固体电介质的击穿

图3-17 获得均匀电场的电极试样系统
若试样厚度t与下凹部分最小厚度d之比足够大 （比值不小于5～10），则击穿往往发生在足够均匀 电场的最小厚度处。
但并非所有的 固体电介质都能实 现，例如云母、有 机薄膜等介质困难 就较大。对于这类 固体电介质，通常 采用简单电极试样 系统。
图3-17 获得均匀电场的电极试样系统
➢以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足 以破坏电介质结构作为击穿判据。称这类理论为雪 崩击穿理论。
1. 本征电击穿理论
在电场E的作用下，电子被加速，因此电子单位 时间从电场获得的能量可表示为
A A(E,u)
(3-38)
式中，u—电子能量。
电子在其运动中与晶格振动相互作用而发生能量的 交换。由于晶格振动与温度有关，所以B可写为
当电压再继续上升时，放电依次重复发生。当 外施电压U经峰值后下降，分配在Cg上的电压也相 应降低。
当U降至一定值时，
它将低于Cb在Cg放电时 已充上的电压，则Cb向 Cg反充电，在Cg上的电
压达到﹣Ug时发生反向
放电，放电后Cg上的电
压下降至﹣Ur时放电熄
3. 不均匀电介质的击穿
不均匀电介质击穿是指包括固体、液体或气体组 合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。与单一均匀材 料的击穿不同，击穿往往是从耐电强度低的气体开始， 表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体 介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。
由于实际固体介质击穿还伴随有机械、热的、化 学的等复杂过程，因而至今还没有建立起可以满意地 解释所有击穿现象的理论，但是已经有了一些能够较 好说明部分现象的理论，以下将分别加以讨论。
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3.3.3 不均匀电介质的击穿 1. 复合电介质的击穿
➢双层复合电介质的击穿
➢边缘效应及其消除方法
（1）双层复合电介质的击穿
设一双层复合电介质模型及其等效电路如图316所示。双层介质的厚度、电导率及介电常数分别
为d1、d2、 1 、 2 和 1 、 2 ，外施电压为U及两层介
质中场强分别E1、E2。
电介质击穿 场强与电压作用 时间的关系及不 同击穿形式的范 围示于图3-13。
图3-13 固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系
1. 热击穿
热击穿是由于电介质内部热不稳定过程所造 成的。当固体电介质加上电场时，电介质中发生 的损耗将引起发热，使介质温度升高。
电介质的热击穿不仅与材料的性能有关，还 在很大程度上与绝缘结构（电极的配置与散热条 件）及电压种类、环境温度等有关，因此热击穿 强度不能看作是电介质材料的本征特性参数。
其中Cg为空气隙的电容 ，Cb为与空气隙串联 的电介质的电容，Ca为除Cb、Cg以外其余电介质
的电容。通常气隙尺寸很小，有Ca＞＞Cg＞＞Cb。
电极间的全部电容为
C Ca
CgCb Cg Cb
Ca
Cb
(3-43)
图3-18 固体电介质中气隙放电及其等效电路
如果电极间加上瞬时值为u的交变电压，当介 质的tanδ很小时，则Cg上分配到的电压瞬时值为
Uc
0
T0
de 2
0.24 Se
(3-31)
图3-15 发热与散热曲线
2. 均匀固体电介质热击穿电压的确定
考虑到介质材料通常是在长时间的交、直流电压 或短时间作用的脉冲电压下工作的，所以可以近似化 为两种极端情况来讨论此类方程式的求解问题：
➢电压作用时间很短，散热来不及进行的情况，称 这种情况下的击穿为脉冲热击穿;
，Tc
T0
，
Ec
3cvT02
0 tc
1/ 2
e / 2T0
(3-35)
此式给出了击穿场强与击穿时间的关系。
（2）稳态热击穿
热击穿临界电压为
U
2 oc
8
K Tc
T0
dT
(3-36)
如环境温度不高时， T0 ，Tc T0
可近似为
U 0c
(8KT02
)
1 2
e
/
2T0
0
，上式积分 (3-37)
3.3 固体电介质的击穿
当施加于电介质的电场增大到相当强时，电介 质的电导就不服从欧姆定律了，实验表明，电介质 在强电场下的电流密度按指数规律随电场强度增加 而增加，当电场进一步增强到某个临界值时，电介 质的电导突然剧增，电介质便由绝缘状态变为导电 状态，这一跃变现象称为电介质的击穿。
介质发生击穿时，通 过介质的电流剧烈地增加， 通常以介质伏安特性斜率 趋向于∞作为击穿发生的 标志（见图3-12）。发生 击穿时的临界电压称为电 介质的击穿电压，相应的 电场强度称为电介质的击 穿场强。
击穿。
（2）边缘效应及其消除方法
为了研究固体电介质本征击穿的物理常数—— 耐电强度，必须采用消除边缘的方法，使固体电介 质能在足够均匀的电场下发生电击穿。
为了得到均匀电场消除边缘效应，其方法之一 就是将电极试样系统做成一定的尺寸和形状，一般 采用把试样制作为凹面状如图3-17所示。
消除边缘效应的方法之二是选用适当的媒质， 使在固体电介质击穿之前媒质中所分配到的电场度 低于其击穿值。
电导率成反比。如 1 = 2 ，则E1=E2=E；如 1 与 2 相差很大，其中必有一层电介质的场强大于 E，例如E1＞E，则当E1达到第一层电介质的击穿
场强E1b时，引起该层电介质击穿。第一层击穿后， 全部电压加在第二层上使E2因此大为畸变，通常 导致第二层电介质随之击穿，即引起全部电介质
导电通道温度t＜tc时，电介
质发热量大于散热量，温度
将上升到tc；而当t＞tc 时，发
热量也大于散热量，导电通
道的温度将不断上升，导致
热击穿。
图3-15 发热与散热曲线
可见，曲线2是介质热稳定状态和不稳定状态
的分界线，所以电压U2确定为热击穿的临界电压， tc为热击穿的临界温度。
相应于切点c的热击穿 临界电压
图3-12 电介质击穿时的伏安特性
与气体、液体介质相比，固体介质的击穿场 强较高，但固体介质击穿后材料中留下有不能恢 复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使 去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自 行恢复绝缘性能。
固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击 穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。
➢电压长时间作用，介质内温度变化极慢的情况， 称这种情况下的击穿为稳态热击穿。
（1）脉冲热击穿
认为电场作用时间很短，以致导热过程可以忽 略不计时，则热平衡方程为
cv
dT dt
E 2
(3-32)
如知道 E E(t)及 (T, E) ，即可由上式求
出温度到达介质热破坏临界温度时的热击穿场强。
假设施加于介质的脉冲电场为斜角波形电场，即
图3-14 瓦格纳热击穿模型
如通道的横截面积为S，长度为d，电导率为 ， 当加上直流电压U后，电流便主要集中在这导电通道 内，则每秒钟内导电通道由于电流通过而产生的热 量为
Q1
0.24 U 2 R
0.24U 2
S d
(3-28)
图3-14 瓦格纳热击穿模型
每秒钟内由导电通道向周围介质散出的热量与 通道长度d，通道平均温度T与周围介质温度T0的温
2. 电击穿
电击穿是在较低温度下，采用了消除边缘效应的 电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观 察到的一种击穿现象。电击穿的主要特征是：击穿场 强高；在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增 大，或变化不大。
均匀电场中电击穿场强反映了固体介质耐受电场 作用能力的最大限度，它仅与材料的化学组成及性质 有关，是材料的特性参数之一，所以通常称之为耐电 强度或电气强度。
2. 局部放电
在含有气体（如气隙或气泡）或液体（如油膜） 的固体电介质中，当击穿强度较低的气体或液体中的 局部电场强度达到其击穿场强时，这部分气体或液体 开始放电，使电介质发生不贯穿电极的局部击穿，这 就是局部放电现象。这种放电虽然不立即形成贯穿性 通道，但长期的局部放电，使电介质（特别是有机电 介质）的劣化损伤逐步扩大，导致整个电介质击穿。
当电子从电场中得到的能量大于损失给晶格 振动的能量时，电子的动能就越来越大，至电子 能量大到一定值后，电子与晶格振动的相互作用 便导致电离产生新电子，自由电子数迅速增加， 电导进入不稳定阶段，击穿开始发生。
按击穿发生的判定条件的不同，电击穿理论可分 为两大类：
➢以碰撞电离开始作为击穿判据。称这类理论为碰 撞电离理论，或称本征电击穿理论。
图3-16 双层复合电介质及其等效电路
设U为外施恒定电压，在U作用下达到稳态时， 若引入复合电介质的宏观平均场强
E U U d1 d2 d
(3-41)ຫໍສະໝຸດ 则有E12d 1d2
2 d1
E
E2
1d 1d2 2d1
E
(3-42)
式中，d＝d1+d2。
从式（3-42）可见，各层介质电场强度与其
电介质的温度将不断地
升高，最后导致介质热
击穿。
曲线3（电压为U3时） 与曲线4有两个交点 Q1=Q2 。由于发热量等 于散热量，此两点称为
热平衡点，a点是稳定的 热平衡点，b点是不稳定 的热平衡点。因而电介
质被加热到通道温度为ta 就停留在热稳定状态。
图3-15 发热与散热曲线
曲线2（电压为U2时） 与曲线4相切，切点c是一个 不稳定的热平衡点。因为当
不同的电压U值，Q1与T 的关系是一簇指数曲线
（图3-15），曲线1、2、 3分别为在电压U1、U2、
U3（U1＞U2＞U3）作用
下，介质发热量与介质导
电通道温度的关系。
图3-15 发热与散热曲线
图3-15 发热与散热曲线
从图3-15可看出： 曲线1（电压为U1时） 高于曲线4，固体介质 内发热量Q1总是大于 散热量Q2，在任何温 度下都不会达到热平衡，