1、1工程电介质物理学工程电介质物理学电介质的击穿电介质的击穿Breakdown of Dielectrics李建英李建英2012年年4月月5月月 21.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：3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4绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络概述概述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概述概述6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材料中的放电固体绝缘材料中的放
2、电概述概述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大气压下均匀放电大气压下均匀放电 美国加州美国加州 20022002年年1 1月以及月以及3 3月连续两次发生全州停电月连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首次灯火管制，以避免对首次灯火管制，以避免对电力设备造成损害，引发电力设备造成损害，引发更大面积
3、的不能控制的断更大面积的不能控制的断电事故。电事故。主要原因设备严重老化。主要原因设备严重老化。加州大停电加州大停电概述概述10绝缘子的沿面闪络绝缘子的沿面闪络雷电放电雷电放电 20012001年年2 2月月2222日停电事故，日停电事故，沈阳市区停电面积超过沈阳市区停电面积超过70%70%。事。事故是从高压输电线路的燃弧放电故是从高压输电线路的燃弧放电开始的。辽沈为我国重工业区，开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷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能力瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电流沿着瓷瓶表面爬升，降低，电流沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽
4、沈停电事出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几乎所有的高压输电线路故中，几乎所有的高压输电线路都都“火冒三丈火冒三丈”，停电事故最厉，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。应，损失巨大。辽沈大停电辽沈大停电概述概述11概述概述现象：现象：当施加于电介质的当施加于电介质的电场电场强度增大强度增大到一定程度时，电介到一定程度时，电介质质由绝缘状态突变为导电状态由绝缘状态突变为导电状态，此跃变现象称为此跃变现象称为电介质的击穿电介质的击穿。0dIdU UB U U I 0 表征：表征：介质发生介质发生击
5、穿击穿时，通过时，通过介质的电流剧烈地增加，介质的电流剧烈地增加，其其特征特征为：为：12概述概述介质击穿：介质击穿：电极间的短路现象；是电介质的基本性能之一；电极间的短路现象；是电介质的基本性能之一；决定了电介质在强场下保持绝缘性能的极限能力；成为决定决定了电介质在强场下保持绝缘性能的极限能力；成为决定电工、电子设备最终寿命的重要因素。电工、电子设备最终寿命的重要因素。介电强度：介电强度：绝缘介质所能承受的不产生介质击穿的最大场强。绝缘介质所能承受的不产生介质击穿的最大场强。Breakdown is a cross-over in the current from stability to
6、instability at some field,with consequent material modification.绝缘技术向高场强方向发展：绝缘技术向高场强方向发展：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应用：介质击穿的应用：气隙开关、放电管，局部放电气隙开关、放电管，局部放电 等离子体对细胞膜的作用等离子体对细胞膜的作用13概述概述14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 由于介质内热的不稳定过程所造成（非本征性质）由于介质内热的不稳定过程所造成（非本征性质）介介
7、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 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 度量介质耐受电场作用的能力度量介质耐受电场作用的能力耐电强度耐电强度 具有可逆与不可逆的击穿形式具有可逆与不可逆的击穿形式与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度有关与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度有关15概述概述16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
8、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 17概述概述 电介质的电介质的基本电性能参数之一基本电性能参数之一，代表了电介质在电场作用，代表了电介质在电场作用下保持绝缘状态的下保持绝缘状态的极限能力极限能力。绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要因素，约绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要因素，约占占70%70%。高场强的应用越来越多，如电子器件，电压不高场强高，高场强的应
9、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，有击穿过程中，有电流倍增效应电流倍增效应，以及，以及光、热、机械力光、热、机械力的作的作用，在工程应用技术中，有广阔的应用前景。如超薄电视用，在工程应用技术中，有广阔的应用前景。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。研究击穿的意义和作用研究击穿的意义和作用18气体介质的击穿气体介质的击穿特点：特点：电流剧增、发光、发声电流剧增、发光、发声表现形式：表现形式：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
10、不均匀气压不太低气压不太低19气体介质的击穿气体介质的击穿基本理论：基本理论：（1）载流子的产生过程）载流子的产生过程 （2）载流子的消失）载流子的消失 （3）碰撞电离理论模型）碰撞电离理论模型 （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20一一.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 原子的激励和电离原子的激励和电离l 阴极的表面电离阴极的表面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
11、发射负离子的形成负离子的形成21l 原子的激励和电离原子的激励和电离激励激励在外界因素作用下，原子中的电子获在外界因素作用下，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，这个过程称为轨道上去，这个过程称为原子的激励原子的激励。eA WA基态基态激励能激励能激励态激励态不稳定，寿命为不稳定，寿命为10-710-8 s，然后又返回到基态，然后又返回到基态。A气体介质的击穿气体介质的击穿22激励电位激励电位eeWe 激励能激励能eWeV激励过程所需要的能量激励过程所需要的能量有时，用有时，用激励电位激励电位来反映来反映激励能激励能 电子电荷电子电荷AAh
12、表示普朗克常数，表示普朗克常数，J Js s。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23电离电离在外界电离因素作用下，原子中一个或几个在外界电离因素作用下，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形成自由电子和正离子的过程。束缚而形成自由电子和正离子的过程。iA WAe电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eA WAiAWAe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24一一.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
13、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 原子的激励和电离原子的激励和电离l 阴极的表面电离阴极的表面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形成负离子的形成25l 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（或激励），这就是体分子电离（或激励），这就是碰撞电离碰撞电离
14、。2eAAe碰撞电离是气体放电中载流子产生的极重要因素碰撞电离是气体放电中载流子产生的极重要因素。气体介质的击穿气体介质的击穿26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的时候电子的质量小，在和分子发生弹性碰撞的时候几乎不损失动能，可以继续积累动能，离子则不几乎不损失动能，可以继续积累动能，离子则不然。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，因此电子的自由行程长，获得的动能多。由行程长，获得的动能多。气体介质的击穿气体
15、介质的击穿27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一个电子沿着电场方向行经单位距离平均发生单位距离平均发生的碰撞的碰撞 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 也是一个电子在也是一个电子在单位长度行程内新电离单位长度行程内新电离的电子的电子 数或正离子数。数或正离子数。(,)ef E由由电场强度电场强度和和自由行程自由行程决定决定 定义定义气体介质的击穿气体介质的击穿28 电子与气体分子碰撞时，只要电子动能大于气体分电子与气体分子碰撞时，只要电子动能大于气体分 子的电离能，则必然使分子电离；子的电离能，则必然使分子电离；每次碰撞后，
16、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后发生碰撞，电子能引起碰撞电离的条件为为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n n0 0个电子，且平均自由程为个电子，且平均自由程为 ，经经x距离距离 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29单位距离中，一个电子的平均碰撞次数单位距离中，一个电子的平均碰撞次数 其中其中x xi i大于自由行程而导致碰撞电离的次数为大于自由行程而导致碰撞电离的次数为
17、 1/Z/Zex11eeiixE21er NpNkT2ekTr p21/erpApkT/iieA pBp EEE /BpEpAe气体介质的击穿气体介质的击穿30/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201508.5250空气15060014.6365N215060012.4342CO2500100020.0466A、B 的经验数据的经验数据 312.2.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
18、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光辐射能够引起光电离的光辐射能够引起光电离的最大波长最大波长为为 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发展。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发展。气体介质的击穿气体介质的击穿323.3.热电离热电离与气体热状态有关的电离过程称为热电离。与气体热状态有关的电离过程称为热电离。在室
19、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由度均分原则，在气体按气体分子平均动能按自由度均分原则，在气体温度为温度为T T时，气体分子每个自由度的平均动能为时，气体分子每个自由度的平均动能为21122mvkT 热电离产生条件热电离产生条件气体介质的击穿气体介质的击穿3321122mvkT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
20、上才可能发生热电离。温度在上万度以上才可能发生热电离。气体介质的击穿气体介质的击穿Mission impossible！344.4.负离子的形成负离子的形成 一些一些电子亲和力电子亲和力较大的元素（如较大的元素（如O、Cl、F等），等），不仅在生成化合物时易于形成负离子，而且当它不仅在生成化合物时易于形成负离子，而且当它们以分子状态存在时，如果遇到电子，容易吸附们以分子状态存在时，如果遇到电子，容易吸附电子而形成电子而形成负离子负离子。eh-+自由电子附着于电子亲和力较大的元素或这些元自由电子附着于电子亲和力较大的元素或这些元素的化合物形成负离子的过程称为素的化合物形成负离子的过程称为电子的附
21、着电子的附着。电子附着过程种伴随着光辐射。这类容易形成负电子附着过程种伴随着光辐射。这类容易形成负离子的气体，称为离子的气体，称为负电性气体负电性气体。气体介质的击穿气体介质的击穿35l气体成分有关气体成分有关l还还与与 p 及及 E 有有关关 电子附着系数电子附着系数 一个电子在电场方向一个电子在电场方向单位长度单位长度行程内可能附着于中性行程内可能附着于中性分子的次数。分子的次数。定义定义Efpp 影响影响 的因素的因素 表示方法表示方法气体介质的击穿气体介质的击穿36Efpp 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；、
22、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 说明低能电子容易附着，高能电子不易附着。说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37电子附着的作用电子附着的作用设设 处有处有 个电子，走过距离个电子，走过距离 后，由于电离作用，后，由于电离作用，增加的电子数为：增加的电子数为：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，电子的净增加数应为：从而，电子的净增加数应为：()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
23、效应的存在，相当于电离系数减小了，因此，附着效应是因此，附着效应是抑制电子数倍增抑制电子数倍增的因素。的因素。气体介质的击穿气体介质的击穿dxndne38一一.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 原子的激励和电离原子的激励和电离l 阴极的表面电离阴极的表面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形成负离子的形成39l 阴极的表面电离阴极的表面电离 由于气体放电中电流是连续的，必然存在阴极发射电子的由于气体
24、放电中电流是连续的，必然存在阴极发射电子的过程，称为阴极的表面电离。条件：电子能量大于金属的逸出功。过程，称为阴极的表面电离。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 正离子向阴极移动，撞击阴极时将动能和位能传递给电子，使其正离子向阴极移动，撞击阴极时将动能和位能传递给电子，使其逸出金属，引起表面电离。逸出金属，引起表面电离。40一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。必须从阴极一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。必须从阴极释放一个以上的自由电子才能造出表面电离。由于释放一个以上的自由电子才能造出表面电离。由于 过程过程从阴极发
25、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，因而与电极材料及其表面状态有关。与电极的逸出功有关，因而与电极材料及其表面状态有关。表面电离系数表面电离系数 表面电离系数一般为表面电离系数一般为1010-2-2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表面电离系数。的表面电离系数。气体阴极材料ArH2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412、光电发射、光电发射光照后发射电子，为表面光电发射。光照后发射电子，为表面光电发射。定义
26、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能力。由外来射线产生，短波射线才有电离气体能力。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态，或异性离子复合时产生光子。423、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。因此表面电离方式中，起主要作用的是这时气体早就击穿了。因此表面电离方
27、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43二二.载流子的消失载流子的消失l 载流子的扩散载流子的扩散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载流子的产生产生过程过程 载流子的载流子的消失消失过程过程 互动互动 决定绝缘是否击穿决定绝缘是否击穿 载流子在电场作用下作定向运动，从而消失于电极，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；构成电导电流；载流子的复合和扩散。载流子的复合和扩散。空间载流子消失方式空间载流子消失方式 44电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laborator
28、y 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，复合成正离子与负离子或电子碰撞时，复合成中性分子中性分子并并发生发生光辐射光辐射，称这个过程为复合。，称这个过程为复合。QBABA正、负离子复合后形成两个分子，正、负离子复合后形成两个分子，释放出的能量为释放出的能量为电离能电离能和和从负离从负离子剥夺电子所耗能量子剥夺电子所耗能量之差之差（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45电力设备电气绝缘国家重点实
29、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46电力设备电气绝缘国家重点实验室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
30、对速度有关：大则大则 小小当当 则则 小小当当 则则 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47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、载流子的扩散、载流子的扩散与气体分子的扩散相似，与气体分子的扩散相似，当气体载流子当气体载流子的分布不均的分布不均匀时，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扩散。动，使分布趋于均匀的过程称为扩散。325/110Nm气体由于由于 且载流子本身的浓度不
31、大，因而且载流子本身的浓度不大，因而载流子间的距离较大，静电斥力很小，因此扩散不载流子间的距离较大，静电斥力很小，因此扩散不是由静电斥力造成的。而是与气体分子的扩散一样，是由静电斥力造成的。而是与气体分子的扩散一样，是热运动造成的。是热运动造成的。气体介质的击穿气体介质的击穿48电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment31DMRT8prkT224扩散系数扩散系数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，则，则D，离子
32、扩散速度慢，离子扩散速度慢，电子扩散速度快。电子扩散速度快。气体介质的击穿气体介质的击穿49主要内容：主要内容：概论、气体介质的击穿概论、气体介质的击穿气体介质的击穿气体介质的击穿 气体击穿的基本理论：气体击穿的基本理论：（1）载流子的产生过程）载流子的产生过程 （2）载流子的消失）载流子的消失 （3）碰撞电离理论模型）碰撞电离理论模型 （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50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一个电子沿着电场方向行经单位距单位距离离平均发生的碰撞电离次数。平均发生的碰撞电离次数。电子附着系数电子附着系数：一个电子在电场方向一个电子在
33、电场方向单位距离单位距离内可能附内可能附着于中性分子的次数。着于中性分子的次数。表面电离系数表面电离系数：一个正离子撞击阴极平均释放的自由电一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。子数。气体介质的击穿气体介质的击穿（1）载流子的产生过程：一次电子）载流子的产生过程：一次电子-过程过程+过程过程 二次电子二次电子-过程过程（2）载流子的消失：电导电流、复合、扩散）载流子的消失：电导电流、复合、扩散51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理论均匀电场
34、中气体击穿的理论l气体击穿的汤逊（气体击穿的汤逊（TownsendTownsend）理论）理论l气体击穿的流注理论气体击穿的流注理论l自持放电条件自持放电条件52气体介质的电击穿气体介质的电击穿（3）碰撞电离理论模型碰撞电离理论模型故不可能由碰撞电离产生击穿故不可能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+-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：由介质击穿一般条件：由介质击穿一般条件：53电子增殖过程：电子增殖过程：p 阴极发射阴极发
35、射n n0 0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，正离子撞击阴极表面产生极表面产生n ns s个二次电子，则阴极表面发射个二次电子，则阴极表面发射n ne e=n=n0 0+n+ns s个个电子。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 作用到达阳极作用到达阳极时增加为时增加为nee d 个电子，则有个电子，则有 nee d-ne个正离子回到阴极产个正离子回到阴极产生二次电子：生二次电子：54自持放电条件：自持放电条件：)1(10deenn)1(10dddeejJ0)1(1dedJ1)1(
36、de气体介质的电击穿气体介质的电击穿当当时，时，达到放电条件达到放电条件故故为为自持放电条件。自持放电条件。55物理意义：物理意义：一个从阴极出发的一个从阴极出发的初始电子初始电子到达阳极时，通过碰到达阳极时，通过碰撞电离产生撞电离产生e e d 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(e e d d-1)-1)个正离子回到阴极，通过个正离子回到阴极，通过 作用，产作用，产生出生出(e e d d-1)-1)个二次电子；当个二次电子；当二次电子二次电子数最少为一个数最少为一个时，可代替初始电子的作用，继续不断从阴极发出电时，可代替初始电子的作用，继
37、续不断从阴极发出电子子 形成形成不依赖外界因素的初始电子，从而产生不依赖外界因素的初始电子，从而产生自持放电自持放电。气体介质的电击穿气体介质的电击穿56巴申定律：巴申定律：p 在碰撞电离理论建立之前，巴申得到均匀电场中气在碰撞电离理论建立之前，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。体放电电压与气隙压力及气隙宽度间的实验关系。发现：发现：（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的乘的乘积积（pd）有关，当有关，当p、d同时变化，而同时变化，而（pd）不变时，不变时，放电电压不变。放电电压不变。（ii）在某一在某一（pd）值下，气隙放电电压
38、出现最值下，气隙放电电压出现最低值。低值。气体介质的电击穿气体介质的电击穿57由由自持放电条件，自持放电条件，与与p 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：582.2 流注理论流注理论 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，气压较高时的放电现象。气压较高时的放电现象。以以Townsend
39、 碰撞电离为碰撞电离为基础，考虑了放电过程中基础，考虑了放电过程中的光现象，即光致电离对的光现象，即光致电离对电离的发展起重要作用。电离的发展起重要作用。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，最后形成很窄击穿通道。最后形成很窄击穿通道。气体介质的电击穿气体介质的电击穿59（1）阳极流注的形成）阳极流注的形成 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
40、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）阴极流注的形成）阴极流注的形成60流注形成的条件即为自持放电的条件：流注形成的条件即为自持放电的条件：放电过程将由于空间光电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，使光电离强烈到可在初崩初崩内电荷密度足够大，使光电离强烈到可在初崩外部形成二次电子。外部形成二次电子。初
41、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：一般取一般取，即，即 e d 108时，时，612.3 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，放电在局不均匀电场中，放电在局部强电场区开始发生，电部强电场区开始发生，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。表现出明显的电压。表现出
42、明显的极性极性效应效应。(-)(-)(+)(+)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62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632.4 沿固体电介质表面气体放电沿固体电介质表面气体放电p 沿面放电沿面放电（沿面滑闪或沿面闪络）：发生于气体与固（沿面滑闪或沿面闪络）：发生于气体与固体介质界面（即固体表面）的放电现象。体介质界面（即固体表面）的放电现象。p 试验特点：试验特点：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。2）与固体介质表面状况密切相关，如湿、污。
43、）与固体介质表面状况密切相关，如湿、污。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。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：改善沿面电场分布，避免表面沾污，延长沿面距离。改善沿面电场分布，避免表面沾污，延长沿面距离。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64实验观察结果：实验观察结果：正电极附近形成分枝状通道正电极附近形成分枝状通道 负电极附近形
44、成直通道负电极附近形成直通道 放电脉冲宽度随电压增加而增大放电脉冲宽度随电压增加而增大气体介质的电击穿气体介质的电击穿653.3.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：击穿场强较高击穿场强较高 108 109V/m。空气。空气 106V/m 在一定温度范围内，介质击穿场强随温度升高而增在一定温度范围内，介质击穿场强随温度升高而增大（或变化不大），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：组成固体的原子（离子、分子）不像在气体中那样组成固体的原子（离子、分子）不像在气体中那样作任意的布朗运动，而只能在自己的平衡位置附
45、近作任意的布朗运动，而只能在自己的平衡位置附近作微小的热振动。作微小的热振动。固体原子的彼此接近，使分立电子能级变成能带，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带时，发生电离，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）相当于电子的电离能。故禁带能量（宽度）相当于电子的电离能。66固体介质的电击穿固体介质的电击穿p 固体介质电击穿理论是在气体放电的碰撞电离理论基础固体介质电击穿理论是在气体放电的碰撞电离理论基础上建立起来。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与气体中电子和分子等的碰撞类似的过程是固体中电子电子与晶格波的
46、相互作用与晶格波的相互作用。p 按击穿发生的判定条件不同，电击穿理论可分为两类：按击穿发生的判定条件不同，电击穿理论可分为两类：以碰撞电离开始为判据以碰撞电离开始为判据本征电击穿本征电击穿 以电离开始，电子数倍增到一定数值，足以破坏介质以电离开始，电子数倍增到一定数值，足以破坏介质绝缘状态为判据绝缘状态为判据“雪崩雪崩”击穿击穿67固体介质的电击穿固体介质的电击穿3.1本征电击穿本征电击穿击穿时击穿时电子（电子（q q）单位时间单位时间从电场从电场 E EB B 获得的能量：获得的能量：2*qBmEB*22mEqBB 则有：则有：m*为电子有效质量，为电子有效质量，为为电子的平均自由行程时间电
47、子的平均自由行程时间（松弛时间）（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机会增多，使击穿场碰撞机会增多，使击穿场强增高。强增高。EB 一般与试样厚度无关，一般与试样厚度无关，但当试样的厚度极薄，小但当试样的厚度极薄，小于电子的平均自由程时，于电子的平均自由程时，电子尚未充分加速就达电电子尚未充分加速就达电极，极，使介质击穿场强增高。使介质击穿场强增高。68固体介质的电击穿固体介质的电击穿3.2 “雪崩雪崩
48、”击穿击穿 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密切相关，禁带狭窄时，较低场隧道电流与禁带宽度密切相关，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。EBeAEJ2（1）隧道击穿）隧道击穿由于隧道效应使介质中电流增大，介质失去绝缘性能的现象。由于隧道效应使介质中电流增大，介质失去绝缘性能的现象。69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 电子的电子的四十代增殖理论：四十代增殖理论：由
49、阴极出发的初始电子，在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内的电离次数达到内的电离次数达到 =40次，产生次，产生2 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，碰撞电离不足以发展到四十代，电介质厚度很薄时，碰撞电离不足以发展到四十代，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，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。70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移动介质
50、中电荷的移动 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连续的区域内捕获运动电荷在聚合物链上不连续的区域内(陷阱陷阱)（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 71固体介质的电击穿固体介质的电击穿（3）陷阱能态密度与分布对空间电荷的影响）陷阱能态密度与分布对空间电荷的影响 电极注入的电荷被陷阱捕获形成空间电荷电极注入的电荷被陷阱捕获形成空间电荷 分子结构与聚集态、杂质等对陷阱分布影响大分子结构与聚集态、杂质等对陷阱分布影响大 注入电子被俘获注入电子被俘获释放释放迁移迁移
