固體電介質(zhì)的擊穿理論：電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿

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)的擊穿過程最復雜, 且擊穿后其絕緣性能不可恢復。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)那樣恢復絕緣性能，屬于非自恢復絕緣。

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(nèi)，則每秒鐘內(nèi)導電通道由于電流通過而產(chǎn)生的熱量為

每秒鐘由導電通道向周圍介質(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)導電通道的電導率γ與溫度的關(guān)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(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，導電通道的溫度將不斷上升，導致熱擊穿。可見，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(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)的電化學擊穿應引起足夠的重視。