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固體電介質擊穿電壓試驗儀的擊穿理論
閱讀：1555發布時間：2023-9-20
1、電擊穿理論：
固體介質電擊穿理論建立在氣體放電的碰撞電離理論基礎上。氣體碰撞電離理論指出，擊穿場強與電子的自由行程有關，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倍的產物，那么固體內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,這一估算結果與試驗結果相差不大。所以，以氣體碰撞電離模型為出發點來說明固體電擊穿現象是有根據的。
固體電介質電擊穿按照擊穿發生的判定條件不同，可以大致分為兩類，一類是以碰撞電離作為擊穿判據的碰撞電離理論，另一類是以電離開始后，電子數目倍增到一定數值，足以破壞介質絕緣狀態作為判據的雪崩擊穿理論。
碰撞電離理論是指固體電介質內部導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生碰撞，同時把本身的能量傳遞給晶格，引起晶格振動。當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，產生電子，電介質內部的自由電子數目逐漸增加，最終形成貫穿兩極的通道，介質發生擊穿。
雪崩擊穿理論是指介質中碰撞電離發生后，電子一面向陽極運動，一面發展碰撞電離，介質中的電子數目呈指數規律增長，產生“電子雪崩"。當電子雪崩發展到一定的程度，傳遞的能量足以破壞介質的晶格結構時，介質發生擊穿。賽茲通過計算發現，當電子經過40次碰撞，也就是說，陰極發出的初始電子，在向陽極運動的過程中，1cm內的電離次數達到40次，介質便開始發生擊穿，這個理論也稱為“四十代"理論。
伴隨著對固體電介質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值，聚合物分子密度變大會減小聚合物內部電子的自由行程，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所處的環境溫度幾乎無關；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；三是介質本身發熱不明顯；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，固體聚合物內部會產生熱量，同時也向周圍環境散發熱量，當介質處于低溫且散熱好的環境下，介質的發熱量與散熱量可以維持動態平衡，聚合物內部的熱量不會累積，這個狀態叫做介質的熱穩定狀態，此時聚合物的溫度維持在一個相對穩定的水平。當介質本身的發熱量大于散熱量，介質內部的發熱與散熱失去平衡，熱量會不斷積累，溫度不斷上升。在電場作用下，由于介質內部的極化和傳導電流會引起聚合物材料的電能損耗，會使電介質內部溫度上升，并且使介質的損耗增大，發熱量繼續增加，如此的惡性循環，最終導致聚合物分解、熔化、碳化或燒焦，進而失去其絕緣性能而發生擊穿，這種形式的擊穿稱之為熱擊穿。
熱擊穿通常出現在介質熱循環不通暢的地方，而且其擊穿行為發生的速度相比于電擊穿慢很多，通常出現在幾秒或者幾十秒左右。伴隨著介質內部溫度的不斷升高，介質電導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、電化學擊穿理論：
在長期工作電壓的作用下，固體聚合物內部會產生局部放電現象，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生擊穿的現象稱為電化學擊穿。在聚合物即將擊穿時，由于劣化處缺陷的存在，導致該處溫度升高進而出現熱擊穿，也會因聚合物劣化后電氣強度大幅度降低而發生電擊穿。局部放電是聚合物局部出現氣隙或氣泡而造成放電的現象。聚合物內部出現局部放電現象有以下三種原因。一是在局部放電過程中產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和介質損耗增加；三是帶電粒子的撞擊導致分子內部結構發生破壞。局部放電引起的這幾個因素嚴重影響著聚合物（如紙、布、漆及聚乙烯材料等）的電學性能。
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