电介质物理课件(2013-4)

2023/2/51第四章介质击穿

(dielectricbreakdown)

本章介绍电介质在强电场下的击穿机理。击穿形式可分为电击穿、热击穿和放电击穿，它与物质的聚集状态相关。4.1概述4.2气体介质的击穿4.2液体介质的击穿4.3固体介质的击穿2023/2/52§4.1概述UIOUbUb为击穿电压（击穿电场Eb=Ub/d，d为介质厚度）2023/2/53击穿的分类：本征击穿（IntrinsicBreakdown）：电击穿；非本征击穿：热击穿（ThermalBreakdown）；放电击穿（DischargeBreakdown）介质击穿两种情况：发生可恢复性变化：介质在电场的作用下被击穿，把外电场撤除后，介质又恢复其绝缘性能。“自愈现象”（Self-Healing），如气体。发生永久性变化（或叫不可逆变化）：如固体介质击穿。2023/2/54材料

介电强度/（106V/cm）陶瓷Al2O3(0.03μm)7.0Al2O3(0.06μm)1.5Al2O3(0.063μm)0.18SiO2(石英，0.005cm)6.0NaCl(0.002cm)2.0NaCl(0.014cm)1.3BaTiO3(0.02cm，单晶)0.04BaTiO3(0.02cm，多晶)0.12PbZrO3(多晶，空隙度0%,0.016cm)0.08部分材料的介电强度2023/2/55材料介电强度/（106V/cm）陶瓷PbZrO3(多晶，空隙度10%，0.16cm)0.03云母（0.002cm）10.1云母（0.006cm）9.7派热克斯玻璃（0.003cm）5.8派热克斯玻璃（0.0005cm）6.5滑石（SiO2+MgO+Al2O3，0.63cm）0.12023/2/562023/2/57材料

介电强度/（106V/cm）聚合物酚醛树脂（电木）120～160硅橡胶220环氧树脂160～200尼龙6，6240聚碳酸酯160聚苯乙烯200～280高密度聚乙烯190～200聚四氟乙烯160～200聚氯乙烯160～59上次课内容:●固体介质的离子电导率与温度的关系●中和与压抑效应●三电极系统●

介质击穿概述情况

2023/2/59§4.2气体介质的击穿IIIIII常见的放电形式：火花放电

瞬时，间断产生常压附近辉光放电

出现均匀的明暗相间的辉光区电晕放电

电极的曲率小，电场不均匀，在电场尖端出现暗蓝色微光电弧放电

功率大，连续弧光，温度极高2023/2/510汤申特(Townsend)碰撞游离理论（1）电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的过程（2）要维持自持放电必须从阴极发射电子表面游离：电极表面原子中的价电子吸收能量，脱离原子束缚，逸至电极表面；体积游离：气体分子中电子获得足够的能量脱离分子，形成自由电子和正离子，电子也可吸附在其他分子上形成负离子。

标准状态下，空气，3－4对电离/cm3.s2023/2/511

当外电场作用于气体时，气体中的一切带电粒子受到电场力的加速作用。设q―粒子的电荷,m―粒子的质量,E―电场强度,a―粒子受电场力获得的加速度。

a=qE/m

两次碰撞，粒子在电场方向的速度V为：λ：两次碰撞间的自由程τ：粒子的自由程时间1.电子碰撞游离：2023/2/512

粒子从电场中获得的动能:T=mv2/2=q2E2τ2/2m

从公式中看出：在电场作用下，带电粒子的动能正比于电场强度的平方，反比于粒子的质量。而气体粒子中电子的质量最小，所以在一定的电场下，自由电子所获得的动能最大。因此，在气体所有粒子的相互碰撞中，与自由电子的碰撞最容易引起碰撞电离。发生碰撞电离的条件是：

qEλ≥Wi(原子、分子电离能）2023/2/5132.电子崩的形成：2023/2/514随着x的增加，电子数按指数增加。2023/2/5152023/2/5162023/2/5173.自持放电条件：自持放电：

气体介质在阴极电子逸出（游离剂）的作用下产生放电，当游离剂去除后，气体介质的放电仍能够维持下去，这种现象叫做“自持放电”。2023/2/518堆积区的厚度=10-10m；电压=10-2V；堆积区的电场可达：E=10-2V/10-10m=108V/m阴极上出现正离子堆积区2023/2/519SecondElectronEmissionSecondaryelectronsareemittedbythecathodeundertheimpactofanyparticle(positiveion,photonsorfastneutrals).Inthiscase,theparticleisapositiveion.2023/2/5202023/2/5212023/2/5222023/2/523自持放电的条件和物理意义自持放电条件一个电子从阴极出发后运动d距离所产生的电子数这个电子运动距离d后所产生的正离子数

从阴极拉出的电子数从阴极拉出一个电子，正好可替代最初的表面游离剂！！自持放电：气体介质在阴极电子逸出（游离剂）的作用下产生放电，当游离剂去除后，气体介质的放电仍能够维持下去，这种现象叫做“自持放电”。2023/2/524上次课内容:电子碰撞游离电子崩的形成自持放电条件及物理意义T=mv2/2=q2E2τ2/2m2023/2/5254.放电电压Ub的确定：碰撞电离系数怎么求？2023/2/5262023/2/527巴申定律2023/2/528Ub(p·d)Ubmin理论实测p1巴申曲线(PaschenCurve)2023/2/529

在均匀电场中，Ub=f(p·d)，p增加n倍，d下降n倍，Ub不变。巴申定律的物理意义：每种气体的放电电压都存在一最小值Ubmin；当d一定，p=p1，有最小放电电压p<p1，气体密度小，碰撞次数减小，Ub增加。P>p1，气体密度大，碰撞次数增加，但电离碰撞次数下降，Ub增加。3当p一定时，d=d1，出现Ubmin。d>d1，由于d增加，E下降，故Ub增加；d<d1，由于d减小，碰撞次数减小，故Ub增加；特别是当d<时，几乎不发生碰撞。巴申定律(Paschen’sLaw)的讨论：2023/2/530A．利用高气压和高真空：可以做成真空电容器，充气电容器B．利用负电性情的气体，这样气体多为分子量大的卤族元素，电子亲和力大，负电性强的气体如：氟利昂六氟化硫。优点：分子直径大，自由程短，积累能量小；负电性强，易吸收电子形成负离子，减小了电离能力；

5.提高气体介质的击穿电压的途径：2023/2/531

气体介质本身，由于原子激励还原及离子复合时所放出的光子产生了新的游离，以促使游离沿着通道发展，构成流柱，最后导致击穿。气体放电的流柱理论：2023/2/532不均匀电场中气体放电的特点：在高电场区先产生电晕；U增大，电晕边缘出现树枝状放电:辉光放电或火花放电；U进一步增大，树枝状放电连通第二极——最终击穿。从游离场强开始到击穿，随E增加，电流增大，但较慢。击穿电场强度与电极的形状、距离有关。5.不均匀电场中的气体放电（击穿）2023/2/5332023/2/534§4.3

液体介质的击穿液体介质击穿的分散性：

气体（空气）：Eb=3×106V/m；工程纯变压器油：Eb=2×107V/m；

非常纯液体：Eb=1×108V/m

2023/2/535一.液体介质的击穿现象的经验规律1.击穿电压与时间的关系2023/2/5362.击穿电压与频率的关系2023/2/5373.击穿电压与电极距离的关系2023/2/538上次课内容:放电电压Ub的确定气体放电的流柱理论不均匀电场中气体放电液体介质的击穿现象的经验规律加压时间频率电极距离有关2023/2/539二．纯液体介质击穿的击穿1.以碰撞电离开始作为液体介质击穿为条件2.以电子崩发展到一定大小为液体介质击穿为条件三.工程液体介质的击穿杂质：气相、液相、固相液体介质击穿机理理论：碰撞电离理论纯液体小桥理论工程液体2023/2/5401）气相杂质的影响d2023/2/541-+-+-+-+d+-2）液相杂质的影响2023/2/542d3.固体杂质的影响工程液体介质击穿

“小桥理论”2023/2/543油的净化方法对液体介质击穿场强的影响：处理方法：击穿场强（kv/cm)

未处理50

离心过滤130

纸过滤160

膜过滤180

压滤(一次）230

压滤(二次）330液体介质提纯法：真空干燥去除气泡、水份过滤、直流电解除去杂质2023/2/544四、固体介质的击穿1、固体介质击穿的一般规律：从击穿的结果上来看：固体介质的击穿电场大于液体和气体介质

Eb（气体）=3106V/m

Eb（液体）=107~108V/mEb（固体）=108~109V/m

固体介质击穿是永久性的从击穿的发展过程看：2个阶段（1）介电性能的破坏绝缘变成导体（2）介质本身的破坏有明显的击穿通道从击穿电压与实验条件关系看：关系密切电极形状媒质散热条件电压类型有关2023/2/5452、固体介质击穿的分类：

电击穿热击穿2023/2/546b.击穿场强高，击穿电场范围较窄：108~109V/md、击穿场强与周围媒质温度无关e、击穿场强与加压时间无关电击穿必须满足：电导率小、tan小、散热条件好，无气隙、无边缘放电。电击穿的特点：c:在均匀电场中，电击穿发生时的电场强度直到厚度为0.1u-1u范围都与厚度无关。2023/2/547热击穿的特点：热击穿电压比击穿电压电较低2023/2/548电击穿和热击穿的判断：电击穿热击穿电压高低使用温度低高使用频率低频高频加压时间很短较长击穿机理电子倍增使介质变成导体产生热大于散热使介质热破坏2023/2/549三、瓦格纳（Wagner）热击穿理论dS2023/2/5502023/2/551Qt（ºC）Q1（U1）Q1（U2）Q1（U3）Q1（U4）U4>U3>U2>U1ABCtAtBtCQ22023/2/552讨论：Ub与