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。3.3固体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。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。图3-13固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系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。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。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。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。3.3.1固体电介质的热击穿3.3.2固体电介质的电击穿3.3.3不均匀电介质的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。返回3.3.1固体电介质的热击穿瓦格纳的热击穿模型如图3-14所示。假设固体介质置于平板电极a、b之间，该介质有一处或几处的电阻比其周围小得多，构成电介质中的低阻导电通道。1.瓦格纳热击穿理论图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图3-14瓦格纳热击穿模型dSURUQ22124.024.0(3-28)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的温度差(T﹣T0)成正比，即散热量为dTTQ)(02式中，——散热系数。电介质导电通道的电导率与温度的关系，为)(00TTte式中，——导电通道在温度T0时的电导率；——温度系数。0t(3-29)(3-30)由上可知，是温度的函数，所以发热量Q1也是温度的函数，因此对于不同的电压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，电介质的温度将不断地升高，最后导致介质热击穿。图3-15发热与散热曲线曲线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。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发热与散热曲线相应于切点c的热击穿临界电压20024.0TcdeeSU图3-15发热与散热曲线(3-31)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。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;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2EdtdTcv如知道及，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。)(tEE),(ET(3-32)假设施加于介质的脉冲电场为斜角波形电场，即ttEEcc)(式中，Ec——热击穿场强；tc——至击穿的时间。一般在电场不太强的情况下，介质的电导率可表示为TkTee/0/0式中，——介质的常数；k——玻耳兹曼常数.0,(3-33)(3-34)k/在环境温度不时，，，可得热击穿临界场强为0)/(Tk0TTc02/2/10203TcvcetTcE此式给出了击穿场强与击穿时间的关系。(3-35)（2）稳态热击穿热击穿临界电压为如环境温度不高时，，，上式积分可近似为cTTocdTKU08202/210200)8(TceKTU0T0TTc(3-36)(3-37)返回3.3.2固体电介质的电击穿希伯尔（Hippel）和弗罗利希（Frohlich）在固体物理的基础上用量子力学为工具逐步发展建立了固体电介质电击穿的碰撞电离理论。在强电场下固体导带中可能因场致发射或热发射而存在一些导电电子，这些电子在外电场作用下被加速获得动能，同时在其运动中又与晶格振动相互作用而激发晶格振动，把电场的能量传递给晶格。当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导。这一理论可简述如下：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。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.本征电击穿理论式中，u—电子能量。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),(uEAA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),(0uTBB式中，To—晶格温度。(3-38)(3-39)),(),(0uTBuEA平衡时当场强增加到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生。所以使式（3-40）成立的最大场强就是碰撞电离开始发生的起始场强，把这一场强作为电介质的临界击穿场强。(3-40)2.雪崩击穿理论场致发射击穿碰撞电离雪崩击穿返回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设一双层复合电介质模型及其等效电路如图3-16所示。双层介质的厚度、电导率及介电常数分别为d1、d2、、和、，外施电压为U及两层介质中场强分别E1、E2。（1）双层复合电介质的击穿1212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dUddUE21则有EdddE122121EdddE122112式中，d＝d1+d2。(3-41)(3-42)从式（3-42）可见，各层介质电场强度与其电导率成反比。如=，则E1=E2=E；如与相差很大，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，即引起全部电介质击穿。1212（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。图3-17获得均匀电场的电极试样系统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。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。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。图3-17获得均匀电场的电极试样系统在含有气体（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。2.局部放电电的作用热的作用化学作用局部放电引起电介质劣化损伤的机理是多方面的，但主要有如下三个方面：厚度为d的固体电介质内含一个厚度为t的扁平圆柱形空气隙，其轴线与电场平行。固体电介质的剖面及气隙放电时的等效电路如图3-18所示。固体电介质中气隙放电的等效电路及放电过程图3-18固体电介质中气隙放电及其等效电路其中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图3-18固体电介质中气隙放电及其等效电路babgbgaCCCCCCCC(3-43)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bgbgCCCuu(3-44)当Ur随U增加达到气隙放电电压Ug时，气隙发生放电，放电后Cg上的电压急剧下降，同时Cb通过气隙被充电。图3-19气隙放电时气隙上的电压变化当气隙上电压降至剩余电压Ur时，放电熄灭。随着外施电压瞬时值u的上升，气隙Cg上的电压又达到Ug，便发生第二次放电。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。图3-19气隙放电时气隙上的电压变化当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时放电熄灭。随着外施电压继续下降到反方向上升，放电则不断发生。Cg上的电压变化如图3-19所示。由图可见，空气隙中的放电具有间歇性的特征，放电集中发生于外施电压上升和下降最陡的区域。图3-19气隙放电时气隙上的电压变化由于气隙放电使气隙上电压下降(U=Ug﹣Ur)，必引起Cb上的电压增加。随着Cb上电压的增加，需要补充的电荷增量为UU)(rgbbUUCUCQ且有gbbrCCCQQ称Q为视在电荷量。由于Cb＜＜Cg，视在放电量比真实放电量要小得多。因后者目前尚无法求得而前者可以实测，故将视在放电量Q作为局部放