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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

更新時間:2024-08-19      點擊次數(shù):2694

固體電介質(zhì)的擊穿

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(qiáng)度比氣體和液體電介質(zhì)高,空氣的耐電強(qiáng)度一般為3~4kV/mm,液體的耐電強(qiáng)度為10~20kV/mm,而固體的耐電強(qiáng)度在十幾至百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。

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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(qiáng)電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)部少量的帶電質(zhì)點劇烈運(yùn)動,發(fā)生碰撞游離形成電子崩,當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)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(jìn)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

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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

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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

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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。

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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(dá)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?,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:

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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(yùn)行中長期受到電、熱、化學(xué)和機(jī)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(qiáng)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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