气隙对电容和击穿场强的影响

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1、气隙对电容和击穿场强的影响肖啸,邓敏,肖志刚,许德富　　摘要:电容和击穿场强是电容器的两个重要电性能指标。以平板电容器和圆柱形电容器为例,分析了电介质中存在的气隙对电容和击穿场强的影响,结果表明气隙会导致电容和击穿场强降低。　　关键词:电容器;电容;击穿场强;气隙;电介质　　Abstract:Condenser’scapacityandbreakdoportantindicatorsofelectricalproperties.Toplatecondenserandcylindricalcondenser,theeffectsofairgaponcapaci

2、tyandbreakdownfieldstrengtharediscussedinthispaper,andresultsshowthattheairgapindielectricwillcauselowercapacityandbreakdownfieldstrength.　　Keywords:condenser;capacity;breakdownfieldstrength;airgap;dielectric　　　　1引言　　电容器是应用于现代电工技术和电子技术中的重要元件,起着隔直、滤波、耦合、调谐、能量存储等作用。电容和击穿场强(或击穿电压)是电容器

3、的两个重要电气性能指标,电容表征了电容器容纳电荷的本领,击穿场强则反映了组成电容器的重要材料——电介质在电场作用下保持正常性能的极限能力。一般来说,电容与电容器的结构和电介质有关,击穿场强主要由电介质决定,而实际中,即使是单一绝缘结构的电容器,由于材料的不均匀性(比如含有杂质或空气间隙)都会对电容和击穿场强有影响。本文以广泛应用的平板电容器和圆柱形电容器为例,分析了单一绝缘介质内部的空气间隙对电容和击穿场强的影响。　　2气隙对平行板电容器的影响　　内含气隙的单一电介质构成的平行板电容器见图1。设平行板电容器极板面积为S,距离为d,极板间有相对电容率为εr的电

4、介质,球形气隙的半径为r0,且r0<

5、的本领下降。由推导过程与气隙形状无关可知,该结论并不限于球形气隙,可推广至其他形状气隙和有多个气隙存在的情况。　　2.2击穿场强　　设平板电容器两极电压为U,且平行板内无气隙时,忽略边缘效应,电介质中的电场可视为匀强电场,电场强度为E0=U/d。当电容器正常工作时,该场强应小于电介质的击穿场强Eb(Eb=Ud/d,Ud为击穿电压),即E0<Eb。　　若电介质中存在如前所述的球形气隙时(r0<

6、力学知识可推导出球形气隙内、外的电场分布。[2]气隙内部是一均匀电场E,气隙外部电场为E0与处于球心的极化偶极矩(该偶极矩是球形分界面上所有极化电荷的等效偶极矩)相叠加。由于推导过程较为复杂,本文并不涉及具体的推导,详情可参见有关资料。[2~4]球形气隙内部电场强度公式如下:　　(5)　　由于εr>1,则E>E0,即气隙内部的场强大于电介质中的场强;当εr>>1时,E=1.5E0。由于空气的击穿场强小于介质的击穿场强,随着电容器电压升高,E0和E都在增大,当E增大到超过空气的击穿场强时,空气首先被电离击穿,形成放电通道,电压将随之落到

7、气隙两端的电介质上。如果电介质内存在设计中并没有考虑到的多个或大量气隙时,当气隙被击穿后,电场强度有可能超过电介质的击穿场强Eb,造成介质击穿,电容器损坏甚至设备损坏,而此时可能尚未达到额定的击穿电压Ud。因此,在电容器的设计时应考虑到气隙对击穿场强的影响。3气隙对圆柱形电容器的影响　　由相对电容率为εr的单一电介质构成的圆柱形电容器俯视图见图2,电容器内外极板的半径分别为r1、r2,其内含半径为r0球形气隙,且r0远小于电介质厚度d,d=r2-r1,电容器长度为l。　　3.1电容　　设气隙的等效电容为C0,其周围介质的等效电容为C1、C2、C3、C4,如前

8、述2.1中的分析相同,内含气隙的圆柱形电容器的电容C