擊穿電壓的主要因素

影響固體介質擊穿電壓的因素甚多，下面介紹幾種主要的影響因素。

電介質的老化 
電氣設備在長期運行中，其介質不可避免的要承受熱的、電的、化學的和機械力的作用。在這些因素的作用下，介質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，如電導變大、變大和絕緣強度下降等，這種在性能方面出的不可逆的劣化現(xiàn)象稱為介質的老化。 
電介質的老化分為三類：由電場作用引起的電老化、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程。 
一、電老化
電老化分為局部放電老化、電導性老化和電解性老化三種類型。 
介質內(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，使介質層間、介質與電極間或介質內(nèi)部殘留的也可能是浸漬劑與介質材料的膨脹系數(shù)不同由溫度變化所引起的介質在運行中也可能分解出氣體，形成小氣泡介質中的水分電離分解也能產(chǎn)生氣泡。氣體介質的相對介電常數(shù)接近，比固、液體介質的相對介電常數(shù)小得多，因而在電場作用下的場強就比鄰近的固、液體介質中的場強大得多，而擊穿場強又比固、液體介質的低得多，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，特別是對有機絕緣物，能使主鏈斷裂，高分子解聚或部分變?yōu)榈头肿?，介質的物理性能變差。 
局部溫度升高，氣泡膨脹，使介質開裂、分層、變脆，高溫同時能使材料產(chǎn)生化學分解，使該部分電導和損耗變大。 
局部放電產(chǎn)生的和等氣體對有機物產(chǎn)生氧化侵蝕，使介質逐漸劣化，特別 
是介質受潮后，還可能與潮氣結合生成亞硝酸或硝酸，對介質及金屬電極都產(chǎn)生腐蝕。

電壓作用時間 

如果電壓作用時間很短（例如以下），固體介質的擊穿往往是電擊穿，擊穿

電壓當然也較高。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時很難分清，例如在工頻交流 耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結果。電壓作用時間長達數(shù)十 小時甚至幾年才發(fā)生擊穿時，大多屬于電化學擊穿的范疇。 
以常用的油浸電工紙板為例，在圖中，以頻擊穿電壓（峰值）作為基準值，縱坐標以標么值來表示。電擊穿與熱擊穿的分界點時間約在之間，作用時間大于此值后，熱過程和電化學作用使得擊穿電壓明顯下降。不過擊穿電壓與更長時間（圖中達數(shù)百小時）的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪㈩l試驗電壓作為基礎來估計固體介質在工頻電壓作用下長期工作時的熱擊穿電壓。許多有機絕緣材料的短時間電氣強度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長時間電氣強度很低，這一點必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結構中（例如旋轉電機），就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機絕緣材料。 
圖油浸電工紙板的擊穿電壓與加電壓時間的關系時 
電場均勻程度和介質的厚度 
處于均勻電場中的固體介質，其擊穿電壓往往較高，且隨介質厚度的增加近似地成線性增大若在不均勻電場中，介質厚度增加將使電場更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加厚度的意義就更小了。 
常用的固體介質一般都含有雜質和氣隙，這時即使處于均勻電場中，介質內(nèi)部的電場分布也是不均勻的，**電場強度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過真空干燥、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均勻度的改變，則擊穿電壓與頻率幾乎無關。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，在工頻時的擊穿電壓為（有效值），而在高頻時擊穿電壓僅為（有效值）。這是因為頻率上升使介質損耗上升，導致發(fā)熱，促使熱擊穿過程的發(fā)展。 
溫度 
固體介質在某個溫度范圍內(nèi)其擊穿性質屬于電擊穿，這時的擊穿場強很高，且與溫度幾乎無關。超過某個溫度后將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低如果其周圍媒質的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。因此，以固體介質作絕緣材料的電氣設備，如果某處局部溫度過高，在工作電壓下即有熱擊穿的危險。不同的固體介質其耐熱性能和耐熱等級是不同的，因此它們由電擊穿轉為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。 
受潮 
受潮對固體介質擊穿電壓的影響與材料的性質有關。對不易吸潮的材料，如聚乙烯聚四氟乙烯等中性介質，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右容易吸潮的極性介質，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時的百分之幾或更低，這是因電導率和介質損耗大大增加的緣故。所以高壓絕緣結構在制造時要注意除去水分，在運行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。 
累積效應
固體介質在不均勻電場中以及在幅值不很高的過電壓，特別是雷電沖擊電壓下，介質內(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，局部損傷會逐步發(fā)展，這稱為累積效應。顯然，它會導致固體介質擊穿電壓的下降。 
在幅值不高的內(nèi)部過電壓下以及幅值雖高、但作用時間很短的雷電過電壓下，由于加電壓時間短，可能來不及形成貫穿性的擊穿通道，但可能在介質內(nèi)部引起強烈的局部放電，從而引起局部損傷。 
主要以固體介質作絕緣材料的電氣設備，隨著施加沖擊或工頻試驗電壓次數(shù)的增多，可能因累積效應而使其擊穿電壓下降。因此，在確定這類電氣設備耐壓試驗加電壓次數(shù)和試驗電壓值時，應考慮這種累積效應，而在設計固體絕緣結構時，應保證一定的絕緣裕度。 

擊穿的定義：

使電介質擊穿的電壓。電介質在足夠強的電場作用下將失去其介電性能成為導體,稱為電介質擊穿,所對應的電壓稱為擊穿電壓。

使電介質擊穿的電壓。電介質在足夠強的電場作用下將失去其介電性能成為導體,稱為電介質擊穿,所對應的電壓稱為擊穿電壓。電介質擊穿時的電場強度叫擊穿場強。不同電介質在相同溫度下,其擊穿場強不同。當電容器介質和兩極板的距離d一定后,由U1-U2=Ed知,擊穿場強決定了擊穿電壓。擊穿場強通常又稱為電介質的介電強度。提高電容器的耐壓能力起關鍵作用的是電介質的介電強度。附表為各種電介質的相對介電常量εr和介電強度。

電介質 εr 擊穿場強,×106/(V·m-1)

擊穿電壓是電容器的極限電壓，超過這個電壓，電容器內(nèi)的介質將被擊穿.額定電壓是電容器長期工作時所能承受的電壓，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，不要誤認為電容器只有在額定電壓下工作才是正常的。

擊穿機理

當 PN 結的反向偏壓較高時，會發(fā)生由于碰撞電離引發(fā)的電擊穿，即雪崩擊穿。存在于半導體晶體中的自由載流子在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下被加速其能量不斷增加，直到與半導體晶格發(fā)生碰撞，碰撞過程釋放的能量可能使價鍵斷開產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對又分別被加速與晶格發(fā)生碰撞，如果平均每個電子(或空穴)在經(jīng)過耗盡區(qū)的過程中可以產(chǎn)生大于 1 對的電子空穴對，那么該過程可以不斷被加強，終達到耗盡區(qū)載流子數(shù)目激增，PN 結發(fā)生雪崩擊穿。定義碰撞電離率 α 為載流子沿電場方向經(jīng)過單位距離而引發(fā)新的電子空穴對的幾率，對于硅而言，電子與空穴對應的碰撞電離率 α 是不相同的，為簡化計算，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:

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

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

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

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

擊穿電壓 BV 為電場沿其起點至其終點的路徑積分值。

標簽：電壓擊穿試驗儀，介電擊穿強度試驗儀，耐電壓強度擊穿試驗儀，