击穿电压强度和介电强度的类型和影响因素

击穿电压强度和介电强度的类型和影响因素?

一、介电击穿

在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力，电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎，称为介电击穿。

a.可用击穿效应来破碎非金属矿石等

b.击穿是标志电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，是决定电力设备，电子元器件最终使用寿命的重要因素。

二、.击穿电压

       导致击穿的低临界电压称为击穿电压

三、介电强度

电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强,即介电强度Ec，是绝缘性能好坏的一个重要标志。

均匀电场介电强度:击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度（简称击穿场强，又称介电强度），它反映固体电介质自身的耐电强度。

不均匀电场介电强度:击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体电介质的介电强度。

固体电介质的击穿类型及影响因素?

热击穿、电击穿和电化学击穿

（一） 固体电介质的热击穿

发生在高频、高压下。热击穿的核心问题是散热问题.

1）热击穿的本质

在电场作用下，固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿，但因电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力，从而由绝缘状态突变为良导电状态。 

2）热击穿过程

固体电介质在电场作用下将因电导和极化损耗而发热。

A.外加电场为E3>Ec 

固体电介质中的发热量Q1大于散热量Q2 ，介质温度上升，且因Q1 始终大于Q2，所以固体电介质的温度不断上升，最终介质被烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝缘性能，发生热击穿。

Q1：单位时间内固体电介质的发热量

Q2:单位时间内固体电介质的散热量

E3 > Ec > E1 

B.外加电场为E1< Ec

虽然开始时Q1>Q2 ，固体电介质温度上升；但当温度度升到Tc时，发热量与散热量 相等，建立起了热平衡。此时，若介质能耐受温度Tc的作用，则固体电介质能正常工作，不会发生热击穿。

介质中发热与散热平衡关系示意图

C.外加电压为等于Ec

当介质温度升到Tc时，建立起了热平衡，但不稳定。温度略有升高，发热量Q1即大于散热量Q2，最终仍然发生热击穿。电场强度Ec是发生热击穿的临界场强Ec 。

3）热击穿电压

1）温度不均匀的厚膜介质

A，B是与材料有关的常数。

 (1)热击穿电压随环境温度升高而降低。

(2)热击穿电压大致不随介质的厚度变化。

2.温度均匀薄膜介质

e为自然对数的底， Uc随试样厚度的平方根而变化。

（二） 固体介质的电击穿

电击穿 取决于固体电介质中碰撞电离的一种击穿形式。电场使电介质中积聚起足够数量和足够能量的自由电子，导致电介质丧失绝缘性能。

1）电击穿的本质

电击穿是介质在强电场作用下, 被击发出自由电子而引起.

电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。

2）电击穿的过程

1)外加电场为 E2  > Ec

一部分传导电子的能量处于W2  ～Wc  之间，单位时间内这些电子取得的能量A始终大于失去的能量B，电子被加速，碰撞晶格时产生电离，使处于导带的电子不断增加，电流急剧上升，最终导致固体电介质击穿。

2)外加电场为E1 < Ec 时，

虽然偶而会有能量大于W1 的电子出现，且因此时A > B而使晶格发生碰撞电离、产生新的传导电子；但因电子能量大于W1 的概率很低,所以传导电子不断增多的过程很难出现，固体电介质不会击穿。

A:单位时间内这些电子取得的能量

B:单位时间内传导电子失去的能量

E:电场强度

W:电子本身能量

T:晶格温度

介电强度:处于临界状态的Ec 即为固体电介质的介电强度

3）击穿场强

A.本征电击穿理论

多发生在温度较低、电压作用时间较短时，纯净、均匀固体电介质中。

当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生。把这一起始场强作为介质电击穿场强的理论即为本征击穿理论.

本征电击穿场强，随温度升高而降低。

B. “雪崩"电击穿理论

电击穿判据：

1）“雪崩"电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到一定数值（足以破坏介质绝缘状态）作为电击穿判据。

2）Seitz提出以电子“崩"传递给介质的能量足以破坏介质晶体结构作为击穿判据。

“雪崩"电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别：

本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破坏后突然发生的，而“雪崩"击穿是考虑到高场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度，最终介质晶格破坏。  

“四十代理论"

从阴极出发的电子，一方面进行“雪崩"倍增；另一方面向阳极运动。

由阴极出发的初始电子，在其向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数达到40次，介质便击穿。一般用来说明“雪崩"击穿的形成，并称之为“四十代理论"。

由“四十代理论"可以推断，当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到四十代，电子崩已进入阳极复合，此时介质不能击穿，即这时的介质击穿场强将要提高。

（三）电化学击穿

1）电化学击穿本质

在电场、温度等因素作用下，固体电介质因缓慢的化学变化，而引起其电气性能逐渐劣化，最终由绝缘状态突变为良导体状态的过程。

2）电化学击穿过程

包括两部分：因固体电介质发生化学变化而引起的电介质老化；

与老化有关的击穿过程。 

电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。

化学老化击穿过程

1）直流电压下， 固体电介质因离子电导而发生电解，结果在电极附近形成导电的金属树状物，甚至从一个电极伸展到另一个电极。结果在两电极间构成导电的通路

2）在电场作用下，固体电介质内部的气泡中， 或不同固体电介质之间的气隙或油隙中，会发生局部放电，造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成*击穿。 

温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。 

离子陶瓷材料的电化学老化现象

指在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。

电化学老化的原因

   (1)阳离子-阳离子电导  

参加导电的为阳离子。同时电极的Ag+也能参与漏导。最后两种离子在阴极处都被电子中和，形成新物质。

    (2)阴离子-阳离子电导  

参加导电的既有正离子，也有负离子。它们分别在阴极、阳极被中和，形成新物质。    

(3)电子-阳离于电导  

参加导电的为一种阳离子，还有电子。例如含钛陶瓷，阳离子Ti 4+发生电还原过程

 Ti 4+ + e → Ti 3+

 (4)电子-阴离子电导 

 参加导电的为一种阴离子，还有电子。例如TiO2在高温下发生缺氧过程，在高温下，氧离子在阳极放出氧气和电子，在阴极Ti 4+被还原成Ti 3+

    阴极    4 Ti 4+ + 4e → 4 Ti 3+

    阳极   2O 2-  → O2 ↑ +  4e

电化学老化的必要条件
      介质中的离子至少有一种参加电导。如果电导纯属电子，则电化学者化不可能发生。

三、影响击穿电压强度和介电强度的因素

同一种电介质中发生何种形式的击穿，取决于不同的外界因素。随着击穿过程中固固体电介质内部的变化，击穿过程可以从一种形式转为另一种形式。 

四、提高击穿电压强度和介电强度措施

根据固体电介质的击穿形式及影响击穿电压的因素，提高固体电介质击穿电压的主要措施有：

1改善电场电场分布，如电极边缘的固体电介质表面涂半导电漆；

2调整多层绝缘中各层电介质所承受的电压；

3对多孔性、纤维性材料晶干燥后浸油、浸漆。以防止吸潮，提高局部放电起始电压；

4加强冷却，提高热击穿电压；

5改善环境条件，防止高温，避免潮气﹑臭氧等有害物质的侵蚀。