电介质物理-电介质的击穿1ppt课件

1、电介质的击穿电介质的击穿Breakdown of Dielectrics李建英李建英2019年年4月月5月月 11. 概述概述2. 气体电介质的击穿气体电介质的击穿 3. 液体电介质的击穿液体电介质的击穿4. 固体电介质的击穿固体电介质的击穿 主要内容：主要内容：2绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电概述概述3绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络概述概述4绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电大气压下均匀放电大气压下均匀放电概述概述5绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电大气压下均匀放电大气压下均匀放电固体绝缘资料中的放电固体绝缘资料中的放电概述概述6绝缘子的沿面闪

2、络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电大气压下均匀放电大气压下均匀放电电缆击穿事故电缆击穿事故概述概述7绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电变压器电缆终端击穿事故变压器电缆终端击穿事故概述概述8绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电大气压下均匀放电大气压下均匀放电 美国加州美国加州 20192019年年1 1月以及月以及3 3月延续两次发生全州停电月延续两次发生全州停电事故。为防止整个系统瘫事故。为防止整个系统瘫痪，加州实行了二战后的痪，加州实行了二战后的初次灯火控制，以防止对初次灯火控制，以防止对电力设备呵斥损害，引发电力设备呵斥损害，引发更大面积的不能控制的断更大面积的不

3、能控制的断电事故。电事故。 主要缘由设备严重老化。主要缘由设备严重老化。加州大停电加州大停电概述概述9绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电 2019 2019年年2 2月月2222日停电事故，沈阳市区停电面积超越日停电事故，沈阳市区停电面积超越70%70%。事故是从高压输。事故是从高压输电线路的燃弧放电开场的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶电线路的燃弧放电开场的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘才干降低，电流沿着瓷瓶外表爬升，出现闪烙放电景象。辽上，大雾湿气使瓷瓶绝缘才干降低，电流沿着瓷瓶外表爬升，出现闪烙放电景象。辽沈停

4、电事故中，几乎一切的高压输电线路都沈停电事故中，几乎一切的高压输电线路都“火冒三丈，停电事故最厉害的就是工火冒三丈，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停顿了电力供应，损失宏大。业集中、污染严重的铁西区，该区全部停顿了电力供应，损失宏大。辽沈大停电辽沈大停电概述概述10概述概述景象：当施加于电介质的电场景象：当施加于电介质的电场强度增大到一定程度时，电介强度增大到一定程度时，电介质由绝缘形状突变为导电形状，质由绝缘形状突变为导电形状，此跃变景象称为电介质的击穿。此跃变景象称为电介质的击穿。0dIdU UB U U I 0 表征：介质发生击穿时，经过表征：介质发生击穿时，经过

5、介质的电流猛烈地添加，介质的电流猛烈地添加，其特征为：其特征为：11概述概述介质击穿：电极间的短路景象；是电介质的根本性能之一；介质击穿：电极间的短路景象；是电介质的根本性能之一；决议了电介质在强场下坚持绝缘性能的极限才干；成为决议决议了电介质在强场下坚持绝缘性能的极限才干；成为决议电工、电子设备最终寿命的重要要素。电工、电子设备最终寿命的重要要素。介电强度：绝缘介质所能接受的不产生介质击穿的最大场强。介电强度：绝缘介质所能接受的不产生介质击穿的最大场强。Breakdown is a cross-over in the current from Breakdown is a cross-ove

6、r in the current from stability to instability at some field, with stability to instability at some field, with consequent material modification.consequent material modification.绝缘技术向高场强方向开展：绝缘技术向高场强方向开展：高压输电；高能粒子加速器；半导体器件；集成电路高压输电；高能粒子加速器；半导体器件；集成电路介质击穿的运用：气隙开关、放电管，部分放电介质击穿的运用：气隙开关、放电管，部分放电 等离子体对细胞

7、膜的作用等离子体对细胞膜的作用12概述概述13介质击穿主要分为热击穿和电击穿两大类介质击穿主要分为热击穿和电击穿两大类p 热击穿热击穿p 由于介质内热的不稳定过程所呵斥非本由于介质内热的不稳定过程所呵斥非本征性质征性质 介介质质电电流流 介介质质加加热热 电电导导增增加加 电电流流增增大大 介介质质破破坏坏 概述概述p 电击穿电击穿p 是介质在强电场作用下产生的本征物理过程是介质在强电场作用下产生的本征物理过程p 度量介质耐受电场作用的才干度量介质耐受电场作用的才干耐电强度耐电强度p 具有可逆与不可逆的击穿方式具有可逆与不可逆的击穿方式与资料性能、绝缘构造、电压种类、环境温度有关与资料性能、绝

8、缘构造、电压种类、环境温度有关14概述概述15概述概述 电电 击击 穿穿 气气 体体 介介 质质 击击 穿穿 理理 论论 固固 体体 介介 质质 击击 穿穿 的的 理理 论论 模模 型型 汤汤 逊逊 理理 论论 流流 注注 理理 论论 阴阴极极发发射射初初始始电电子子 二二次次电电子子自自持持放放电电 阳阳极极流流注注的的形形成成 本本征征电电击击穿穿模模型型 碰碰撞撞电电离离雪雪崩崩击击穿穿 隧隧道道效效应应击击穿穿 击击穿穿理理论论研研究究进进展展 阴阴极极流流注注的的形形成成 16概述概述 电介质的根本电性能参数之一，代表了电介质在电场作用电介质的根本电性能参数之一，代表了电介质在电场作

9、用下坚持绝缘形状的极限才干。下坚持绝缘形状的极限才干。 绝缘损坏是呵斥电力设备、电力系统事故的主要要素，约绝缘损坏是呵斥电力设备、电力系统事故的主要要素，约占占70%70%。 高场强的运用越来越多，如电子器件，电压不高场强高，高场强的运用越来越多，如电子器件，电压不高场强高，高场强问题多。高场强问题多。 击穿过程中，有电流倍增效应，以及光、热、机械力的作击穿过程中，有电流倍增效应，以及光、热、机械力的作用，在工程运用技术中，有宽广的运用前景。如超薄电视用，在工程运用技术中，有宽广的运用前景。如超薄电视机就是气体放电机就是气体放电引起荧光物质发光。引起荧光物质发光。研讨击穿的意义和作用研讨击穿的

10、意义和作用17气体介质的击穿气体介质的击穿特点：电流剧增、发光、发声特点：电流剧增、发光、发声表现方式：表现方式： 辉光放电：气压低、功率小辉光放电：气压低、功率小 火花放电火花放电 电弧放电电弧放电 电晕放电：电场极不均匀电晕放电：电场极不均匀气压不太低气压不太低18气体介质的击穿气体介质的击穿根本实际：根本实际： 1载流子的产生过程载流子的产生过程 2载流子的消逝载流子的消逝 3碰撞电离实际模型碰撞电离实际模型 4极不均匀电场中气体的击穿极不均匀电场中气体的击穿330kV输电线路杆塔19一一. .强电场下气体中载流子的产生强电场下气体中载流子的产生l 强电场下气体载流子产生强电场下气体载流

11、子产生碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离正离子撞击阴极正离子撞击阴极光电发射光电发射l 原子的鼓励和电离原子的鼓励和电离l 阴极的外表电离阴极的外表电离气体介质的击穿气体介质的击穿热电子发射和场致发射热电子发射和场致发射负离子的构成负离子的构成20l 原子的鼓励和电离原子的鼓励和电离鼓励鼓励在外界要素作用下，原子中的电子获在外界要素作用下，原子中的电子获得能量，可以跃迁到能量较高的能级得能量，可以跃迁到能量较高的能级轨道上去，这个过程称为原子的鼓励。轨道上去，这个过程称为原子的鼓励。eA WA基态基态鼓励能鼓励能鼓励态鼓励态不稳定，寿命为不稳定，寿命为10-710-8 s，然后又前往到基

12、态。，然后又前往到基态。A气体介质的击穿气体介质的击穿21鼓励电位鼓励电位eeWe 鼓励能鼓励能eWeV鼓励过程所需求的能量鼓励过程所需求的能量有时，用鼓励电位来反映鼓励能有时，用鼓励电位来反映鼓励能 电子电荷电子电荷AAh 表示普朗克常数，表示普朗克常数， Js Js。 表示光子能量。表示光子能量。hh346.62 10h气体介质的击穿气体介质的击穿22电离电离在外界电离要素作用下，原子中一个或几个在外界电离要素作用下，原子中一个或几个电子获得能量足够大时，可以脱离原子核的电子获得能量足够大时，可以脱离原子核的束缚而构成自在电子和正离子的过程。束缚而构成自在电子和正离子的过程。iA WAe电

13、离过程可表示为电离过程可表示为一次电离一次电离基态基态正离子正离子电子电子电离能电离能eAWAiAWAe分级电离分级电离显然显然iiWW气体介质的击穿气体介质的击穿23一一. .强电场下气体中载流子的产生强电场下气体中载流子的产生l 强电场下气体载流子产生强电场下气体载流子产生碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离正离子撞击阴极正离子撞击阴极光电发射光电发射l 原子的鼓励和电离原子的鼓励和电离l 阴极的外表电离阴极的外表电离气体介质的击穿气体介质的击穿热电子发射和场致发射热电子发射和场致发射负离子的构成负离子的构成24l 强电场下气体载流子产生强电场下气体载流子产生1.1.碰撞电离碰撞电离当

14、电场足够强使电子和离子的动能积累到一定当电场足够强使电子和离子的动能积累到一定数值后，在和气体分子发生碰撞时，可以使气数值后，在和气体分子发生碰撞时，可以使气体分子电离或鼓励，这就是碰撞电离。体分子电离或鼓励，这就是碰撞电离。2eAAe碰撞电离是气体放电中载流子产生的极重要要素。碰撞电离是气体放电中载流子产生的极重要要素。气体介质的击穿气体介质的击穿25为什么碰撞电离主要由电子和气体分子的碰撞而引起的？为什么碰撞电离主要由电子和气体分子的碰撞而引起的？ 电子的质量小，在和分子发生弹性碰撞电子的质量小，在和分子发生弹性碰撞的时候几乎不损失动能，可以继续积累动的时候几乎不损失动能，可以继续积累动能

15、，离子那么不然。能，离子那么不然。221/4 214 2er Nr N解答：解答：电子尺寸小，比气体分子小的多，因此电子的自电子尺寸小，比气体分子小的多，因此电子的自在行程长，获得的动能多。在行程长，获得的动能多。气体介质的击穿气体介质的击穿26电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数 一个电子沿着电场方向行经单位间隔一个电子沿着电场方向行经单位间隔 平均发生的碰撞平均发生的碰撞 电离次数。单位电离次数。单位1/m 1/m 。(eAAee 新电离电子） 因此因此 也是一个电子在单位长度行程内新电离的电子也是一个电子在单位长度行程内新电离的电子 数或正离子数。数或正离子数。 ( ,)ef E由电场强度和

16、自在行程决议由电场强度和自在行程决议 定义定义气体介质的击穿气体介质的击穿27 电子与气体分子碰撞时，只需电子动能大于气体分电子与气体分子碰撞时，只需电子动能大于气体分 子的电离能，那么必然使分子电离；子的电离能，那么必然使分子电离； 每次碰撞后，电子失去全部动能。每次碰撞后，电子失去全部动能。假设假设在行经了在行经了x x后发生碰撞，电子能引起碰撞电离的条件为后发生碰撞，电子能引起碰撞电离的条件为WieEx iEx电离能电离能电离电位电离电位/iixE/iixWeE根据波尔兹曼分布规律，设有根据波尔兹曼分布规律，设有n0n0个电子，且平均自在程为个电子，且平均自在程为 ，经经x x间隔间隔

17、后，发生碰撞的电子数为后，发生碰撞的电子数为e0exxnn气体介质的击穿气体介质的击穿28单位间隔单位间隔 中，一个电子的平均碰撞次数中，一个电子的平均碰撞次数 其中其中xixi大于自在行程而导致碰撞电离的次数为大于自在行程而导致碰撞电离的次数为 1/Z/Zex11eeiixE21er NpNkT2ekTr p21/erpApkT/iieA pBp EEE /BpEpAe气体介质的击穿气体介质的击穿29/BpEpAe/p和和E/p的关系的关系 ， constant，EpE气体介质的击穿气体介质的击穿气体E/p(V/cm133Pa)A(1/cm133Pa)B(V/cm133Pa)空气201508

18、.5250空气15060014.6365N215060012.4342CO2500100020.0466A、B 的阅历数据的阅历数据 302.2.光电离光电离光辐射引起气体分子电离的过程称为光电离。光辐射引起气体分子电离的过程称为光电离。光子的能量大于气体分子的电离能：光子的能量大于气体分子的电离能：ihW 产生光电离的必要条件产生光电离的必要条件 光电离过程光电离过程 he +/c1234(nm)ciihce光辐射可以引起光电离的最大波长为光辐射可以引起光电离的最大波长为 光辐射的来源光辐射的来源 l紫外线、宇宙射线、紫外线、宇宙射线、X X射线射线l气体放电过程中气体放电过程中l *AAh

19、引起别的分子的光电离或分级电离，促进气体放电的进一步开展。引起别的分子的光电离或分级电离，促进气体放电的进一步开展。气体介质的击穿气体介质的击穿313.3.热电离热电离与气体热形状有关的电离过程称为热电离。与气体热形状有关的电离过程称为热电离。在室温时，分子平均动能很小，不会发生电离；在室温时，分子平均动能很小，不会发生电离；但是但是TT，平均动能增大。，平均动能增大。+22AAAe按气体分子平均动能按自在度均分原那么，在气体按气体分子平均动能按自在度均分原那么，在气体温度为温度为T T时，气体分子每个自在度的平均动能为时，气体分子每个自在度的平均动能为21122mvkT 热电离产生条件热电离

20、产生条件气体介质的击穿气体介质的击穿3221122mvkT总能量大于分子电离能总能量大于分子电离能ikTW1952313.6 1.602 10/1.57 10 K1.38 10iTWk两个分子相互碰撞时的总能量两个分子相互碰撞时的总能量 温度在上万度以上才能够发生热电离。温度在上万度以上才能够发生热电离。气体介质的击穿气体介质的击穿Mission impossible！334.4.负离子的构成负离子的构成 一些电子亲和力较大的元素如一些电子亲和力较大的元素如O、Cl、F等，等，不仅在生成化合物时易于构成负离子，而且当它不仅在生成化合物时易于构成负离子，而且当它们以分子形状存在时，假设遇到电子，

21、容易吸附们以分子形状存在时，假设遇到电子，容易吸附电子而构成负离子。电子而构成负离子。eh -+自在电子附着于电子亲和力较大的元素或这些元自在电子附着于电子亲和力较大的元素或这些元素的化合物构成负离子的过程称为电子的附着。素的化合物构成负离子的过程称为电子的附着。电子附着过程种伴随着光辐射。这类容易构成负电子附着过程种伴随着光辐射。这类容易构成负离子的气体，称为负电性气体。离子的气体，称为负电性气体。气体介质的击穿气体介质的击穿34l气体成分有关气体成分有关l还与还与 p p 及及 E E 有关有关 电子附着系数电子附着系数 一个电子在电场方向单位长度行程内能够附着于中性一个电子在电场方向单位

22、长度行程内能够附着于中性分子的次数。分子的次数。 定义定义Efpp 影响影响 的要素的要素 表示方法表示方法气体介质的击穿气体介质的击穿35Efpp 随着电场强度的增大随着电场强度的增大 即电子能量增大即电子能量增大 电子附着效应减弱；电子附着效应减弱；、p及E实验规律图 随着气压的增大，由随着气压的增大，由 于能量减小，电子附于能量减小，电子附 着效应增大。着效应增大。l 阐明低能电子容易附着，高能电子不易附着。阐明低能电子容易附着，高能电子不易附着。气体介质的击穿气体介质的击穿36电子附着的作用电子附着的作用设设 处有处有 个电子，走过间隔个电子，走过间隔 后，由于电离作用，后，由于电离作

23、用，添加的电子数为：添加的电子数为：xndxednn dx由于附着效应而减少的电子数为：由于附着效应而减少的电子数为：从而，电子的净添加数应为：从而，电子的净添加数应为： ()eedndndnndx由此可见由此可见, ,附着效应的存在，相当于电离系数减小了，附着效应的存在，相当于电离系数减小了，因此，附着效应是抑制电子数倍增的要素。因此，附着效应是抑制电子数倍增的要素。气体介质的击穿气体介质的击穿dxndne37一一. .强电场下气体中载流子的产生强电场下气体中载流子的产生l 强电场下气体载流子产生强电场下气体载流子产生碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离正离子撞击阴极正离子撞击阴极光电发

24、射光电发射l 原子的鼓励和电离原子的鼓励和电离l 阴极的外表电离阴极的外表电离气体介质的击穿气体介质的击穿热电子发射和场致发射热电子发射和场致发射负离子的构成负离子的构成38l 阴极的外表电离阴极的外表电离 由于气体放电中电流是延续的，必然存在阴极发射电子的由于气体放电中电流是延续的，必然存在阴极发射电子的过程，称为阴极的外表电离。条件：电子能量大于金属的逸出功。过程，称为阴极的外表电离。条件：电子能量大于金属的逸出功。 定义定义气体介质的击穿气体介质的击穿1、正离子撞击阴极、正离子撞击阴极 正离子向阴极挪动，撞击阴极时将动能和位能传送给电子，使其正离子向阴极挪动，撞击阴极时将动能和位能传送给

25、电子，使其逸出金属，引起外表电离。逸出金属，引起外表电离。39一个正离子撞击阴极平均释放的自在电子数。必需从阴极一个正离子撞击阴极平均释放的自在电子数。必需从阴极释放一个以上的自在电子才干造出外表电离。由于释放一个以上的自在电子才干造出外表电离。由于过程过程从阴极发射的电子称为二次电子。从阴极发射的电子称为二次电子。与电极的逸出功有关，因此与电极资料及其外表形状有关。与电极的逸出功有关，因此与电极资料及其外表形状有关。 外表电离系数外表电离系数 外表电离系数普通为外表电离系数普通为10-210-2数量级，下表给出了几种气体数量级，下表给出了几种气体的外表电离系数。的外表电离系数。气体阴极材料A

26、rH2空气N2HeAlCuFe0.120.060.060.10.050.060.0350.0250.020.10.0650.060.020.015气体介质的击穿气体介质的击穿402、光电发射、光电发射光照后发射电子，为外表光电发射。光照后发射电子，为外表光电发射。定义定义条件条件Dh l 光子能量大于金属逸出功光子能量大于金属逸出功l 对大多数金属，射线为紫外光范围对大多数金属，射线为紫外光范围气体介质的击穿气体介质的击穿光的来源：光的来源： 由外来射线产生，短波射线才有电离气体才干。由外来射线产生，短波射线才有电离气体才干。 分子从激发态回到基态，或异性离子复合时产生光子。分子从激发态回到基

27、态，或异性离子复合时产生光子。413、热电子发射和场致发射、热电子发射和场致发射热电子发射热电子发射 场致发射场致发射 2expDsEjATkT 2expBjAEEjA几个810VEm这时气体早就击穿了。因此外表电离方式中，起主要作用的是这时气体早就击穿了。因此外表电离方式中，起主要作用的是正离子撞击阴极和光电发射。正离子撞击阴极和光电发射。气体介质的击穿气体介质的击穿42二二. .载流子的消逝载流子的消逝l 载流子的分散载流子的分散l 载流子的复合载流子的复合气体介质的击穿气体介质的击穿载流子的产生过程载流子的产生过程 载流子的消逝过程载流子的消逝过程 互动互动 决议绝缘能否击穿决议绝缘能否

28、击穿 载流子在电场作用下作定向运动，从而消逝于电极，载流子在电场作用下作定向运动，从而消逝于电极， 构成电导电流；构成电导电流； 载流子的复合和分散。载流子的复合和分散。空间载流子消逝方式空间载流子消逝方式 43电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1 1、载流子的复合、载流子的复合正离子与负离子或电子碰撞时，复合成中性分子并正离子与负离子或电子碰撞时，复合成中性分子并发生光辐射，称这个过程为复合。发生光辐射，称这个过程为复合。QBABA正、负离子复合后构成两个分子，正、负

29、离子复合后构成两个分子，释放出的能量为电离能和从负离释放出的能量为电离能和从负离子剥夺电子所耗能量之差子剥夺电子所耗能量之差 （电离能）iWAeA能量）从负离子剥离电子所需(BeBE)BABAEWi （+=A光子）（hEWi 气体介质的击穿气体介质的击穿44电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentB电子动能（静止）动电子eAeA电子动能）（WiA光子）(AhiWh当当 时，引起其他地方的光电离。时，引起其他地方的光电离。气体介质的击穿气体介质的击穿45电力设备电气绝缘国家重点

30、实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment复合速率复合速率tnddtnddnntntndddd浓度分别为正离子和负离子，nn复合系数 复合系数与载流子间的相对速度有关：复合系数与载流子间的相对速度有关： 大那么大那么 小小当当 那么那么 小小当当 那么那么 大大离子电子离子离子BA气体介质的击穿气体介质的击穿46电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2 2、载流子的分散、载流子的分

31、散与气体分子的分散类似，当气体载流子的分布不均与气体分子的分散类似，当气体载流子的分布不均匀时，载流子将从浓度高的区域向浓度低的区域移匀时，载流子将从浓度高的区域向浓度低的区域移动，使分布趋于均匀的过程称为分散。动，使分布趋于均匀的过程称为分散。325/110Nm气体由于由于 且载流子本身的浓度不大，因此且载流子本身的浓度不大，因此载流子间的间隔载流子间的间隔 较大，静电斥力很小，因此分散不较大，静电斥力很小，因此分散不是由静电斥力呵斥的。而是与气体分子的分散一样，是由静电斥力呵斥的。而是与气体分子的分散一样，是热运动呵斥的。是热运动呵斥的。气体介质的击穿气体介质的击穿47电力设备电气绝缘国家

32、重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment31DMRT8prkT224分散系数分散系数2/12/3pMTAD 其中其中M、p为气体的摩尔质量和压力。为气体的摩尔质量和压力。 当当T，p，M，那么，那么D，离子分散速度慢，离子分散速度慢，电子分散速度快。电子分散速度快。气体介质的击穿气体介质的击穿48气体介质的击穿气体介质的击穿 气体击穿的根本实际：气体击穿的根本实际： 1载流子的产生过程载流子的产生过程 2载流子的消逝载流子的消逝 3碰撞电离实际模型碰撞电离实际模型 4极不均匀电场中气体的击穿极不

33、均匀电场中气体的击穿49气体介质的击穿气体介质的击穿50电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment三三.均匀电场中气体击穿的实际均匀电场中气体击穿的实际l气体击穿的汤逊气体击穿的汤逊TownsendTownsend实际实际l气体击穿的流注实际气体击穿的流注实际l自持放电条件自持放电条件51气体介质的电击穿气体介质的电击穿3碰撞电离实际模型碰撞电离实际模型故不能够由碰撞电离产生击穿故不能够由碰撞电离产生击穿 电极间载流子分布电极间载流子分布 dn(x) dx x nd n0 +

34、- x d 0 个电子ddenn0dodeJJ0dIdUdJ要求阴极有阴极有n0个电子，经碰撞电离个电子，经碰撞电离到达阳极产生到达阳极产生电流密度：电流密度：由介质击穿普通条件：由介质击穿普通条件：52电子增殖过程：电子增殖过程： p 阴极发射阴极发射n0n0个电子，碰撞产生正离子，正离子撞击阴个电子，碰撞产生正离子，正离子撞击阴极外表产生极外表产生nsns个二次电子，那么阴极外表发射个二次电子，那么阴极外表发射ne=n0+nsne=n0+ns个电子。个电子。 (-) 电子的倍增过程电子的倍增过程 (+) ) 1(desenn气体介质的电击穿气体介质的电击穿p ne个电子经过个电子经过 作用

35、到达阳作用到达阳极时添加为极时添加为nee d 个电子，个电子，那么有那么有 nee d- ne个正离子个正离子回到阴极产生二次电子：回到阴极产生二次电子：53自持放电条件：自持放电条件： ) 1(10deenn) 1(10dddeejJ0) 1(1dedJ1) 1(de气体介质的电击穿气体介质的电击穿当当时，时，到达放电条件到达放电条件故故为自持放电条件。为自持放电条件。54物理意义：物理意义： 一个从阴极出发的初始电子到达阳极时，经过碰一个从阴极出发的初始电子到达阳极时，经过碰撞电离产生撞电离产生e ed d 个电子、正离子；其中除第一个初始个电子、正离子；其中除第一个初始电子外的电子外的

36、(e(ed -1)d -1)个正离子回到阴极，经过个正离子回到阴极，经过作用，作用，产生出产生出(e(ed -1) d -1) 个二次电子；当二次电子数最少个二次电子；当二次电子数最少为一个时，可替代初始电子的作用，继续不断从阴极为一个时，可替代初始电子的作用，继续不断从阴极发出电子发出电子 构成不依赖外界要素的初始电子，构成不依赖外界要素的初始电子，从而产生自持放电。从而产生自持放电。 气体介质的电击穿气体介质的电击穿55巴申定律：巴申定律：p 在碰撞电离实际建立之前，巴申得到均匀电场中气在碰撞电离实际建立之前，巴申得到均匀电场中气体放电电压与气隙压力及气隙宽度间的实验关系。体放电电压与气隙

37、压力及气隙宽度间的实验关系。发现：发现：p i气隙放电电压气隙放电电压UB与气压与气压p和气隙宽度和气隙宽度d的的乘积乘积pd有关，当有关，当p、d同时变化，而同时变化，而pd不变不变时，放电电压不变。时，放电电压不变。p ii在某一在某一pd值下，气隙放电电压出现值下，气隙放电电压出现最低值。最低值。气体介质的电击穿气体介质的电击穿56由自持放电条件，由自持放电条件， 与与p关系，及均匀电场条件关系，及均匀电场条件为什么附着电子性强的气体具有高耐压比？为什么附着电子性强的气体具有高耐压比？dUBBE)11ln(lnApdBpdBU pd/cm.mmHg UB/kV 理理论论计计算算 实实验验

38、曲曲线线 气体介质的电击穿气体介质的电击穿可得气隙放电电压：可得气隙放电电压：572.2 流注实际流注实际 适用于气隙初始放电无适用于气隙初始放电无初始电子，气隙较长，初始电子，气隙较长，气压较高时的放电景象。气压较高时的放电景象。 以以Townsend 碰撞电离为碰撞电离为根底，思索了放电过程中根底，思索了放电过程中的光景象，即光致电离对的光景象，即光致电离对电离的开展起重要作用。电离的开展起重要作用。 电子与正离子复合产生光电子与正离子复合产生光发射。发射。 电子崩头部离子数电子崩头部离子数108，最后构成很窄击穿通道。最后构成很窄击穿通道。气体介质的电击穿气体介质的电击穿581阳极流注的

39、构成阳极流注的构成 初崩中部的光辐射作用在其崩头前方产生了二初崩中部的光辐射作用在其崩头前方产生了二次崩。次崩。 二次崩尾受初崩吸引汇入初崩，等离子区由阴二次崩尾受初崩吸引汇入初崩，等离子区由阴极向阳极伸展。极向阳极伸展。气体介质的电击穿气体介质的电击穿 初崩接近阳极时，崩中部的光辐射作用在崩尾初崩接近阳极时，崩中部的光辐射作用在崩尾产生二次崩。产生二次崩。 初崩尾吸引二次崩头，汇入初崩，等离子区由初崩尾吸引二次崩头，汇入初崩，等离子区由阳极向阴极伸展。阳极向阴极伸展。2阴极流注的构成阴极流注的构成59流注构成的条件即为自持放电的条件：流注构成的条件即为自持放电的条件： 放电过程将由于空间光电

40、离而导致转入自持放电。放电过程将由于空间光电离而导致转入自持放电。 1dAe20)/1 (And气体介质的电击穿气体介质的电击穿初崩内电荷密度足够大，使光电离剧烈到可在初崩初崩内电荷密度足够大，使光电离剧烈到可在初崩外部构成二次电子。外部构成二次电子。初崩的空间电荷电场足够强，以致能产生二次崩和初崩的空间电荷电场足够强，以致能产生二次崩和吸引二次崩汇入初崩。吸引二次崩汇入初崩。 流注放电条件：流注放电条件：普通取普通取，即，即 ed 108时，时，602.3 不均匀电场中气体放电的极性效应电晕放电不均匀电场中气体放电的极性效应电晕放电p 不均匀电场中，放电在部不均匀电场中，放电在部分强电场区开

41、场发生，电分强电场区开场发生，电离的起始放电电压电晕离的起始放电电压电晕电压低于气隙击穿电压。电压低于气隙击穿电压。p 负针尖时的气隙击穿电压负针尖时的气隙击穿电压高于正针尖时的气隙击穿高于正针尖时的气隙击穿电压。表现出明显的极性电压。表现出明显的极性效应。效应。 (-) (-) (+) (+) 正针尖放电正针尖放电 负针尖放电负针尖放电 气体介质的电击穿气体介质的电击穿61针尖尺寸与电晕放电脉冲针尖尺寸与电晕放电脉冲a空空气气中中电电晕晕b油油中中电电晕晕气体介质的电击穿气体介质的电击穿622.4 沿固体电介质外表气体放电沿固体电介质外表气体放电p 沿面放电沿面滑闪或沿面闪络：发生于气体与固

42、沿面放电沿面滑闪或沿面闪络：发生于气体与固体介质界面即固体外表的放电景象。体介质界面即固体外表的放电景象。p 实验特点：实验特点：p 1明显低于纯气隙的放电电压。明显低于纯气隙的放电电压。p 2与固体介质外表情况亲密相关，如湿、污。与固体介质外表情况亲密相关，如湿、污。p 3与电压种类有关。冲击与电压种类有关。冲击高频高频直流直流50Hz。p 4与电极的布置，即电场的均匀度有关。与电极的布置，即电场的均匀度有关。p 改善措施：改善措施：p 改善沿面电场分布，防止外表沾污，延伸沿面间隔改善沿面电场分布，防止外表沾污，延伸沿面间隔 。气体介质的电击穿气体介质的电击穿XHP1-240耐污型耐污型绝缘

43、子剖面图绝缘子剖面图XHP1-240耐污型绝耐污型绝缘子电场分布图缘子电场分布图XHP1-240耐污型耐污型绝缘子电位分布图绝缘子电位分布图63实验察看结果：实验察看结果： 正电极附近构成分枝状通道正电极附近构成分枝状通道 负电极附近构成直通道负电极附近构成直通道 放电脉冲宽度随电压添加而增大放电脉冲宽度随电压添加而增大气体介质的电击穿气体介质的电击穿643. 3. 固体介质的电击穿固体介质的电击穿 固体介质的电击穿固体介质的电击穿p实验特征：实验特征：p 击穿场强较高击穿场强较高 108 109V/m。空气。空气 106V/mp 在一定温度范围内，介质击穿场强随温在一定温度范围内，介质击穿场

44、强随温度升高而增大或变化不大，度升高而增大或变化不大，p固体介质与气体介质的区别：固体介质与气体介质的区别：p 组成固体的原子离子、分子不像在组成固体的原子离子、分子不像在气体中那样作恣意的布朗运动，而只能在本气体中那样作恣意的布朗运动，而只能在本人的平衡位置附近作微小的热振动。人的平衡位置附近作微小的热振动。p 固体原子的彼此接近，使分立电子能级固体原子的彼此接近，使分立电子能级变成能带，当满带电子获得足够能量穿越禁变成能带，当满带电子获得足够能量穿越禁带时，发生电离，故禁带能量宽度相当带时，发生电离，故禁带能量宽度相当于电子的电离能。于电子的电离能。 65固体介质的电击穿固体介质的电击穿p

45、 固体介质电击穿实际是在气体放电的碰撞电离实际根底固体介质电击穿实际是在气体放电的碰撞电离实际根底上建立起来。上建立起来。p 与气体中电子和分子等的碰撞类似的过程是固体中电子与气体中电子和分子等的碰撞类似的过程是固体中电子与晶格波的相互作用。与晶格波的相互作用。p 按击穿发生的断定条件不同，电击穿实际可分为两类：按击穿发生的断定条件不同，电击穿实际可分为两类：p 以碰撞电分开场为判据以碰撞电分开场为判据本征电击穿本征电击穿p 以电分开场，电子数倍增到一定数值，足以破坏介以电分开场，电子数倍增到一定数值，足以破坏介质绝缘形状为判据质绝缘形状为判据“雪崩击穿雪崩击穿66固体介质的电击穿固体介质的电

46、击穿3.1本征电击穿本征电击穿击穿时电子击穿时电子q单位时间单位时间从电场从电场 EB 获得的能量：获得的能量：2*qBmEB*22mEqBB 那么有：那么有：m* 为电子有效质量，为电子有效质量， 为电子的平均自在行程时为电子的平均自在行程时间松弛时间间松弛时间 温度升高、电子与晶格碰温度升高、电子与晶格碰撞频繁，平均寿命愈短，撞频繁，平均寿命愈短，晶体的击穿场强升高。晶体的击穿场强升高。 杂质会引起晶体点阵发生杂质会引起晶体点阵发生畸变，使得电子与晶格的畸变，使得电子与晶格的碰撞时机增多，使击穿场碰撞时机增多，使击穿场强增高。强增高。 EB 普通与试样厚度无关，普通与试样厚度无关，但当试样

47、的厚度极薄，小但当试样的厚度极薄，小于电子的平均自在程时，于电子的平均自在程时，电子尚未充分加速就达电电子尚未充分加速就达电极，使介质击穿场强增高。极，使介质击穿场强增高。67固体介质的电击穿固体介质的电击穿3.2 “雪崩击穿雪崩击穿 强场下隧道电流随场强增大而迅速增大。强场下隧道电流随场强增大而迅速增大。 隧道电流与禁带宽度亲密相关，禁带狭窄时，较低场隧道电流与禁带宽度亲密相关，禁带狭窄时，较低场强下有很大隧道电流。由于电介质禁带宽度较宽，故强下有很大隧道电流。由于电介质禁带宽度较宽，故场强低于场强低于109V/m时，难以发生隧道击穿。时，难以发生隧道击穿。EBeAEJ21隧道击穿隧道击穿由

48、于隧道效应使介质中电流增大，介质失去绝缘性能的景象。由于隧道效应使介质中电流增大，介质失去绝缘性能的景象。68固体介质的电击穿固体介质的电击穿2碰撞电离击穿碰撞电离击穿 电子的四十代增殖实际：由阴极出发的初始电子，在电子的四十代增殖实际：由阴极出发的初始电子，在其向阳极运动的过程中，其向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数到达内的电离次数到达 =40次，产生次，产生2 =1012个新电子时，介质便发生击穿。个新电子时，介质便发生击穿。 介质厚度很薄时，碰撞电离缺乏以开展到四十代，电介质厚度很薄时，碰撞电离缺乏以开展到四十代，电子崩已进入阳极复合时，介质就不能击穿，此时介质子崩已进入阳极复合时，

49、介质就不能击穿，此时介质击穿场强将要提高。击穿场强将要提高。69固体介质的电击穿固体介质的电击穿3.3 聚合物中的空间电荷及击穿模型聚合物中的空间电荷及击穿模型1产生方式产生方式 电导电导介质中电荷的挪动介质中电荷的挪动 注入注入电极发射电荷电极发射电荷 捕获捕获捕获运动电荷在聚合物链上不延续的区域内捕获运动电荷在聚合物链上不延续的区域内(圈套圈套)2同极性与异极性空间电荷同极性与异极性空间电荷 弱弱注注入入 异异极极性性空空间间电电荷荷 强强注注入入 同同极极性性空空间间电电荷荷 70固体介质的电击穿固体介质的电击穿3圈套能态密度与分布对空间电荷的影响圈套能态密度与分布对空间电荷的影响 电极

50、注入的电荷被圈套捕获构成空间电荷电极注入的电荷被圈套捕获构成空间电荷 分子构造与聚集态、杂质等对圈套分布影响大分子构造与聚集态、杂质等对圈套分布影响大 注入电子被俘获注入电子被俘获释放释放迁移迁移再俘获，在介质中构再俘获，在介质中构成大量空间电荷成大量空间电荷 如：如：LDPE在在3050oC，无圈套，无空间电荷，无圈套，无空间电荷 HDPE在在30oC，有圈套，阴极积累负空间电荷，有圈套，阴极积累负空间电荷 测试方法：测试方法： 圈套态密度与分布丈量圈套态密度与分布丈量TSC 介质空间电荷分布丈量介质空间电荷分布丈量压力波、电声脉冲压力波、电声脉冲71固体介质的电击穿固体介质的电击穿4聚合物资料击穿的圈套模型聚合物资料击穿的圈套模型 聚合物的能带构造聚合物的能带构造72固体介质的电击穿固体介质的电击穿 决议聚合物破坏的决议聚合物破坏的是深圈套密度。因是深圈套密度。因此可采取