《电介质物理》课件-电介质的击穿-2

《工程电介质物理学》电介质的击穿〔2〕BreakdownofDielectrics李建英2012年4月~5月电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment上一节主要内容：概论、气体介质的击穿气体击穿的根本理论：〔1〕载流子的产生过程〔2〕载流子的消失〔3〕碰撞电离理论模型〔4〕极不均匀电场中气体的击穿气体介质的击穿2一.强电场下气体中载流子的产生

强电场下气体载流子产生碰撞电离光电离热电离正离子撞击阴极光电发射原子的鼓励和电离阴极的外表电离气体介质的击穿热电子发射和场致发射负离子的形成电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment3二.载流子的消失

载流子的扩散载流子的复合气体介质的击穿载流子的产生过程

载流子的消失过程

互动

决定绝缘是否击穿载流子在电场作用下作定向运动，从而消失于电极，构成电导电流；载流子的复合和扩散。空间载流子消失方式

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Equipment主要概念电子碰撞电离系数：一个电子沿着电场方向行经单位距离平均发生的碰撞电离次数。电子附着系数：一个电子在电场方向单位距离内可能附着于中性分子的次数。外表电离系数：一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。主要过程〔1〕载流子的产生过程：一次电子--过程+过程二次电子--过程〔2〕载流子的消失：电导电流、复合、扩散气体介质的击穿5电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment三均匀电场中气体击穿的理论强电场中自由电子产生及消失的两个过程是气体放电的理论根底。根据不同条件下各个过程的强弱不同，便引导出适用不同条件下的放电理论。气体击穿的汤逊〔Townsend〕理论气体击穿的流注理论负电性气体的击穿气体介质的击穿6电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment气体击穿的汤逊〔Townsend〕理论气体放电时电流倍增是电子碰撞电离的作用；维持气体自持放电的必要条件——电极外表电子发射；定量理论，U可以计算出来。电子崩与电流倍增原始电子——阴极光电子发射。在电场作用下，电子获得动能向阳极运动当电场很强，电子动能≥电离能，引起气体介质的击穿7电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电子崩形成过程及模型

如图a)，电子数1→2→4→8→16→…行经距离后，增加为个电子。电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，因此形象地称为电子崩。Z为A原子的原子系数可见，电子迁移率比正离子的要大2个数量级以上。电子崩开展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾均为正离子，形状如b)图。由于强电场气体间隙中电子崩的出现，载流子数大增，所以放电电流也随之倍增。气体介质的击穿8电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment解释碰撞电离导致电流密度倍增

——外电离因素光辐射的作用下，单位时间内在气隙阴极外表单位面积产生的电子。个电子向阳极运动到x处到处气体介质的击穿9电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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不随空间位置而变

算出进入阳极的电子电流，也即外电路中的电流

给出了碰撞电离导致电流密度倍增的关系

气体介质的击穿10电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment不变，d变，那么假设不变，那么假设改变上面的讨论，如果没有，也就不可能有因此电流不能维持。即如果没有外界电离因素，气体放电将逐渐减弱，直到最后停止放电，为非自持放电。气体介质的击穿11电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment气体的自持放电

只有α过程时，气体的放电是不能自持的。放电由非自持转为自持，除α过程外，还应考虑其他的电离过程。实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用。气体介质的击穿12电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipmentne为起始电子

n0为外因电子

ns为二次电子

又所以通过x处平面的电流密度为

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Equipmentx=d处即阳极处电流密度为假设如果取消外电离因素，气隙仍能靠自身的电离维持很大的电流。击穿非自持→自持，条件为

一个从阴极出发的初始电子到达阳极时，通过碰撞电离产生

(ed-1)个正离子回到阴极，通过

作用，产生出

(ed-1)

个二次电子；当二次电子数最少为一个时，可代替初始电子的作用，继续不断从阴极发出电子——形成不依赖外界因素的初始电子，从而产生自持放电。

气体介质的击穿14电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment巴申定律、击穿电压巴申〔Paschen〕得到了均匀电场中气体放电电压与气体压力及气隙宽度间的实验关系，称为巴申定律。在某一pd值下，气隙放电电压出现极小值，巴申定律支持了Townsend理论。气体介质的击穿15电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment在一定范围时，实验与理论符合的很好。当时气体介质的击穿16电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment如何理解有最小值到达一定值，才能自持放电。

不变，虽然有效次数的比例大了，但是

碰撞次数少了，因此

碰撞次数多了，但是成功率低了，即电离可能性小了，因此在工程中的应用高度真空加大气压消弱气体间隙碰撞电离过程

提高气隙的击穿电压气体介质的击穿17电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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EquipmentTownsend气体放电理论的适用范围

以理论曲线和实测曲线相比较，可以看到，太小和太大时，曲线相差变大，即Townsend理论不适用了。气体介质的击穿18电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment碰撞电离为次要因素，强场下的阴极发射为击穿的主要因素。Townsend理论→放电应均匀充满整个气隙中，但是实际上是贯穿两极带有分枝的明亮细通道。Townsend理论→放电过程的时间不应小于正离子穿过间隙所需要的时间，但实际测得的放电时间远小于正离子迁移需要的时间。一般认为，空气在pd＞200cm·133Pa后，击穿机理将改变，原因是空间电荷畸变电场的作用不能无视。

太小时

太大时气体介质的击穿19电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment气体击穿流注理论

适用条件理论根底重要因素pd＞200cm·133Pa

电子碰撞电离①空间光电离

②空间电荷畸变电场

仍然为定性描述，无定量描述。气体介质的击穿20电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment实验原理：图

5－9放电云雾室结构示意图

1－火花间隙

2－石英窗

3－电极

4－玻璃壁

5－接泵

6－绝缘柱

1〕充H2O、乙醇，极性气体在带电离子周围凝聚；2〕↓、↓，蒸汽→饱和；3〕改变电压作用时间。1〕放电开始时，可以看到一些彼此独立的电离区，由阴极向阳极伸长，形状与电子崩模型大致相似，开展速度也和电子速度相近——电子崩2〕U↑，电离区头部增大，速度突然加快，几十倍电子崩增长速度——流注电子崩→流注实验现象：气体介质的击穿21电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment流注理论的物理概念

电子崩空间电荷对电场的畸变初电子崩→电场畸变→加强崩头、崩尾的电场→中间形成等离子区→空间光电离→二次电子→崩头、崩尾〔强电场〕→更强的碰撞电离→二次电子崩→汇入初崩→光子所到之处，二次崩立即形成并开展→等离子区向电极伸展→形成高导电通道→流注形成→击穿，有明亮的火花通道气体介质的击穿22电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment流注的两种情况外施电压>>击穿电压，初崩的头部→电场畸变程度大，在初崩崩头前方产生二次崩→二次崩汇入初崩→由阴极向阳极开展。阳极流注阴极流注外施电压=击穿电压，电子崩走完整个间隙后，空间电荷浓度才足够大，尾部电场加强，崩中部的光辐射作用在崩尾区产生二次崩，初崩尾部的正离子吸引二次崩头部的电子，二次崩汇入初崩，形成流注。由阳极向阴极开展。气体介质的击穿23电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment流注放电条件

初崩电子或离子浓度应到达一定水平复合的可能增加→光子才能使空间光电离足够多

或xc–初崩头部电荷到达一定数量时崩的长度。上式得不到定量解。气体介质的击穿24小结:

气体介质的击穿

〔1〕汤逊理论〔均匀电场〕巴申定律〔应用〕〔2〕流注理论〔不均匀电场〕电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment主要问题：1、气体自持放电的根本条件是什么？2、什么是巴申定律？适用条件如何？3、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？25电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment负电性气体的击穿

电子亲和力大的一些气体，如CCl4、SO2、SF6等，其电离能远没有He等惰性气体大，但其与空气的耐压性比〔相同pd时〕却显著的比He等惰性气体的大。现象主要原因电子亲和力大，容易吸附电子生成负离子气体介质的击穿26电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment有效电离系数=-

为附着系数

到达阳极的电子数

负离子：

正离子：

气体介质的击穿27电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment二次电子：

即只有

才成立，

=

为临界条件。E增大增大E增大减小气体介质的击穿28电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment曲线〔1〕小，-与E的关系平缓曲线〔2〕大，-与E的关系陡1–空气2–SF6在压力p一定时，使=的电场强度就是这种气体的击穿场强。常压下空气的临界场强约为2.7106V/m，SF6的临界场强约为8.9106V/m。气体介质的击穿29小结:

气体介质的击穿

〔1〕汤逊理论〔均匀电场〕巴申定律〔应用〕〔2〕流注理论〔不均匀电场〕〔3〕负电性气体的击穿电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment主要问题：1、气体自持放电的根本条件是什么？2、什么是巴申定律？适用条件如何？3、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？4、负电性气体击穿的特点是什么？30电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment四.极不均匀电场中气体的击穿极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中气体的击穿

实际电气设备中，电场分布大多是不均匀的，如各种带电金属件的尖角、高压架空输电线等，而且通常间隙距离很大，电场分布极不均匀。极不均匀电场中，在电压还缺乏以导致击穿前，小曲率半径处电场最强，出现蓝紫色的晕光，称为电晕放电。气体介质的击穿31电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电场强度强→碰撞电离→电子迅速离开→留下正空间电荷。极不均匀电场中的电晕放电刚出现电晕时的电压称为电晕起始电压。随着外施电压升高，电晕层扩大。此时间隙中放电电流从微安级增大到毫安级。电场越不均匀，间隙击穿电压和电晕起始电压间的差异越大。针板电极系统，不同电压极性的影响。针-板间隙中针为正极性时电晕起始电压比针为负极性时略高。气体介质的击穿32电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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