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1、氣隙對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響作者：肖嘯,鄧敏,肖志剛,許德富 摘要:電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)是電容器的兩個(gè)重要電性能指標(biāo)。以平板電容器和圓柱形電容器為例,分析了電介質(zhì)中存在的氣隙對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響,結(jié)果表明氣隙會(huì)導(dǎo)致電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低?！ ￡P(guān)鍵詞:電容器;電容;擊穿場(chǎng)強(qiáng);氣隙;電介質(zhì) Abstract:Condenser’scapacityandbreakdownfieldstrengtharetwoimportantindicatorsofelectricalproperties.Toplatecondenserandcyli
2、ndricalcondenser,theeffectsofairgaponcapacityandbreakdownfieldstrengtharediscussedinthispaper,andresultsshowthattheairgapindielectricwillcauselowercapacityandbreakdownfieldstrength. Keywords:condenser;capacity;breakdownfieldstrength;airgap;dielectric 1引言 電容器是應(yīng)
3、用于現(xiàn)代電工技術(shù)和電子技術(shù)中的重要元件,起著隔直、濾波、耦合、調(diào)諧、能量存儲(chǔ)等作用。電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)(或擊穿電壓)是電容器的兩個(gè)重要電氣性能指標(biāo),電容表征了電容器容納電荷的本領(lǐng),擊穿場(chǎng)強(qiáng)則反映了組成電容器的重要材料——電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下保持正常性能的極限能力。一般來(lái)說(shuō),電容與電容器的結(jié)構(gòu)和電介質(zhì)有關(guān),擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要由電介質(zhì)決定,而實(shí)際中,即使是單一絕緣結(jié)構(gòu)的電容器,由于材料的不均勻性(比如含有雜質(zhì)或空氣間隙)都會(huì)對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)有影響。本文以廣泛應(yīng)用的平板電容器和圓柱形電容器為例,分析了單一絕緣介質(zhì)內(nèi)部的空氣間隙對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)
4、的影響。 2氣隙對(duì)平行板電容器的影響 內(nèi)含氣隙的單一電介質(zhì)構(gòu)成的平行板電容器見(jiàn)圖1。設(shè)平行板電容器極板面積為S,距離為d,極板間有相對(duì)電容率為εr的電介質(zhì),球形氣隙的半徑為r0,且r0< 3氣隙對(duì)圓柱形電容器的影響 由相對(duì)電容率為εr的單一電介質(zhì)構(gòu)成的圓柱形電容器俯視圖見(jiàn)圖2,電容器內(nèi)外極板的半徑分別為r1、r2,其內(nèi)含半徑為r0球形氣隙,且r0遠(yuǎn)小于電介質(zhì)厚度d,d=r2-r1,電容器長(zhǎng)度為l?！ ?.1電容 設(shè)氣隙的等效電容為C0,其周?chē)橘|(zhì)的等效電容為C1、C2、C3、C4,如前述2.1中的分析相同,內(nèi)
5、含氣隙的圓柱形電容器的電容C也應(yīng)為(1)式。無(wú)氣隙時(shí)電容應(yīng)為[1]: (6) 其中為無(wú)氣隙時(shí),圖1中C0、C3和C4區(qū)域的電容。同樣由電容器的串聯(lián)定律可知C<C′,即存在氣隙時(shí)電容將減小?！ ?.2擊穿場(chǎng)強(qiáng) 若電介質(zhì)內(nèi)無(wú)氣隙時(shí),在電容器兩極間加電壓U,忽略邊緣效應(yīng),則距離圓柱中心軸線(xiàn)r處的電場(chǎng)強(qiáng)度為[1]:2 (7) 上式說(shuō)明電容器內(nèi)部不是均勻電場(chǎng),r越小,E′越大,電容器內(nèi)極板附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大。 當(dāng)電介質(zhì)內(nèi)存在球形氣隙時(shí),由于氣隙半徑r0很小,可近似認(rèn)為氣隙所在位置的電場(chǎng)仍為均勻電場(chǎng),則氣隙內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)公
6、式可由(5)式修改而得。將(5)式中的均勻電場(chǎng)E0由(7)式E′替換可得氣隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為: (8) 由于εr>1,則E>E′,即氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)要大于相同半徑處介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng),同前述2.2中的分析結(jié)果相同,在電壓增大時(shí),氣隙容易被首先擊穿,進(jìn)而可能導(dǎo)致電容器損壞。 4結(jié)束語(yǔ) 由上述討論可知,當(dāng)電介質(zhì)中存在氣隙時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電容器電容值降低,電容器抗擊穿能力下降,雖然電容值和擊穿場(chǎng)強(qiáng)并非越大越好,但氣隙的影響確實(shí)客觀(guān)存在,因此應(yīng)在電容器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中考慮這一問(wèn)題,留下足夠的寬裕度?！ ⒖嘉墨I(xiàn) 1馬文蔚.物理學(xué)教
7、程上冊(cè)(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2002.7 2晁立東.工程電磁場(chǎng)基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.1 3趙玉華.極化電介質(zhì)球的電場(chǎng)與計(jì)算[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007.12(3):117～119 4朱佩泓.均勻外電場(chǎng)中的介質(zhì)球和橢球的場(chǎng)[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào),2003.25(2):25～272
