第二十二讲固体电介质的击穿
第二十二讲 固体电介质的击穿
1概述固体电介质的击穿：固体电介质的击穿是在电场作用下伴随着热、化学、力等作用而丧失其绝缘性能的现象。固体电介质的击穿相当复杂除了表征材料本身的特性外，还受到诸如电极形状、外界媒质、电压类型、温度、散热条件等等一系列外界因素影响。固体电介质击穿的机制：电击穿、热击穿、局部放电击穿及树枝击穿与气体电介质相比，固体电介质击穿具有以下特点：①.固体电介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高三个数量级，比液体高一个数量级：②.固体总是在气体和液体环境媒质中，对固体进行击穿实验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中，这种现象称边缘效应。③固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中贯穿的孔道裂纹等不可恢复的伤痕
1 概述 固体电介质的击穿：固体电介质的击穿是在电场作用下伴随着热、 化学、力等作用而丧失其绝缘性能的现象。固体电介质的击穿相当复杂， 除了表征材料本身的特性外，还受到诸如电极形状、外界媒质、电压类 型、温度、散热条件等等一系列外界因素影响。 固体电介质击穿的机制：电击穿、热击穿、局部放电击穿及树枝击 穿。 与气体电介质相比，固体电介质击穿具有以下特点： ①.固体电介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高二个数 量级，比液体高一个数量级； ②.固体总是在气体和液体环境媒质中，对固体进行击穿实验时，击 穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中，这种现象称边 缘效应。 ③.固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中贯穿的孔道、 裂纹等不可恢复的伤痕
2电击穿1）电击穿过程电介质承受的电压超过一定数值U.时，其中有相当大的电流通过，使介质丧失绝缘性能，这个过程是电击穿。击穿场强：E=UB/d从宏观看，击穿场强月100MV/M，是相当大的：但从微观来看，月102VIA，是很低的。这说明击穿不是由于电场对原子直接作用导致的，而是一种集体现象。通常当电场接近击穿场强时，材料中的电流主要是电子型的。其击穿机制主要有：碰撞电离理论和雪崩理论
2 电击穿 1）电击穿过程 电介质承受的电压超过一定数值 UB时，其中有相当大的电流通过，使介质 丧失绝缘性能，这个过程是电击穿。 击穿场强： EB =UB d 从宏观看，击穿场强月100MV/M，是相当大的；但从微观来看，月10- 2V/Å，是很低的。这说明击穿不是由于电场对原子直接作用导致的，而是 一种集体现象。 通常当电场接近击穿场强时，材料中的电流主要是电子型的。其击穿机制主 要有：碰撞电离理论和雪崩理论
碰撞电离理论：晶体温度高于绝对零度，晶格的微小振动形成格波，格波能量量子称为声子。碰撞电离中，存在电子和声子碰撞，杂质和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足够高，自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生击穿。雪崩理论：在电场足够时，自由电子从电场中获得的能量在每次碰撞后都能产生一个自由电子，n次碰撞就有个2n自由电子，形成雪崩式倍增效应。这些电子一方面向阳极迁移，一方面扩散。当雪崩式倍增效应贯穿两电极时，则发生击穿。（本征击穿强度很高，超过100MV/m，但由于外界因素、实验条件、试样状况，实际材料的击穿强度偏低）。隧道理论：当电场足够高时，由于隧道效应，使禁带电子进入导带，在电场作用下电子被加速，引起碰撞电离。这种雪崩过程不会导致经历的破坏，晶体击穿的原因在于隧道电流导致晶体局部温度过高，致使晶体局部熔融而破坏。这个机理也称为齐纳击穿
碰撞电离理论：晶体温度高于绝对零度，晶格的微小振动形成格波，格波能 量量子称为声子。碰撞电离中，存在电子和声子碰撞，杂质和缺陷对自由电子的 散射。若外加电场足够高，自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自 由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生击穿。 雪崩理论：在电场足够时，自由电子从电场中获得的能量在每次碰撞后都能 产生一个自由电子，n次碰撞就有 个2 n自由电子，形成雪崩式倍增效应。这些电 子一方面向阳极迁移，一方面扩散。当雪崩式倍增效应贯穿两电极时，则发生击 穿。（本征击穿强度很高，超过 100MV/m，但由于外界因素、实验条件、试样状 况，实际材料的击穿强度偏低）。 隧道理论：当电场足够高时，由于隧道效应，使禁带电子进入导带，在电场 作用下电子被加速，引起碰撞电离。这种雪崩过程不会导致经历的破坏，晶体击 穿的原因在于隧道电流导致晶体局部温度过高，致使晶体局部熔融而破坏。这个 机理也称为齐纳击穿
2）一些因素对固体电介质击穿场强的影响(i)）.材料结构的不均匀性，在电击穿过程中往往对击穿强度产生非常显著的影响。不均匀介质中随试样厚度增加，材料的E下降。这是由于薄的试样比较均匀，底点数目少。(i).电压的波形和频率对材料的击穿强度有明显的影响。直流电压的击穿场强比交流电压作用高，随着电场频率的提高，击穿场强下降很快。这是由于直流电场下的，式样内部局部放电因空间电荷作用容易熄火，且直流场下的介电损耗比交流电场下小。脉冲电场下的击穿场强比直流下更高。这是由于脉冲电压作用时间短，局部放电造成的破坏和热效应来不及形成。工程上所指的击穿场强通常是指工频电压下的击穿强度。(i).温度的影响：陶瓷材料E值与温度的关系不大。温度升高时，击穿由电击穿过渡到热击穿，击穿场强逐渐降低。温度升高时，有些陶瓷材料的E值随温度增加而下降，有的则上升，有些还出现极大值。高聚物的击穿场强都随温度升高而降低，这可能是由于高聚物的软化引起的
2）一些因素对固体电介质击穿场强的影响 (i).材料结构的不均匀性，在电击穿过程中往往对击穿强度产生非常显著的影响。 不均匀介质中随试样厚度增加，材料 的EB下降。这是由于薄的试样比较均 匀，庇点数目少。 (ii).电压的波形和频率对材料的击穿强度有明显的影响。 直流电压的击穿场强比交流电压作用高，随着电场频率的提高，击穿场强 下降很快。这是由于直流电场下的，式样内部局部放电因空间电荷作用容易熄 灭，且直流场下的介电损耗比交流电场下小。 脉冲电场下的击穿场强比直流下更高。这是由于脉冲电压作用时间短，局 部放电造成的破坏和热效应来不及形成。工程上所指的击穿场强通常是指工频 电压下的击穿强度。 (iii).温度的影响： 陶瓷材料 EB值与温度的关系不大。温度升高时，击穿由电击穿过渡到热击 穿，击穿场强逐渐降低。温度升高时，有些陶瓷材料的 EB值随温度增加而下降， 有的则上升，有些还出现极大值。高聚物的击穿场强都随温度升高而降低，这 可能是由于高聚物的软化引起的
总的来说：①.固体电介质的击穿场强取决于材料的均匀性②.大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下的击穿场强。高频下由于局部放电使得击穿场强下降更厉害，并且材料的介电常数越大，击穿场强下降越多。③.无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征（热击穿），发生纯粹电击穿的情况很少。④.在室温附近，高分子电介质击穿场强往往比陶瓷材料大，并且极性高聚物的击穿场强常常比非极性的大。5.热塑性高聚物在软化温度附近击穿电场随温度急剧下降
总的来说： ①.固体电介质的击穿场强取决于材料的均匀性。 ②.大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下的击穿场强。高频下， 由于局部放电使得击穿场强下降更厉害，并且材料的介电常数越大，击穿 场强下降越多。 ③.无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征（热击穿），发生纯粹电 击穿的情况很少。 ④.在室温附近，高分子电介质击穿场强往往比陶瓷材料大，并且极性高聚 物的击穿场强常常比非极性的大。 ⑤.热塑性高聚物在软化温度附近击穿电场随温度急剧下降
3热击穿热击穿：固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗所产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所散发的热量，试样中的热平衡被破坏，试样温度不断上升，造成介质永久性热破坏。设发热功率为W，散热功率W，，T为介质达到临界热平衡时最高极限温度，与工相应的电压是热击穿电压。介质在电场作用下发热和散热的临界平衡方程为：W(Tm)=W,(Tm)对于面积为A、厚度为d的试样施加直流电压U，着介质中只有漏A导电流发热。若式样电导率为，则电导为G=1此时电介质的发热功率为：W=GU?因为y=Ae-BITAAUe-BIT=W,(U,T)所以W,=dW是电压U和介质温度T的函数，随温度指数上升
3 热击穿 热击穿：固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗所产生的热量超过 试样通过传导、对流和辐射所散发的热量，试样中的热平衡被破坏，试样 温度不断上升，造成介质永久性热破坏。 设发热功率为W1，散热功率W2，Tm 为介质达到临界热平衡时最高极 限温度，与Tm相应的电压是热击穿电压。 介质在电场作用下发热和散热的临界平衡方程为： ) ) W（1 Tm = W（2 Tm 对于面积为 A、厚度为 d 的试样施加直流电压 U，着介质中只有漏 导电流发热。若式样电导率为 γ，则电导为 d A G = ， 此时电介质的发热功率为： 2 W1 = GU 因为 B T A e − = ' 所以 ( , ) 1 2 ' 1 U e W U T d AA W B T = = − W1是电压 U 和介质温度 T 的函数，随温度指数上升
介质中产生的热量，一方面使试样本身的温度升高，另一方面通过热传导和对流向周围散发热量。设环境温度To，散发功率W,与温差（T-T）成正比，则W,=β(T-T)=W,(T))β为散热系数，W2与温度T成线性关系。W(U)W(U.)WW,(.)BAU,>U,>Uotott(℃)tm在电压作用下固体电介质的发热和散热曲线
介质中产生的热量，一方面使试样本身的温度升高，另一方面通过热传导 和对流向周围散发热量。 设环境温度 T0，散发功率 W2与温差(T-T0)成正比，则 W2=β(T-T0)=W2(T)) β 为散热系数，W2与温度 T 成线性关系。 W W1 (U2 ) t0 t tm t（℃） A B C 0 W1 (U3 ) W1 (U1 ) U3> U2 > U1 在电压作用下固体电介质的发热和散热曲线
由上图可见：1）当U较小时，，发热曲线和散热曲线相交于A，介质处于热平衡，电压可持续作用，温度不再升高。2）若U较高，这时发热功率恒大于散热功率，介质在任何温度下都不会达到热平衡，温度持续升高，最终热击穿。3）在一定电压U,时，W和W,相切于C点，相应于C点介质的Tm。当T>Tm，发热功率大雨时那热功率，温度将继续上升到T：当T>Tm，温度不断上升，最终导致热击穿。发热曲线W(U）即为介质热稳定与不稳定的临界曲线，U,为热击穿电压。C点满足条件（热击穿判据）：W(u,T)r-T,=W(T)lr-T.mowaw,aTaTIT=TmIT=Tm
由上图可见： 1）当U1较小时，发热曲线和散热曲线相交于A，介质处于热平衡，电压可持 续作用，温度不再升高。 2）若U3较高，这时发热功率恒大于散热功率，介质在任何温度下都不会达到 热平衡，温度持续升高，最终热击穿。 3）在一定电压U2时，W1和W2相切于C点，相应于C点介质的Tm。当T>Tm，发 热功率大雨时那热功率，温度将继续上升到Tm；当T>Tm，温度不断上升，最终 导致热击穿。发热曲线W1 (U2 )即为介质热稳定与不稳定的临界曲线，U2为热击 穿电压。 C点满足条件（热击穿判据）： 1 2 1 2 ( , ) ( ) m m m m T T T T T T T T W u T W T W W T T = = = = = =
4局部放电击穿局部放电：在电场作用下，介质局部区域发生放电现象。这种放申没有在电极间形成贯穿通道，整个试样没有被击穿。>对固体电介质来说，电极与电介质存在一层环境媒质（气隙或油膜）而且固体电解质本身也是不均匀的，存在气泡和液珠等杂质和不均一组份。由于气体或液体介电常数较小，承受的电场强度较高，同时气体和液体的击穿场强又低，当外施电压达一定数值时，在这些薄弱区域，就发生局部放电。>局部放电是脉冲性的。其结果产生大量正、负离子，形成空间电荷，建立反电场，使气隙中的总电场下降，放电熄灭。放电持续时间约10-8-10-9s。放电熄火后空间电荷通过表面泄漏，使反电场削弱到一定程度，才开始第二次放电。在交流电压下，由于电压大小与方向的变化，放电将反复出现。>局部放电将导致介质的击穿和老化，局部放电还伴随热辐射，化学和应力作用，这些综合作用，使介质击穿和老化变质
4 局部放电击穿 局部放电：在电场作用下，介质局部区域发生放电现象。这种放电 没有在电极间形成贯穿通道，整个试样没有被击穿。 ➢对固体电介质来说，电极与电介质存在一层环境媒质（气隙或油膜） 而且固体电解质本身也是不均匀的，存在气泡和液珠等杂质和不均 一组份。由于气体或液体介电常数较小，承受的电场强度较高，同 时气体和液体的击穿场强又低，当外施电压达一定数值时，在这些 薄弱区域，就发生局部放电。 ➢局部放电是脉冲性的。其结果产生大量正、负离子，形成空间电荷， 建立反电场，使气隙中的总电场下降，放电熄灭。放电持续时间 约 10-8 -10-9 s。放电熄灭后空间电荷通过表面泄漏，使反电场削弱到一定 程度，才开始第二次放电。在交流电压下，由于电压大小与方向的 变化，放电将反复出现。 ➢局部放电将导致介质的击穿和老化，局部放电还伴随热辐射，化学 和应力作用，这些综合作用，使介质击穿和老化变质