气隙对电容和击穿场强的影响

1 / 4气隙对电容和击穿场强的影响作者：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: Condensers capacity and breakdown field strength are two important indicators of electrical properties. To plate condenser and cylindrical condenser, the effects of air gap on capacity and breakdown field strength are discussed in this paper, and results show that the air gap in dielectric will cause lower capacity and breakdown field strength. Keywords: condenser; capacity; breakdown field strength; air gap; dielectric 2 / 41 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。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 r 的电介质,球形气隙的半径为 r0,且 r01,则 E E0,即气隙内部的场强大于电介质中的场强;当 r 1 时,E=。3 / 4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 r 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。 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,如前述中的分析相同,内含气隙的圆柱形电容器的电容 C 也应为(1)式。无气隙时电容应为1: 4 / 4(6) 其中 为无气隙时,图 1 中 C0、C3 和 C4 区域的电容。同样由电容器的串联定律可知 C 1,则 E E,即气隙中的场强要大于相同半径处介质中的场强,同前述中的分析结果相同,在电压增大时,气隙容易被首先击穿,进而可能导致电容器损坏。 4 结束语 由上述讨论可知,当电介质中存在气隙时将会