聚起足夠數量和足夠能量的帶電質點,導致電介質喪失絕緣性能。對於電擊穿有以下幾種不同的理論解釋:本徵擊穿、電子崩擊穿和電致機械應力擊穿,通常以本徵擊穿代表電擊穿,所以電擊穿有時又稱本徵擊穿。本徵擊穿過程所需時間為10-8s數量級,擊穿場強大於1MV/cm。
  固體電介質內總會存在少量自由傳導(處於導帶的)電子。在電場作用下,它們會從電場獲取能量。單位時間內這些電子取得的能量A與電場強度E、電子本身能量W、點格溫度T有關。另一方面,傳導電子也將因與固體電介質點格發生碰撞而失去一部分能量。單位時間內傳導電子失去的能量BWT有關。當點格溫度T為定值時,ABW的關係如圖1所示。固體電介質擊穿圖中E2>EC>E1。當外加電場為E2>EC時,因一部分傳導電子的能量處於W2WC之間,單位時間內這些電子獲得的能量A始終大於失去的能量B,電子被加速,碰撞點格時產生電離,使處於導帶的電子不斷增加,電流急劇上升,最終導致固體電介質擊穿。當外加電場為E1<EC時,雖然偶而會有能量大於W1的電子出現,且因此時A>B而使點格發生碰撞電離、產生新的傳導電子;但因電子能量大於W1的概率很低,所以傳導電子不斷增多的過程很難出現,固體電介質不會擊穿。處於臨界狀態的EC即為固體電介質的介電強度。
  熱擊穿  在電場作用下,固體電介質承受的電場強度雖不足以發生電擊穿,但因電介質內部熱量積累、溫度過高而導致失去絕緣能力,從而由絕緣狀態突變為良導電狀態。
  固體電介質在電場作用下將因電導和極化損耗而發熱。單位時間內固體電介質的發熱量A與作用電壓U、介質溫度t有關。另一方面固體電介質也將向四周散發熱量。單位時間內固體電介質的散熱量B與(t-t0)有關(t0為環境溫度)。ABt的關係如圖2所示。固體電介質擊穿圖中U2>UC>U1。當外加電壓U2>UC時,固體電介質中的發熱量A大於散熱量B,介質溫度上升,且因A始終大於B,所以固體電介質的溫度不斷上升,最終介質被燒焦、燒熔或燒裂,喪失絕緣性能,發生熱擊穿。當外加電壓U1<UC時,雖然開始時A>B,固體電介質溫度上升;但當溫度升到t1時,發熱量A與散熱量B相等,建立起了熱平衡。此時,若介質能耐受溫度t1的作用,則固體電介質能正常工作,不會發生熱擊穿。當外加電壓等於UC時,當介質溫度升到t2時,建立起了熱平衡,但不穩定。溫度略有升高,發熱量A即大於散熱量B,最終仍然發生熱擊穿。電壓UC是發生熱擊穿的臨界電壓。
  電化學擊穿  在電場、溫度等因素作用下,固體電介質發生緩慢的化學變化,性能逐漸劣化,最終喪失絕緣能力,從而由絕緣狀態突變為良導電狀態。電化學擊穿過程包括兩部分:因固體電介質發生化學變化而引起的電介質老化;與老化有關的擊穿過程。
  固體電介質發生緩慢化學變化的原因多種多樣。直流電壓下,固體電介質因離子電導而發生電解,結果在電極附近形成導電的金屬樹枝狀物,甚至從一個電極伸展到另一個電極。在電場作用下,固體電介質內部的氣泡中,或不同固體電介質之間的氣隙或油隙中,會發生局部放電。與固體電介質接觸的電極邊緣場強較強的局部區域內如有氣體或液體電介質,這裡也會發生局部放電。局部放電的長期作用會使固體電介質逐步損壞。空氣中的放電將形成臭氧、氮的氧化物等化學性質活潑的物質,它們會使固體電介質發生化學變化。對有機固體電介質,在電極上尖端處或微小空氣隙處,會發生樹枝狀放電,並留下炭化痕迹。
  電場越強,溫度越高,電壓作用時間越長,固體電介質的化學變化進行得越強烈,其性能的劣化也越嚴重。
  固體電介質的化學變化通常使其電導增加,這會使固體電介質的溫度上升,因而電化學擊穿的最終形式是熱擊穿。
  影響因素  影響固體電介質擊穿電壓的主要因素有:電場的不均勻程度,作用電壓的種類及施加的時間,溫度,固體電介質性能、結構,電壓作用次數,機械負荷,受潮等。
  ①電場的不均勻程度:均勻、緻密的固體電介質在均勻電場中的擊穿場強可達1~10MV/cm。擊穿場強決定於物質的內部結構,與外界因素的關係較小。當電介質厚度增加時,由於電介質本身的不均勻性,擊穿場強會下降。當厚度極小時 (<10-3~10-4cm),擊穿場強又會增加。電場越不均勻,擊穿場強下降越多。電場局部加強處容易產生局部放電,在局部放電的長時間作用下,固體電介質將產生化學擊穿。
  ②作用電壓時間、種類:固體電介質的三種擊穿形式與電壓作用時間有密切關係 (圖3)。固體電介質擊穿同一種固體電介質,在相同電場分佈下,其雷電衝擊擊穿電壓通常大於工頻擊穿電壓,且直流擊穿電壓也大於工頻擊穿電壓。交流電壓頻率增高時,由於局部放電更強,介質損耗更大,發熱嚴重,更易發生熱擊穿或導致化學擊穿提前到來。
  ③溫度:當溫度較低,處於電擊穿範圍內時,固體電介質的擊穿場強與溫度基本無關。當溫度稍高,固體電介質可能發生熱擊穿。周圍溫度越高,散熱條件越差,熱擊穿電壓就越低。
  ④固體電介質性能、結構:工程用固體電介質往往不很均勻、緻密,其中的氣孔或其他缺陷會使電場畸變,損害固體電介質。電介質厚度過大,會使電場分佈不均勻,散熱不易,降低擊穿場強。固體電介質本身的導熱性好,電導率或介質損耗小,則熱擊穿電壓會提高。
  ⑤電壓作用次數:當電壓作用時間不夠長,或電場強度不夠高時,電介質中可能來不及發生完全擊穿,而只發生不完全擊穿。這種現象在極不均勻電場中和雷電衝擊電壓作用下特別顯著。在電壓的多次作用下,一系列的不完全擊穿將導致介質的完全擊穿。由不完全擊穿導致固體電介質性能劣化而積累起來的效應稱為累積效應。
  ⑥機械負荷:固體電介質承受機械負荷時,若材料開裂或出現微觀裂縫,擊穿電壓將下降。
  ⑦受潮:固體電介質受潮后,擊穿電壓將下降。
  提高擊穿電壓措施  根據固體電介質的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素,提高固體電介質擊穿電壓的主要措施有:①改善電場分佈(見電場調整),如電極邊緣的固體電介質表面塗半導電漆;②調整多層絕緣中各層電介質所承受的電壓;③對多孔性、纖維性材料經乾燥后浸油、浸漆,以防止吸潮,提高局部放電起始電壓;④加強冷卻,提高熱擊穿電壓;⑤改善環境條件,防止高溫,避免潮氣、臭氧等有害物質的侵蝕。

 

3 固體電介質擊穿 -配圖

 

4 固體電介質擊穿 -相關連接

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