擊穿電壓的主要因素

影響固體介質(zhì)擊穿電壓的因素甚多，下面介紹幾種主要的影響因素。

電介質(zhì)的老化 
電氣設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中，其介質(zhì)不可避免的要承受熱的、電的、化學(xué)的和機(jī)械力的作用。在這些因素的作用下，介質(zhì)的物理性能逐漸劣化，如變脆、變粘、起層等，電氣性能逐漸降低，如電導(dǎo)變大、變大和絕緣強(qiáng)度下降等，這種在性能方面出的不可逆的劣化現(xiàn)象稱(chēng)為介質(zhì)的老化。 
電介質(zhì)的老化分為三類(lèi)：由電場(chǎng)作用引起的電老化、由高溫作用引起的熱老化和由受潮所加速劣化的受潮老化。下面分別介紹三種老化的過(guò)程。 
一、電老化
電老化分為局部放電老化、電導(dǎo)性老化和電解性老化三種類(lèi)型。 
介質(zhì)內(nèi)部不可避免地存在某些小氣泡或氣隙，它們可能是由于浸漬工藝不完善，使介質(zhì)層間、介質(zhì)與電極間或介質(zhì)內(nèi)部殘留的也可能是浸漬劑與介質(zhì)材料的膨脹系數(shù)不同由溫度變化所引起的介質(zhì)在運(yùn)行中也可能分解出氣體，形成小氣泡介質(zhì)中的水分電離分解也能產(chǎn)生氣泡。氣體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)接近，比固、液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)小得多，因而在電場(chǎng)作用下的場(chǎng)強(qiáng)就比鄰近的固、液體介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)大得多，而擊穿場(chǎng)強(qiáng)又比固、液體介質(zhì)的低得多，所以*容易在這些氣隙或氣泡中產(chǎn)生局部放電。 
局部放電將產(chǎn)生如下后果： 
帶電粒子撞擊氣泡（或氣隙）表面的介質(zhì)，特別是對(duì)有機(jī)絕緣物，能使主鏈斷裂，高分子解聚或部分變?yōu)榈头肿?，介質(zhì)的物理性能變差。 
局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質(zhì)開(kāi)裂、分層、變脆，高溫同時(shí)能使材料產(chǎn)生化學(xué)分解，使該部分電導(dǎo)和損耗變大。 
局部放電產(chǎn)生的和等氣體對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生氧化侵蝕，使介質(zhì)逐漸劣化，特別 
是介質(zhì)受潮后，還可能與潮氣結(jié)合生成亞硝酸或硝酸，對(duì)介質(zhì)及金屬電極都產(chǎn)生腐蝕。

電壓作用時(shí)間 

如果電壓作用時(shí)間很短（例如以下），固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿

電壓當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過(guò)二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流 耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十 小時(shí)甚至幾年才發(fā)生擊穿時(shí)，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。 
以常用的油浸電工紙板為例，在圖中，以頻擊穿電壓（峰值）作為基準(zhǔn)值，縱坐標(biāo)以標(biāo)么值來(lái)表示。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時(shí)間約在之間，作用時(shí)間大于此值后，熱過(guò)程和電化學(xué)作用使得擊穿電壓明顯下降。不過(guò)擊穿電壓與更長(zhǎng)時(shí)間（圖中達(dá)數(shù)百小時(shí)）的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪㈩l試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來(lái)估計(jì)固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長(zhǎng)期工作時(shí)的熱擊穿電壓。許多有機(jī)絕緣材料的短時(shí)間電氣強(qiáng)度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長(zhǎng)時(shí)間電氣強(qiáng)度很低，這一點(diǎn)必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來(lái)消除局部放電的絕緣結(jié)構(gòu)中（例如旋轉(zhuǎn)電機(jī)），就必須采用云母等耐局部放電性能好的無(wú)機(jī)絕緣材料。 
圖油浸電工紙板的擊穿電壓與加電壓時(shí)間的關(guān)系時(shí) 
電場(chǎng)均勻程度和介質(zhì)的厚度 
處于均勻電場(chǎng)中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨介質(zhì)厚度的增加近似地成線(xiàn)性增大若在不均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)厚度增加將使電場(chǎng)更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線(xiàn)性上升。當(dāng)厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí)，增加厚度的意義就更小了。 
常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時(shí)即使處于均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)分布也是不均勻的，**電場(chǎng)強(qiáng)度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過(guò)真空干燥、真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。 
頻率 
在電擊穿區(qū)域內(nèi)，如果頻率的變化不造成電場(chǎng)均勻度的改變，則擊穿電壓與頻率幾乎無(wú)關(guān)。在熱擊穿區(qū)域內(nèi)，如果頻率使和變化不大，則擊穿電壓將與頻率的平方根成反比。如厚度為的玻璃，在工頻時(shí)的擊穿電壓為（有效值），而在高頻時(shí)擊穿電壓僅為（有效值）。這是因?yàn)轭l率上升使介質(zhì)損耗上升，導(dǎo)致發(fā)熱，促使熱擊穿過(guò)程的發(fā)展。 
溫度 
固體介質(zhì)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，且與溫度幾乎無(wú)關(guān)。超過(guò)某個(gè)溫度后將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低如果其周?chē)劫|(zhì)的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。因此，以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，如果某處局部溫度過(guò)高，在工作電壓下即有熱擊穿的危險(xiǎn)。不同的固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級(jí)是不同的，因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。 
受潮 
受潮對(duì)固體介質(zhì)擊穿電壓的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)不易吸潮的材料，如聚乙烯聚四氟乙烯等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右容易吸潮的極性介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時(shí)的百分之幾或更低，這是因電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)在制造時(shí)要注意除去水分，在運(yùn)行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。 
累積效應(yīng)
固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中以及在幅值不很高的過(guò)電壓，特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時(shí)，局部損傷會(huì)逐步發(fā)展，這稱(chēng)為累積效應(yīng)。顯然，它會(huì)導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿電壓的下降。 
在幅值不高的內(nèi)部過(guò)電壓下以及幅值雖高、但作用時(shí)間很短的雷電過(guò)電壓下，由于加電壓時(shí)間短，可能來(lái)不及形成貫穿性的擊穿通道，但可能在介質(zhì)內(nèi)部引起強(qiáng)烈的局部放電，從而引起局部損傷。 
主要以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，隨著施加沖擊或工頻試驗(yàn)電壓次數(shù)的增多，可能因累積效應(yīng)而使其擊穿電壓下降。因此，在確定這類(lèi)電氣設(shè)備耐壓試驗(yàn)加電壓次數(shù)和試驗(yàn)電壓值時(shí)，應(yīng)考慮這種累積效應(yīng)，而在設(shè)計(jì)固體絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證一定的絕緣裕度。 

擊穿的定義：

使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱(chēng)為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為擊穿電壓。

使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱(chēng)為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為擊穿電壓。電介質(zhì)擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度叫擊穿場(chǎng)強(qiáng)。不同電介質(zhì)在相同溫度下,其擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同。當(dāng)電容器介質(zhì)和兩極板的距離d一定后,由U1-U2=Ed知,擊穿場(chǎng)強(qiáng)決定了擊穿電壓。擊穿場(chǎng)強(qiáng)通常又稱(chēng)為電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。提高電容器的耐壓能力起關(guān)鍵作用的是電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。附表為各種電介質(zhì)的相對(duì)介電常量εr和介電強(qiáng)度。

電介質(zhì) εr 擊穿場(chǎng)強(qiáng),×106/(V·m-1)

擊穿電壓是電容器的極限電壓，超過(guò)這個(gè)電壓，電容器內(nèi)的介質(zhì)將被擊穿.額定電壓是電容器長(zhǎng)期工作時(shí)所能承受的電壓，它比擊穿電壓要低.電容器在不高于擊穿電壓下工作都是安全可靠的，不要誤認(rèn)為電容器只有在額定電壓下工作才是正常的。

擊穿機(jī)理

當(dāng) PN 結(jié)的反向偏壓較高時(shí)，會(huì)發(fā)生由于碰撞電離引發(fā)的電擊穿，即雪崩擊穿。存在于半導(dǎo)體晶體中的自由載流子在耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被加速其能量不斷增加，直到與半導(dǎo)體晶格發(fā)生碰撞，碰撞過(guò)程釋放的能量可能使價(jià)鍵斷開(kāi)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。新的電子空穴對(duì)又分別被加速與晶格發(fā)生碰撞，如果平均每個(gè)電子(或空穴)在經(jīng)過(guò)耗盡區(qū)的過(guò)程中可以產(chǎn)生大于 1 對(duì)的電子空穴對(duì)，那么該過(guò)程可以不斷被加強(qiáng)，終達(dá)到耗盡區(qū)載流子數(shù)目激增，PN 結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。定義碰撞電離率 α 為載流子沿電場(chǎng)方向經(jīng)過(guò)單位距離而引發(fā)新的電子空穴對(duì)的幾率，對(duì)于硅而言，電子與空穴對(duì)應(yīng)的碰撞電離率 α 是不相同的，為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們常用α的有效值代替空穴和電子各自的α，從而雪崩擊穿發(fā)生的臨界條件可表示為:

值得說(shuō)明的是，有一些化合物半導(dǎo)體如 GaAs 中電子與空穴的碰撞電離率α是相等的，對(duì)于這些化合物半導(dǎo)體式(1-1)是嚴(yán)格成立的，對(duì)于硅，α的有效值約為 1.8×10E[2]。如果考慮到曲面結(jié)，電場(chǎng)不是簡(jiǎn)單的一維分布，將式(1-1)以矢量路徑積分的形式表出:

式(1-2)中l(wèi)表示電場(chǎng)的方向矢量，為耗盡區(qū)邊界的位置。例如，對(duì)于球面結(jié)，電場(chǎng)的方向沿球面的半徑方向，載流子被徑向的電場(chǎng)加速直到與晶格發(fā)生碰撞或到達(dá)耗盡區(qū)邊界，發(fā)生雪崩擊穿的臨界條件為:

定義 PN 結(jié)發(fā)生臨界擊穿對(duì)應(yīng)的電壓為 PN 結(jié)的擊穿電壓 BV，BV 是衡量 PN結(jié)可靠性與使用范圍的一個(gè)重要參數(shù)，在 PN 結(jié)的其它性能參數(shù)不變的情況下，我們希望 BV 的值越高越好。在一維電場(chǎng)分布的條件下，擊穿電壓可表示為:

如考慮到電場(chǎng)的非一維分布如曲面結(jié)或不規(guī)則結(jié)面的情況，擊穿電壓更普遍的表達(dá)式為:

擊穿電壓 BV 為電場(chǎng)沿其起點(diǎn)至其終點(diǎn)的路徑積分值。

標(biāo)簽：電壓擊穿試驗(yàn)儀，介電擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀，耐電壓強(qiáng)度擊穿試驗(yàn)儀，