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固體電介質(zhì)擊穿電壓試驗儀的擊穿理論
閱讀：963發(fā)布時間：2023-9-20
1、電擊穿理論：
固體介質(zhì)電擊穿理論建立在氣體放電的碰撞電離理論基礎(chǔ)上。氣體碰撞電離理論指出，擊穿場強與電子的自由行程有關(guān)，氣體密度增加時，電子自由行程減少，電子無法獲得足夠的能量，擊穿場強相應(yīng)升高。固體的密度約是空氣的2000倍，如果把固體看做是氣體壓縮2000倍的產(chǎn)物，那么固體內(nèi)部電子自由行程就比氣體中電子自由行程小2000倍，固體的擊穿場強大致比空氣高2000倍,這一估算結(jié)果與試驗結(jié)果相差不大。所以，以氣體碰撞電離模型為出發(fā)點來說明固體電擊穿現(xiàn)象是有根據(jù)的。
固體電介質(zhì)電擊穿按照擊穿發(fā)生的判定條件不同，可以大致分為兩類，一類是以碰撞電離作為擊穿判據(jù)的碰撞電離理論，另一類是以電離開始后，電子數(shù)目倍增到一定數(shù)值，足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)作為判據(jù)的雪崩擊穿理論。
碰撞電離理論是指固體電介質(zhì)內(nèi)部導(dǎo)帶中含有的自由電子在外加電場的作用下做加速運動，這些運動的電子與晶格發(fā)生碰撞，同時把本身的能量傳遞給晶格，引起晶格振動。當(dāng)電子從電場獲得的能量大于碰撞晶格時失去的能量，高能電子撞擊晶格形成電離，產(chǎn)生電子，電介質(zhì)內(nèi)部的自由電子數(shù)目逐漸增加，最終形成貫穿兩極的通道，介質(zhì)發(fā)生擊穿。
雪崩擊穿理論是指介質(zhì)中碰撞電離發(fā)生后，電子一面向陽極運動，一面發(fā)展碰撞電離，介質(zhì)中的電子數(shù)目呈指數(shù)規(guī)律增長，產(chǎn)生“電子雪崩"。當(dāng)電子雪崩發(fā)展到一定的程度，傳遞的能量足以破壞介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)時，介質(zhì)發(fā)生擊穿。賽茲通過計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子經(jīng)過40次碰撞，也就是說，陰極發(fā)出的初始電子，在向陽極運動的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達到40次，介質(zhì)便開始發(fā)生擊穿，這個理論也稱為“四十代"理論。
伴隨著對固體電介質(zhì)擊穿理論更加深入的研究，一些科研工作者對于固體電介質(zhì)的擊穿進行了一系列的試驗探究并提出了一些新穎的觀點。
在低溫下，IedaM驗證了電子崩擊穿機理。電子的自由行程會在很大程度上影響聚合物的擊穿場強數(shù)值，聚合物分子密度變大會減小聚合物內(nèi)部電子的自由行程，一旦電子自由行程減小，電子在電場作用下獲得的能量減小，這就明顯提高了聚合物材料的擊穿場強。
電擊穿主要有以下特點：一是擊穿電壓與介質(zhì)所處的環(huán)境溫度幾乎無關(guān)；二是除擊穿時間極短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時間幾乎無關(guān)；三是介質(zhì)本身發(fā)熱不明顯；四是擊穿電壓受電場的均勻程度影響較大。
2、熱擊穿理論：
在長期工作電壓的作用下，固體聚合物內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，同時也向周圍環(huán)境散發(fā)熱量，當(dāng)介質(zhì)處于低溫且散熱好的環(huán)境下，介質(zhì)的發(fā)熱量與散熱量可以維持動態(tài)平衡，聚合物內(nèi)部的熱量不會累積，這個狀態(tài)叫做介質(zhì)的熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時聚合物的溫度維持在一個相對穩(wěn)定的水平。當(dāng)介質(zhì)本身的發(fā)熱量大于散熱量，介質(zhì)內(nèi)部的發(fā)熱與散熱失去平衡，熱量會不斷積累，溫度不斷上升。在電場作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部的極化和傳導(dǎo)電流會引起聚合物材料的電能損耗，會使電介質(zhì)內(nèi)部溫度上升，并且使介質(zhì)的損耗增大，發(fā)熱量繼續(xù)增加，如此的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致聚合物分解、熔化、碳化或燒焦，進而失去其絕緣性能而發(fā)生擊穿，這種形式的擊穿稱之為熱擊穿。
熱擊穿通常出現(xiàn)在介質(zhì)熱循環(huán)不通暢的地方，而且其擊穿行為發(fā)生的速度相比于電擊穿慢很多，通常出現(xiàn)在幾秒或者幾十秒左右。伴隨著介質(zhì)內(nèi)部溫度的不斷升高，介質(zhì)電導(dǎo)上升致使擊穿電壓等級大幅度下降。聚合物熱擊穿場強大約是104～105V/cm，溫度與電壓作用時間是其最為主要的影響因素。
3、電化學(xué)擊穿理論：
在長期工作電壓的作用下，固體聚合物內(nèi)部會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，這使得聚合物的絕緣性能逐漸劣化、電氣強度逐步降低最終發(fā)生擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。在聚合物即將擊穿時，由于劣化處缺陷的存在，導(dǎo)致該處溫度升高進而出現(xiàn)熱擊穿，也會因聚合物劣化后電氣強度大幅度降低而發(fā)生電擊穿。局部放電是聚合物局部出現(xiàn)氣隙或氣泡而造成放電的現(xiàn)象。聚合物內(nèi)部出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象有以下三種原因。一是在局部放電過程中產(chǎn)生對聚合物有腐蝕和氧化作用的O3、NO和NO2等氣體；二是放電過程中帶電粒子轟擊聚合物，聚合物局部溫度上升，加速聚合物的氧化并使其局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增加；三是帶電粒子的撞擊導(dǎo)致分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。局部放電引起的這幾個因素嚴(yán)重影響著聚合物（如紙、布、漆及聚乙烯材料等）的電學(xué)性能。
ZJC-50KV擊穿電壓試驗儀/ZJC-100KV電壓擊穿試驗儀
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