固体绝缘介质工频电压击穿试验仪击穿理论

固体绝缘介质击穿理论

      与气体、液体介质相比，固体介质的击穿场强较高，可是固体介质一旦被破坏便会在材料中留下不能恢复的痕迹，比如烧焦或熔化的通道、裂缝等，在失去电压之后也无法自行恢复绝缘性能。固体电介质的击穿，常见的有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起的击穿等形式，在本研究中环境温度较低，硅橡胶材料的击穿形式主要是电击穿。固体介质电击穿理论主要为碰撞电离理论和半导体隧道击穿基础上建立的理论，前者实际是量子碰撞电离击穿理论。大约在上世纪 30 年代，以希伯尔和弗罗利赫为代表，建立了固体电介质的碰撞电离理论。

根据击穿发生的判定条件不同，电击穿理论可分为两类：

      以碰撞电离开始作为击穿判据，这类理论被称为碰撞理论或本征电击穿理论；以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构作为击穿判据，称为雪崩击穿理论。

本征电击穿理论的模型如下：

       在电场 E 的作用下，单位时间内电子获得能量的平均速率为 A，则 A 与场强及电子能量有关，可表示为：

       式中 E 为电场强度，µ为电子能量。自由电子从电场获得能量的大小与电子的自由行程时间有关，自由行程时间又被称为松弛时间。在电场中得到加速的电子的平均速度为：

       电子单位时间获得的能量为：

         式中 e 为电子电荷，m*为电子有效质量，τ为松弛时间。晶格振动的能量是量子化的，角频率为ω的晶格波的能量为( 为普朗克常量)，在单位时间内电子与晶格振动相互作用的次数为/1，单位时间内损失给晶格的能量 B 是的整数倍，表示为：

      式中 c 为正整数，由于晶格振动与温度 T0 有关，B 也可写为：

      当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程即刻发生，该场强被认为就是碰撞电离开始发生的起始场强。根据导电电子处理方法的不同，本征击穿理论可分为单电子近似理论和集合电子近似理论，单电子理论对于低温场合是适用的，集合电子近似理论适用于无定形固体电介质的高温击穿。

(1)单电子近似理论：

       单电子近似理论不考虑介质中电子间的相互影响，采用强电场作用下单个电子的平均特性来求解临界击穿场强。希伯尔以 B 为最大值时的平衡条件作为击穿的临界条件，即 u=uc 时平衡关系为

      希伯尔电击穿的临界条件表示着，低能的电子从电场获得的能量大于最大能量损耗时，才会导致碰撞电离的产生，因此希伯尔的上述判据被称为低能判据，EH为希伯尔击穿场强。

弗罗利赫以电子能量达到电离能时的平衡条件作为击穿的临界条件，即平衡关系为：

       式中 EF 为弗罗利赫击穿场强，ui 为电离能。弗罗利赫认为晶体导带中各种能量的电子都以一定的几率存在，大多数的能量较低，也有部分处在电离能附近的高能电子。当外加电场的加速能量略低于 ui 的高能电子时，就会发生碰撞电离，上述判据称为高能判据。

(2)集合电子近似理论

       导电电子的密度较高，在电场加速后能量升高，不仅相互之间交换能量，而且与晶格交换能量，与晶格交换能量的平衡关系表示为：

      式中 A 表示获得能量速率的平均值，B 表示损失能量速率的平均值，Te 为电子温度，T0 为介质温度。一旦平衡被破坏，电子平均的被加速至发生碰撞电离，上述求解的结果为：

       式中，ΔV 为能带中陷阱能级激发态的宽度，上式表明击穿场强随着晶格温度的升高而下降，它是弗罗利赫高温击穿理论。

      碰撞电离雪崩击穿的模型：导带中的电子发生碰撞电离后，电子在电场作用下不断向阳极运动，并且形成电子崩，传递的能量足以破坏晶格结构，固体被击穿，主要通过赛兹理论来估算介质的击穿场强。赛兹理论说明雪崩击穿的形成需要碰撞电离的过程发展到四十代，称之为“四十代理论"，经过严格的计算，更精确的解应为 38。这种击穿的特征是击穿场强具有低温区的特性，当介质厚度很薄，电子崩已在阳极复合，击穿场强将会提高。

关键词：击穿强度；电气强度；击穿电压；介电强度