电容器击穿的定义:
当作用于电介质的外施场强升高到某一定值时,电介质便由介电状态突变为完全导电状态,该突变过程称为电介质击穿。此时通过电介质的电流剧增,通常以电介质伏安特性的增加速率趋于零作为发生击穿的判据。
常见的击穿大致分为电击穿、热击穿、局部放电击穿三类。
一、电击穿:
1.定义:电击穿是一种电子过程,电击穿有本征击穿理论和“雪崩”击穿理论等多种描述方法。
2.特点:电压作用时间短、击穿电压高,击穿场强与电场均匀程度密切相关,但与周围温度和电压作用时间几乎无关。
二、热击穿:
定义:热击穿是由于电介质内部热的不稳定造成的。当电介质施加电场时,电介质中的损耗将引起发热,使其温度升高,若散热条件良好,环境温度较低,发热与散热可以在一定温度下平衡,则电介质处于热稳定状态,若散热条件不良或环境温度较高,电介质的发热大于散热,则电介质温度降不断上升,引起电介质分解、碳化等,致使电介质击穿。
特点:与电击穿比较,电压作用时间长,击穿电压较低,电介质温升高。
热击穿电压(场强)与以下参数和条件相关:
1)热击穿电压(场强)随环境温度升高呈指数形式下降。
2)频率提高时,热击穿电压(场强)下降
3)热击穿电压(场强)直接与散热条件有关
4)电介质体积增大时,热击穿电压(场强)下降
5)tanδ增大,热击穿电压(场强)下降。
三、局部放电击穿
定义:局部放电是一种导体间电介质内部所发生的局部击穿的放电。该放电可能发生在绝缘内部或邻近导体的地方。例如,在含有气体(气隙或气泡)或液体(油膜)的电容器固体电介质中,当击穿强度较低的气体或液体的局部电场强度达到其击穿场强时,该部分气体或液体发生放电,使电介质发生不连贯电极的局部击穿。
分类:
1)内部放电:指发生在电介质内部的气隙和杂质上的放电
2)沿面放电:指在存在电场切线分量的电介质表面上的放电
3)电晕放电:指在电极边缘与尖点处极不均匀电场区域气体中的放电
长期放电会产生的作用:
1)电的作用:带电粒子对电介质接触界面的直接轰击作用,使有机电解质的分子主链断裂
2)热的作用:带电粒子的轰击作用引起电介质局部温度上升,发生热熔接或热降解
3)化学作用:局部放电产生的受激分子或二次生成物,使电介质受到可能比电、热作用危害更大的侵蚀。
局部放电的上述作用使电介质(特别是有机电介质)的老化损伤逐步加深、扩大,导致整个电介质击穿。
电容器击穿的特征
电容器击穿大多发生在下面三个部位:
1)元件内电介质击穿,包括极板中间电介质击穿、极板边缘电介质击穿等。
2)电容器的电极对外壳绝缘击穿,常表现为电容器心子引出线与外壳之间的绝缘击穿,以及元件介质击穿引起心子包封绝缘破坏,造成极对外壳击穿。
3)电容器引出线之间绝缘击穿造成极间短路。
以上三种击穿以元件内电介质击穿最为常见。
造成元件内电介质击穿的因数:外部因数与使用条件有关,主要与环境温度、稳态过电压及其作用时间、操作过电压幅值和持续时间及承受次数、电网谐波等相关。
内在的因数主要由:电场均匀程度及边缘效应、电介质材料的弱电、制造过程中造成元件固体电介质的机械损伤及皱褶、电容器中残留的空气、水分及杂质等。
影响绝缘击穿电压的主要因数
一、电压作用时间。
若外加电压作用时间很短(如1/10s以下)而介质就被击穿,则这种击穿很可能是电击穿。
二、温度
电介质周围温度在某一温度值以下时,电介质的耐电强度很高,且与温度关系很小,这时发生的击穿属于电击穿;在该温度以上时则属于热击穿。这一温度成为转折温度,不同材料有不同的转折温度。周围温度越高,散热条件越差,热击穿电压就越低。
三、电场均匀程度
在均匀电场中,电介质的击穿电压往往很高,且与电介质厚度接近线性关系。在不均匀电场中,平均击穿场强与电场分布的均匀程度有关。电容器常用的播磨和纸往往因为含有杂质、孔隙、厚度不均匀或其他缺陷,形成弱电。这些弱电会在元件内部造成局部电场畸变,使得这些点上集中了较强的电场,容易最早达到击穿的条件。
四、边缘效应及周围媒质。
电极边缘的场强往往较高,击穿容易从这里开始,因此极板边缘是元件击穿的又一主要部位。
五、潮湿和气体
绝缘材料受潮后,击穿场强的下降程度与材料性能有关。如果固体电介质层中包含气隙或气泡,也会在较低电压下发生局部放电,从而引起电介质性能的恶化和击穿。
因此,在电容器制造时应采取一些列响应的措施,以有效提高电容器的击穿场强。例如:采用净化处理工艺,去除液体电介质中的水分、气体和杂质;采用真空干燥工艺,排除电容器外壳内的水分和空气,人后充注经净化处理的液体电介质;选用析气性能好的液体电介质,以利于吸收液体电介质中残存的或由电场作用分解的微量气体。
六、累积效应
雷电过电压或操作过电压有时虽然峰值较高,但由于时间短,不至于使绝缘立即形成贯穿的击穿通道,仅在固体绝缘中产生局部损伤或不完全击穿。但多次承受冲击后,将会产生累积效应,一些列的不完全击穿,将导致绝缘的完全击穿。