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固體絕緣介質(zhì)工頻電壓擊穿試驗(yàn)儀擊穿理論
固體絕緣介質(zhì)擊穿理論
與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，可是固體介質(zhì)一旦被破壞便會(huì)在材料中留下不能恢復(fù)的痕跡，比如燒焦或熔化的通道、裂縫等，在失去電壓之后也無(wú)法自行恢復(fù)絕緣性能。固體電介質(zhì)的擊穿，常見(jiàn)的有熱擊穿、電擊穿和不均勻介質(zhì)局部放電引起的擊穿等形式，在本研究中環(huán)境溫度較低，硅橡膠材料的擊穿形式主要是電擊穿。固體介質(zhì)電擊穿理論主要為碰撞電離理論和半導(dǎo)體隧道擊穿基礎(chǔ)上建立的理論，前者實(shí)際是量子碰撞電離擊穿理論。大約在上世紀(jì) 30 年代，以希伯爾和弗羅利赫為代表，建立了固體電介質(zhì)的碰撞電離理論。
根據(jù)擊穿發(fā)生的判定條件不同，電擊穿理論可分為兩類(lèi)：
以碰撞電離開(kāi)始作為擊穿判據(jù)，這類(lèi)理論被稱為碰撞理論或本征電擊穿理論；以碰撞電離開(kāi)始后，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞電介質(zhì)結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)，稱為雪崩擊穿理論。
本征電擊穿理論的模型如下：
在電場(chǎng) E 的作用下，單位時(shí)間內(nèi)電子獲得能量的平均速率為 A，則 A 與場(chǎng)強(qiáng)及電子能量有關(guān)，可表示為：
式中 E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，µ為電子能量。自由電子從電場(chǎng)獲得能量的大小與電子的自由行程時(shí)間有關(guān)，自由行程時(shí)間又被稱為松弛時(shí)間。在電場(chǎng)中得到加速的電子的平均速度為：
電子單位時(shí)間獲得的能量為：
式中 e 為電子電荷，m*為電子有效質(zhì)量，τ為松弛時(shí)間。晶格振動(dòng)的能量是量子化的，角頻率為ω的晶格波的能量為??(? 為普朗克常量)，在單位時(shí)間內(nèi)電子與晶格振動(dòng)相互作用的次數(shù)為/1?，單位時(shí)間內(nèi)損失給晶格的能量 B 是??的整數(shù)倍，表示為：
式中 c 為正整數(shù)，由于晶格振動(dòng)與溫度 T0 有關(guān)，B 也可寫(xiě)為：
當(dāng)電場(chǎng)上升到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過(guò)程即刻發(fā)生，該場(chǎng)強(qiáng)被認(rèn)為就是碰撞電離開(kāi)始發(fā)生的起始場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)導(dǎo)電電子處理方法的不同，本征擊穿理論可分為單電子近似理論和集合電子近似理論，單電子理論對(duì)于低溫場(chǎng)合是適用的，集合電子近似理論適用于無(wú)定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸?/p>
(1)單電子近似理論：
單電子近似理論不考慮介質(zhì)中電子間的相互影響，采用強(qiáng)電場(chǎng)作用下單個(gè)電子的平均特性來(lái)求解臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。希伯爾以 B 為最大值時(shí)的平衡條件作為擊穿的臨界條件，即 u=uc 時(shí)平衡關(guān)系為
希伯爾電擊穿的臨界條件表示著，低能的電子從電場(chǎng)獲得的能量大于最大能量損耗時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致碰撞電離的產(chǎn)生，因此希伯爾的上述判據(jù)被稱為低能判據(jù)，EH為希伯爾擊穿場(chǎng)強(qiáng)。
弗羅利赫以電子能量達(dá)到電離能時(shí)的平衡條件作為擊穿的臨界條件，即平衡關(guān)系為：
式中 EF 為弗羅利赫擊穿場(chǎng)強(qiáng)，ui 為電離能。弗羅利赫認(rèn)為晶體導(dǎo)帶中各種能量的電子都以一定的幾率存在，大多數(shù)的能量較低，也有部分處在電離能附近的高能電子。當(dāng)外加電場(chǎng)的加速能量略低于 ui 的高能電子時(shí)，就會(huì)發(fā)生碰撞電離，上述判據(jù)稱為高能判據(jù)。
(2)集合電子近似理論
導(dǎo)電電子的密度較高，在電場(chǎng)加速后能量升高，不僅相互之間交換能量，而且與晶格交換能量，與晶格交換能量的平衡關(guān)系表示為：
式中 A 表示獲得能量速率的平均值，B 表示損失能量速率的平均值，Te 為電子溫度，T0 為介質(zhì)溫度。一旦平衡被破壞，電子平均的被加速至發(fā)生碰撞電離，上述求解的結(jié)果為：
式中，ΔV 為能帶中陷阱能級(jí)激發(fā)態(tài)的寬度，上式表明擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著晶格溫度的升高而下降，它是弗羅利赫高溫?fù)舸├碚摗?/p>
碰撞電離雪崩擊穿的模型：導(dǎo)帶中的電子發(fā)生碰撞電離后，電子在電場(chǎng)作用下不斷向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并且形成電子崩，傳遞的能量足以破壞晶格結(jié)構(gòu)，固體被擊穿，主要通過(guò)賽茲理論來(lái)估算介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。賽茲理論說(shuō)明雪崩擊穿的形成需要碰撞電離的過(guò)程發(fā)展到四十代，稱之為“四十代理論"，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，更精確的解應(yīng)為 38。這種擊穿的特征是擊穿場(chǎng)強(qiáng)具有低溫區(qū)的特性，當(dāng)介質(zhì)厚度很薄，電子崩已在陽(yáng)極復(fù)合，擊穿場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)提高。
關(guān)鍵詞：擊穿強(qiáng)度；電氣強(qiáng)度；擊穿電壓；介電強(qiáng)度