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固體絕緣介質(zhì)工頻電壓擊穿試驗儀擊穿理論

閱讀:1691        發(fā)布時間:2022-8-29

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)的擊穿場強(qiáng)較高,可是固體介質(zhì)一旦被破壞便會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法自行恢復(fù)絕緣性能。固體電介質(zhì)的擊穿,常見的有熱擊穿、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:

      以碰撞電離開始作為擊穿判據(jù),這類理論被稱為碰撞理論或本征電擊穿理論;以碰撞電離開始后,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 E 的作用下,單位時間內(nèi)電子獲得能量的平均速率為 A,則 A 與場強(qiáng)及電子能量有關(guān),可表示為:

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       式中 E 為電場強(qiáng)度,µ為電子能量。自由電子從電場獲得能量的大小與電子的自由行程時間有關(guān),自由行程時間又被稱為松弛時間。在電場中得到加速的電子的平均速度為:

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       電子單位時間獲得的能量為:

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         式中 e 為電子電荷,m*為電子有效質(zhì)量,τ為松弛時間。晶格振動的能量是量子化的,角頻率為ω的晶格波的能量為??(? 為普朗克常量),在單位時間內(nèi)電子與晶格振動相互作用的次數(shù)為/1?,單位時間內(nèi)損失給晶格的能量 B 是??的整數(shù)倍,表示為:

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      式中 c 為正整數(shù),由于晶格振動與溫度 T0 有關(guān),B 也可寫為:

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      當(dāng)電場上升到使平衡破壞時,碰撞電離過程即刻發(fā)生,該場強(qiáng)被認(rèn)為就是碰撞電離開始發(fā)生的起始場強(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,單電子理論對于低溫場合是適用的,集合電子近似理論適用于無定形固體電介質(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)電場作用下單個電子的平均特性來求解臨界擊穿場強(qiáng)。希伯爾以 B 為最大值時的平衡條件作為擊穿的臨界條件,即 u=uc 時平衡關(guān)系為

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      希伯爾電擊穿的臨界條件表示著,低能的電子從電場獲得的能量大于最大能量損耗時,才會導(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為希伯爾擊穿場強(qiáng)。

弗羅利赫以電子能量達(dá)到電離能時的平衡條件作為擊穿的臨界條件,即平衡關(guān)系為:

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       式中 EF 為弗羅利赫擊穿場強(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)外加電場的加速能量略低于 ui 的高能電子時,就會發(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:

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      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:

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       式中,ΔV 為能帶中陷阱能級激發(fā)態(tài)的寬度,上式表明擊穿場強(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,電子在電場作用下不斷向陽極運動,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,主要通過賽茲理論來估算介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。賽茲理論說明雪崩擊穿的形成需要碰撞電離的過程發(fā)展到四十代,稱之為“四十代理論",經(jīng)過嚴(yán)格的計算,更精確的解應(yīng)為 38。這種擊穿的特征是擊穿場強(qiáng)具有低溫區(qū)的特性,當(dāng)介質(zhì)厚度很薄,電子崩已在陽極復(fù)合,擊穿場強(qiáng)將會提高。

航天縱橫ZJC-50kV (1).jpg

關(guān)鍵詞:擊穿強(qiáng)度;電氣強(qiáng)度;擊穿電壓;介電強(qiáng)度

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