《電介質(zhì)物理》課件 電介質(zhì)的擊穿-1

1、1工程電介質(zhì)物理學(xué)工程電介質(zhì)物理學(xué)電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)的擊穿Breakdown of Dielectrics2012年年4月月5月月 21. 概述概述2. 氣體電介質(zhì)的擊穿氣體電介質(zhì)的擊穿 3. 液體電介質(zhì)的擊穿液體電介質(zhì)的擊穿4. 固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：3絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電概述概述4絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)概述概述5絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電大氣壓下均勻放電大氣壓下均勻放電概述概述6絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電大氣壓下均勻放電大氣壓下均勻放電固體絕緣材料中的放電固體絕緣材料中的放電概

2、述概述7絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電大氣壓下均勻放電大氣壓下均勻放電電纜擊穿事故電纜擊穿事故概述概述8絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電變壓器電纜終端擊穿事故變壓器電纜終端擊穿事故概述概述9絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電大氣壓下均勻放電大氣壓下均勻放電 美國加州美國加州 20022002年年1 1月以及月以及3 3月連續(xù)兩次發(fā)生全州停電月連續(xù)兩次發(fā)生全州停電事故。為防止整個(gè)系統(tǒng)癱事故。為防止整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，加州實(shí)行了二戰(zhàn)后的瘓，加州實(shí)行了二戰(zhàn)后的首次燈火管制，以避免對首次燈火管制，以避免對電力設(shè)備造成損害，引發(fā)電力設(shè)備造成損害，引發(fā)更大面積的不

3、能控制的斷更大面積的不能控制的斷電事故。電事故。 主要原因設(shè)備嚴(yán)重老化。主要原因設(shè)備嚴(yán)重老化。加州大停電加州大停電概述概述10絕緣子的沿面閃絡(luò)絕緣子的沿面閃絡(luò)雷電放電雷電放電 20012001年年2 2月月2222日停電事故，日停電事故，沈陽市區(qū)停電面積超過沈陽市區(qū)停電面積超過70%70%。事。事故是從高壓輸電線路的燃弧放電故是從高壓輸電線路的燃弧放電開始的。遼沈?yàn)槲覈毓I(yè)區(qū)，開始的。遼沈?yàn)槲覈毓I(yè)區(qū)，含鹽的空氣污染物附著在絕緣瓷含鹽的空氣污染物附著在絕緣瓷瓶上，大霧濕氣使瓷瓶絕緣能力瓶上，大霧濕氣使瓷瓶絕緣能力降低，電流沿著瓷瓶表面爬升，降低，電流沿著瓷瓶表面爬升，出現(xiàn)閃烙放電現(xiàn)象。遼沈

4、停電事出現(xiàn)閃烙放電現(xiàn)象。遼沈停電事故中，幾乎所有的高壓輸電線路故中，幾乎所有的高壓輸電線路都都“火冒三丈火冒三丈”，停電事故最厲，停電事故最厲害的就是工業(yè)集中、污染嚴(yán)重的害的就是工業(yè)集中、污染嚴(yán)重的鐵西區(qū)，該區(qū)全部停止了電力供鐵西區(qū)，該區(qū)全部停止了電力供應(yīng)，損失巨大。應(yīng)，損失巨大。遼沈大停電遼沈大停電概述概述11概述概述現(xiàn)象：現(xiàn)象：當(dāng)施加于電介質(zhì)的當(dāng)施加于電介質(zhì)的電場電場強(qiáng)度增大強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，電介到一定程度時(shí)，電介質(zhì)質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，此躍變現(xiàn)象稱為此躍變現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)的擊穿。0dIdU UB U U I 0 表征：表征：介質(zhì)發(fā)生介質(zhì)發(fā)生擊穿

5、擊穿時(shí)，通過時(shí)，通過介質(zhì)的電流劇烈地增加，介質(zhì)的電流劇烈地增加，其其特征特征為：為：12概述概述介質(zhì)擊穿：介質(zhì)擊穿：電極間的短路現(xiàn)象；是電介質(zhì)的基本性能之一；電極間的短路現(xiàn)象；是電介質(zhì)的基本性能之一；決定了電介質(zhì)在強(qiáng)場下保持絕緣性能的極限能力；成為決定決定了電介質(zhì)在強(qiáng)場下保持絕緣性能的極限能力；成為決定電工、電子設(shè)備最終壽命的重要因素。電工、電子設(shè)備最終壽命的重要因素。介電強(qiáng)度：介電強(qiáng)度：絕緣介質(zhì)所能承受的不產(chǎn)生介質(zhì)擊穿的最大場強(qiáng)。絕緣介質(zhì)所能承受的不產(chǎn)生介質(zhì)擊穿的最大場強(qiáng)。Breakdown is a cross-over in the current from stability to i

6、nstability at some field, with consequent material modification.絕緣技術(shù)向高場強(qiáng)方向發(fā)展：絕緣技術(shù)向高場強(qiáng)方向發(fā)展：高壓輸電；高能粒子加速器；半導(dǎo)體器件；集成電路高壓輸電；高能粒子加速器；半導(dǎo)體器件；集成電路介質(zhì)擊穿的應(yīng)用：介質(zhì)擊穿的應(yīng)用：氣隙開關(guān)、放電管，局部放電氣隙開關(guān)、放電管，局部放電 等離子體對細(xì)胞膜的作用等離子體對細(xì)胞膜的作用13概述概述14介質(zhì)擊穿主要分為熱擊穿和電擊穿兩大類介質(zhì)擊穿主要分為熱擊穿和電擊穿兩大類p 熱擊穿熱擊穿 由于介質(zhì)內(nèi)熱的不穩(wěn)定過程所造成（非本征性質(zhì)）由于介質(zhì)內(nèi)熱的不穩(wěn)定過程所造成（非本征性質(zhì)） 介

7、介質(zhì)質(zhì)電電流流 介介質(zhì)質(zhì)加加熱熱 電電導(dǎo)導(dǎo)增增加加 電電流流增增大大 介介質(zhì)質(zhì)破破壞壞 概述概述p 電擊穿電擊穿 是介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生的本征物理過程是介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生的本征物理過程 度量介質(zhì)耐受電場作用的能力度量介質(zhì)耐受電場作用的能力耐電強(qiáng)度耐電強(qiáng)度 具有可逆與不可逆的擊穿形式具有可逆與不可逆的擊穿形式與材料性能、絕緣結(jié)構(gòu)、電壓種類、環(huán)境溫度有關(guān)與材料性能、絕緣結(jié)構(gòu)、電壓種類、環(huán)境溫度有關(guān)15概述概述16概述概述 電電 擊擊 穿穿 氣氣 體體 介介 質(zhì)質(zhì) 擊擊 穿穿 理理 論論 固固 體體 介介 質(zhì)質(zhì) 擊擊 穿穿 的的 理理 論論 模模 型型 湯湯 遜遜 理理 論論 流流 注注 理理

8、 論論 陰陰極極發(fā)發(fā)射射初初始始電電子子 二二次次電電子子自自持持放放電電 陽陽極極流流注注的的形形成成 本本征征電電擊擊穿穿模模型型 碰碰撞撞電電離離雪雪崩崩擊擊穿穿 隧隧道道效效應(yīng)應(yīng)擊擊穿穿 擊擊穿穿理理論論研研究究進(jìn)進(jìn)展展 陰陰極極流流注注的的形形成成 17概述概述 電介質(zhì)的電介質(zhì)的基本電性能參數(shù)之一基本電性能參數(shù)之一，代表了電介質(zhì)在電場作用，代表了電介質(zhì)在電場作用下保持絕緣狀態(tài)的下保持絕緣狀態(tài)的極限能力極限能力。 絕緣損壞是造成電力設(shè)備、電力系統(tǒng)事故的主要因素，約絕緣損壞是造成電力設(shè)備、電力系統(tǒng)事故的主要因素，約占占70%70%。 高場強(qiáng)的應(yīng)用越來越多，如電子器件，電壓不高場強(qiáng)高，高場

9、強(qiáng)的應(yīng)用越來越多，如電子器件，電壓不高場強(qiáng)高，高場強(qiáng)問題多。高場強(qiáng)問題多。 擊穿過程中，有擊穿過程中，有電流倍增效應(yīng)電流倍增效應(yīng)，以及，以及光、熱、機(jī)械力光、熱、機(jī)械力的作的作用，在工程應(yīng)用技術(shù)中，有廣闊的應(yīng)用前景。如超薄電視用，在工程應(yīng)用技術(shù)中，有廣闊的應(yīng)用前景。如超薄電視機(jī)就是氣體放電機(jī)就是氣體放電引起熒光物質(zhì)發(fā)光。引起熒光物質(zhì)發(fā)光。研究擊穿的意義和作用研究擊穿的意義和作用18氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿特點(diǎn)：特點(diǎn)：電流劇增、發(fā)光、發(fā)聲電流劇增、發(fā)光、發(fā)聲表現(xiàn)形式：表現(xiàn)形式： 輝光放電：氣壓低、功率小輝光放電：氣壓低、功率小 火花放電火花放電 電弧放電電弧放電 電暈放電：電場極不均勻電暈放

10、電：電場極不均勻氣壓不太低氣壓不太低19氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿基本理論：基本理論： （1）載流子的產(chǎn)生過程）載流子的產(chǎn)生過程 （2）載流子的消失）載流子的消失 （3）碰撞電離理論模型）碰撞電離理論模型 （4）極不均勻電場中氣體的擊穿）極不均勻電場中氣體的擊穿330kV輸電線路桿塔20一一. .強(qiáng)電場下氣體中載流子的產(chǎn)生強(qiáng)電場下氣體中載流子的產(chǎn)生l 強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生碰撞電離碰撞電離光電離光電離熱電離熱電離正離子撞擊陰極正離子撞擊陰極光電發(fā)射光電發(fā)射l 原子的激勵(lì)和電離原子的激勵(lì)和電離l 陰極的表面電離陰極的表面電離氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射

11、熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成21l 原子的激勵(lì)和電離原子的激勵(lì)和電離激勵(lì)激勵(lì)在外界因素作用下，原子中的電子獲在外界因素作用下，原子中的電子獲得能量，可以躍遷到能量較高的能級得能量，可以躍遷到能量較高的能級軌道上去，這個(gè)過程稱為軌道上去，這個(gè)過程稱為原子的激勵(lì)原子的激勵(lì)。eA WA基態(tài)基態(tài)激勵(lì)能激勵(lì)能激勵(lì)態(tài)激勵(lì)態(tài)不穩(wěn)定，壽命為不穩(wěn)定，壽命為10-710-8 s，然后又返回到基態(tài)，然后又返回到基態(tài)。A氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿22激勵(lì)電位激勵(lì)電位eeWe 激勵(lì)能激勵(lì)能eWeV激勵(lì)過程所需要的能量激勵(lì)過程所需要的能量有時(shí)，用有時(shí)，用激勵(lì)電位激勵(lì)電位來反映來反映激勵(lì)能激勵(lì)能 電子電荷

12、電子電荷AAh 表示普朗克常數(shù)，表示普朗克常數(shù)， JsJs。 表示光子能量。表示光子能量。hh346.62 10h氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿23電離電離在外界電離因素作用下，原子中一個(gè)或幾個(gè)在外界電離因素作用下，原子中一個(gè)或幾個(gè)電子獲得能量足夠大時(shí)，可以脫離原子核的電子獲得能量足夠大時(shí)，可以脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程。束縛而形成自由電子和正離子的過程。iA WAe電離過程可表示為電離過程可表示為一次電離一次電離基態(tài)基態(tài)正離子正離子電子電子電離能電離能eAWAiAWAe分級電離分級電離顯然顯然iiWW氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿24一一. .強(qiáng)電場下氣體中載流子的產(chǎn)生強(qiáng)電場下

13、氣體中載流子的產(chǎn)生l 強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生碰撞電離碰撞電離光電離光電離熱電離熱電離正離子撞擊陰極正離子撞擊陰極光電發(fā)射光電發(fā)射l 原子的激勵(lì)和電離原子的激勵(lì)和電離l 陰極的表面電離陰極的表面電離氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成25l 強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生1.1.碰撞電離碰撞電離當(dāng)電場足夠強(qiáng)使電子和離子的動(dòng)能積累到一定當(dāng)電場足夠強(qiáng)使電子和離子的動(dòng)能積累到一定數(shù)值后，在和氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)，可以使氣數(shù)值后，在和氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)，可以使氣體分子電離（或激勵(lì)），這就是體分子電離（或激勵(lì)），這就

14、是碰撞電離碰撞電離。2eAAe碰撞電離是氣體放電中載流子產(chǎn)生的極重要因素碰撞電離是氣體放電中載流子產(chǎn)生的極重要因素。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿26為什么碰撞電離主要由電子和氣體分子的碰撞而引起的？為什么碰撞電離主要由電子和氣體分子的碰撞而引起的？ 電子的質(zhì)量小，在和分子發(fā)生彈性碰撞的時(shí)候電子的質(zhì)量小，在和分子發(fā)生彈性碰撞的時(shí)候幾乎不損失動(dòng)能，可以繼續(xù)積累動(dòng)能，離子則不幾乎不損失動(dòng)能，可以繼續(xù)積累動(dòng)能，離子則不然。然。221/4 214 2er Nr N解答：解答：電子尺寸小，比氣體分子小的多，因此電子的自電子尺寸小，比氣體分子小的多，因此電子的自由行程長，獲得的動(dòng)能多。由行程長，獲得的動(dòng)能多

15、。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿27電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù) 一個(gè)電子沿著電場方向行經(jīng)一個(gè)電子沿著電場方向行經(jīng)單位距離平均發(fā)生單位距離平均發(fā)生的碰撞的碰撞 電離次數(shù)。單位電離次數(shù)。單位1/m 1/m 。(eAAee 新電離電子） 因此因此 也是一個(gè)電子在也是一個(gè)電子在單位長度行程內(nèi)新電離單位長度行程內(nèi)新電離的電子的電子 數(shù)或正離子數(shù)。數(shù)或正離子數(shù)。 ( ,)ef E由由電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度和和自由行程自由行程決定決定 定義定義氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿28 電子與氣體分子碰撞時(shí)，只要電子動(dòng)能大于氣體分電子與氣體分子碰撞時(shí)，只要電子動(dòng)能大于氣體分 子的電離能，則必然使分子電離；子的電離能，則

16、必然使分子電離； 每次碰撞后，電子失去全部動(dòng)能。每次碰撞后，電子失去全部動(dòng)能。假設(shè)假設(shè)在行經(jīng)了在行經(jīng)了x x后發(fā)生碰撞，電子能引起碰撞電離的條件后發(fā)生碰撞，電子能引起碰撞電離的條件為為WieEx iEx電離能電離能電離電位電離電位/iixE/iixWeE根據(jù)波爾茲曼分布規(guī)律，設(shè)有根據(jù)波爾茲曼分布規(guī)律，設(shè)有n n0 0個(gè)電子，且平均自由程為個(gè)電子，且平均自由程為 ，經(jīng)經(jīng)x距離距離 后，發(fā)生碰撞的電子數(shù)為后，發(fā)生碰撞的電子數(shù)為e0exxnn氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿29單位距離中，一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)單位距離中，一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù) 其中其中x xi i大于自由行程而導(dǎo)致碰撞電離的次數(shù)為大于

17、自由行程而導(dǎo)致碰撞電離的次數(shù)為 1/Z/Zex11eeiixE21er NpNkT2ekTr p21/erpApkT/iieA pBp EEE /BpEpAe氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿30/BpEpAe/p和和E/p的關(guān)系的關(guān)系 ， constant，EpE氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿氣體E/p(V/cm133Pa)A(1/cm133Pa)B(V/cm133Pa)空氣201508.5250空氣15060014.6365N215060012.4342CO2500100020.0466A、B 的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 312.2.光電離光電離光輻射引起氣體分子電離的過程稱為光電離。光輻射引起氣體分子

18、電離的過程稱為光電離。光子的能量大于氣體分子的電離能：光子的能量大于氣體分子的電離能：ihW 產(chǎn)生光電離的必要條件產(chǎn)生光電離的必要條件 光電離過程光電離過程 he +/c1234(nm)ciihce光輻射能夠引起光電離的光輻射能夠引起光電離的最大波長最大波長為為 光輻射的來源光輻射的來源 l紫外線、宇宙射線、紫外線、宇宙射線、X X射線射線l氣體放電過程中氣體放電過程中l(wèi) *AAh引起別的分子的光電離或分級電離，促進(jìn)氣體放電的進(jìn)一步發(fā)展。引起別的分子的光電離或分級電離，促進(jìn)氣體放電的進(jìn)一步發(fā)展。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿323.3.熱電離熱電離與氣體熱狀態(tài)有關(guān)的電離過程稱為熱電離。與氣體熱狀

19、態(tài)有關(guān)的電離過程稱為熱電離。在室溫時(shí)，分子平均動(dòng)能很小，不會(huì)發(fā)生電離；在室溫時(shí)，分子平均動(dòng)能很小，不會(huì)發(fā)生電離；但是但是TT，平均動(dòng)能增大。，平均動(dòng)能增大。+22AAAe按氣體分子平均動(dòng)能按自由度均分原則，在氣體按氣體分子平均動(dòng)能按自由度均分原則，在氣體溫度為溫度為T T時(shí)，氣體分子每個(gè)自由度的平均動(dòng)能為時(shí)，氣體分子每個(gè)自由度的平均動(dòng)能為21122mvkT 熱電離產(chǎn)生條件熱電離產(chǎn)生條件氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿3321122mvkT總能量大于分子電離能總能量大于分子電離能ikTW1952313.6 1.602 10/1.57 10 K1.38 10iTWk兩個(gè)分子相互碰撞時(shí)的總能量兩個(gè)分子相

20、互碰撞時(shí)的總能量 溫度在上萬度以上才可能發(fā)生熱電離。溫度在上萬度以上才可能發(fā)生熱電離。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿Mission impossible！344.4.負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成 一些一些電子親和力電子親和力較大的元素（如較大的元素（如O、Cl、F等），等），不僅在生成化合物時(shí)易于形成負(fù)離子，而且當(dāng)它不僅在生成化合物時(shí)易于形成負(fù)離子，而且當(dāng)它們以分子狀態(tài)存在時(shí)，如果遇到電子，容易吸附們以分子狀態(tài)存在時(shí)，如果遇到電子，容易吸附電子而形成電子而形成負(fù)離子負(fù)離子。eh -+自由電子附著于電子親和力較大的元素或這些元自由電子附著于電子親和力較大的元素或這些元素的化合物形成負(fù)離子的過程稱為素的

21、化合物形成負(fù)離子的過程稱為電子的附著電子的附著。電子附著過程種伴隨著光輻射。這類容易形成負(fù)電子附著過程種伴隨著光輻射。這類容易形成負(fù)離子的氣體，稱為離子的氣體，稱為負(fù)電性氣體負(fù)電性氣體。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿35l氣體成分有關(guān)氣體成分有關(guān)l還還與與 p 及及 E 有有關(guān)關(guān) 電子附著系數(shù)電子附著系數(shù) 一個(gè)電子在電場方向一個(gè)電子在電場方向單位長度單位長度行程內(nèi)可能附著于中性行程內(nèi)可能附著于中性分子的次數(shù)。分子的次數(shù)。 定義定義Efpp 影響影響 的因素的因素 表示方法表示方法氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿36Efpp 隨著電場強(qiáng)度的增大隨著電場強(qiáng)度的增大 （即電子能量增大）（即電子能量增大）

22、電子附著效應(yīng)減弱；電子附著效應(yīng)減弱；、p及E實(shí)驗(yàn)規(guī)律圖 隨著氣壓的增大，由隨著氣壓的增大，由 于能量減小，電子附于能量減小，電子附 著效應(yīng)增大。著效應(yīng)增大。l 說明低能電子容易附著，高能電子不易附著。說明低能電子容易附著，高能電子不易附著。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿37電子附著的作用電子附著的作用設(shè)設(shè) 處有處有 個(gè)電子，走過距離個(gè)電子，走過距離 后，由于電離作用，后，由于電離作用，增加的電子數(shù)為：增加的電子數(shù)為：xndxednn dx由于附著效應(yīng)而減少的電子數(shù)為：由于附著效應(yīng)而減少的電子數(shù)為：從而，電子的凈增加數(shù)應(yīng)為：從而，電子的凈增加數(shù)應(yīng)為： ()eedndndnndx由此可見由此可見,

23、,附著效應(yīng)的存在，相當(dāng)于電離系數(shù)減小了，附著效應(yīng)的存在，相當(dāng)于電離系數(shù)減小了，因此，附著效應(yīng)是因此，附著效應(yīng)是抑制電子數(shù)倍增抑制電子數(shù)倍增的因素。的因素。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿dxndne38一一. .強(qiáng)電場下氣體中載流子的產(chǎn)生強(qiáng)電場下氣體中載流子的產(chǎn)生l 強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生碰撞電離碰撞電離光電離光電離熱電離熱電離正離子撞擊陰極正離子撞擊陰極光電發(fā)射光電發(fā)射l 原子的激勵(lì)和電離原子的激勵(lì)和電離l 陰極的表面電離陰極的表面電離氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成39l 陰極的表面電離陰極的表面電離 由于氣體放

24、電中電流是連續(xù)的，必然存在陰極發(fā)射電子的由于氣體放電中電流是連續(xù)的，必然存在陰極發(fā)射電子的過程，稱為陰極的表面電離。條件：電子能量大于金屬的逸出功。過程，稱為陰極的表面電離。條件：電子能量大于金屬的逸出功。 定義定義氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿1、正離子撞擊陰極、正離子撞擊陰極 正離子向陰極移動(dòng)，撞擊陰極時(shí)將動(dòng)能和位能傳遞給電子，使其正離子向陰極移動(dòng)，撞擊陰極時(shí)將動(dòng)能和位能傳遞給電子，使其逸出金屬，引起表面電離。逸出金屬，引起表面電離。40一個(gè)正離子撞擊陰極平均釋放的自由電子數(shù)。必須從陰極一個(gè)正離子撞擊陰極平均釋放的自由電子數(shù)。必須從陰極釋放一個(gè)以上的自由電子才能造出表面電離。由于釋放一個(gè)以上

25、的自由電子才能造出表面電離。由于 過程過程從陰極發(fā)射的電子稱為二次電子。從陰極發(fā)射的電子稱為二次電子。與電極的逸出功有關(guān)，因而與電極材料及其表面狀態(tài)有關(guān)。與電極的逸出功有關(guān)，因而與電極材料及其表面狀態(tài)有關(guān)。 表面電離系數(shù)表面電離系數(shù) 表面電離系數(shù)一般為表面電離系數(shù)一般為1010-2-2數(shù)量級，下表給出了幾種氣體數(shù)量級，下表給出了幾種氣體的表面電離系數(shù)。的表面電離系數(shù)。氣體陰極材料ArH2空氣N2HeAlCuFe0.120.060.060.10.050.060.0350.0250.020.10.0650.060.020.015氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿412、光電發(fā)射、光電發(fā)射光照后發(fā)射電子，

26、為表面光電發(fā)射。光照后發(fā)射電子，為表面光電發(fā)射。定義定義條件條件Dh l 光子能量大于金屬逸出功光子能量大于金屬逸出功l 對大多數(shù)金屬，射線為紫外光范圍對大多數(shù)金屬，射線為紫外光范圍氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿光的來源：光的來源： 由外來射線產(chǎn)生，短波射線才有電離氣體能力。由外來射線產(chǎn)生，短波射線才有電離氣體能力。 分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，或異性離子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生光子。分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，或異性離子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生光子。423、熱電子發(fā)射和場致發(fā)射、熱電子發(fā)射和場致發(fā)射熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射 場致發(fā)射場致發(fā)射 2expDsEjATkT 2expBjAEEjA幾個(gè)810VEm這時(shí)氣體早就擊穿了。因此表面電離

27、方式中，起主要作用的是這時(shí)氣體早就擊穿了。因此表面電離方式中，起主要作用的是正離子撞擊陰極和光電發(fā)射。正離子撞擊陰極和光電發(fā)射。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿43二二. .載流子的消失載流子的消失l 載流子的擴(kuò)散載流子的擴(kuò)散l 載流子的復(fù)合載流子的復(fù)合氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿載流子的載流子的產(chǎn)生產(chǎn)生過程過程 載流子的載流子的消失消失過程過程 互動(dòng)互動(dòng) 決定絕緣是否擊穿決定絕緣是否擊穿 載流子在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，從而消失于電極，載流子在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，從而消失于電極， 構(gòu)成電導(dǎo)電流；構(gòu)成電導(dǎo)電流； 載流子的復(fù)合和擴(kuò)散。載流子的復(fù)合和擴(kuò)散?？臻g載流子消失方式空間載流子消失方式 44電力

28、設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1 1、載流子的復(fù)合、載流子的復(fù)合正離子與負(fù)離子或電子碰撞時(shí)，復(fù)合成正離子與負(fù)離子或電子碰撞時(shí)，復(fù)合成中性分子中性分子并并發(fā)生發(fā)生光輻射光輻射，稱這個(gè)過程為復(fù)合。，稱這個(gè)過程為復(fù)合。QBABA正、負(fù)離子復(fù)合后形成兩個(gè)分子，正、負(fù)離子復(fù)合后形成兩個(gè)分子，釋放出的能量為釋放出的能量為電離能電離能和和從負(fù)離從負(fù)離子剝奪電子所耗能量子剝奪電子所耗能量之差之差 （電離能）iWAeA能量）從負(fù)離子剝離電子所需(BeBE)BABAEWi （+=A光子）（

29、hEWi 氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿45電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentB電子動(dòng)能（靜止）動(dòng)電子eAeA電子動(dòng)能）（WiA光子）(AhiWh當(dāng)當(dāng) 時(shí)，引起其他地方的光電離。時(shí)，引起其他地方的光電離。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿46電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment復(fù)合速率復(fù)合速率tnddtnddnntntndddd濃度分別為正離子和負(fù)離子，n

30、n復(fù)合系數(shù) 復(fù)合系數(shù)與載流子間的相對速度有關(guān)：復(fù)合系數(shù)與載流子間的相對速度有關(guān)： 大則大則 小小當(dāng)當(dāng) 則則 小小當(dāng)當(dāng) 則則 大大離子電子離子離子BA氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿47電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2 2、載流子的擴(kuò)散、載流子的擴(kuò)散與氣體分子的擴(kuò)散相似，與氣體分子的擴(kuò)散相似，當(dāng)氣體載流子當(dāng)氣體載流子的分布不均的分布不均勻時(shí)，載流子將從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移勻時(shí)，載流子將從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動(dòng)，使分布趨于均勻的過程稱為擴(kuò)散。動(dòng)，使分布趨于均

31、勻的過程稱為擴(kuò)散。325/110Nm氣體由于由于 且載流子本身的濃度不大，因而且載流子本身的濃度不大，因而載流子間的距離較大，靜電斥力很小，因此擴(kuò)散不載流子間的距離較大，靜電斥力很小，因此擴(kuò)散不是由靜電斥力造成的。而是與氣體分子的擴(kuò)散一樣，是由靜電斥力造成的。而是與氣體分子的擴(kuò)散一樣，是熱運(yùn)動(dòng)造成的。是熱運(yùn)動(dòng)造成的。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿48電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment31DMRT8prkT224擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)2/12/3pMTAD 其中其中M、p為氣體的

32、摩爾質(zhì)量和壓力。為氣體的摩爾質(zhì)量和壓力。 當(dāng)當(dāng)T，p，M，則，則D，離子擴(kuò)散速度慢，離子擴(kuò)散速度慢，電子擴(kuò)散速度快。電子擴(kuò)散速度快。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿49主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：概論、氣體介質(zhì)的擊穿概論、氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿 氣體擊穿的基本理論：氣體擊穿的基本理論： （1）載流子的產(chǎn)生過程）載流子的產(chǎn)生過程 （2）載流子的消失）載流子的消失 （3）碰撞電離理論模型）碰撞電離理論模型 （4）極不均勻電場中氣體的擊穿）極不均勻電場中氣體的擊穿50電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù) ：一個(gè)電子沿著電場方向行經(jīng)一個(gè)電子沿著電場方向行經(jīng)單位距單位距離離平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。平

33、均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。電子附著系數(shù)電子附著系數(shù) ：一個(gè)電子在電場方向一個(gè)電子在電場方向單位距離單位距離內(nèi)可能附內(nèi)可能附著于中性分子的次數(shù)。著于中性分子的次數(shù)。表面電離系數(shù)表面電離系數(shù) ：一個(gè)正離子撞擊陰極平均釋放的自由電一個(gè)正離子撞擊陰極平均釋放的自由電子數(shù)。子數(shù)。氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿（1）載流子的產(chǎn)生過程：一次電子）載流子的產(chǎn)生過程：一次電子- 過程過程+ 過程過程 二次電子二次電子- 過程過程（2）載流子的消失：電導(dǎo)電流、復(fù)合、擴(kuò)散）載流子的消失：電導(dǎo)電流、復(fù)合、擴(kuò)散51電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insula

34、tion and Power Equipment三三.均勻電場中氣體擊穿的理論均勻電場中氣體擊穿的理論l氣體擊穿的湯遜（氣體擊穿的湯遜（TownsendTownsend）理論）理論l氣體擊穿的流注理論氣體擊穿的流注理論l自持放電條件自持放電條件52氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿（3）碰撞電離理論模型碰撞電離理論模型故不可能由碰撞電離產(chǎn)生擊穿故不可能由碰撞電離產(chǎn)生擊穿 電極間載流子分布電極間載流子分布 dn(x) dx x nd n0 + - x d 0 個(gè)電子ddenn0dodeJJ0dIdUdJ要求陰極有陰極有n0個(gè)電子，經(jīng)碰撞電離個(gè)電子，經(jīng)碰撞電離到達(dá)陽極產(chǎn)生到達(dá)陽極產(chǎn)生電流密度：電流密

35、度：由介質(zhì)擊穿一般條件：由介質(zhì)擊穿一般條件：53電子增殖過程：電子增殖過程： p 陰極發(fā)射陰極發(fā)射n n0 0個(gè)電子，碰撞產(chǎn)生正離子，正離子撞擊陰個(gè)電子，碰撞產(chǎn)生正離子，正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生極表面產(chǎn)生n ns s個(gè)二次電子，則陰極表面發(fā)射個(gè)二次電子，則陰極表面發(fā)射n ne e=n=n0 0+n+ns s個(gè)個(gè)電子。電子。 (-) 電子的倍增過程電子的倍增過程 (+) ) 1(desenn氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿p ne個(gè)電子經(jīng)過個(gè)電子經(jīng)過 作用到達(dá)陽極作用到達(dá)陽極時(shí)增加為時(shí)增加為nee d 個(gè)電子，則有個(gè)電子，則有 nee d- ne個(gè)正離子回到陰極產(chǎn)個(gè)正離子回到陰極產(chǎn)生二次電子：生二

36、次電子：54自持放電條件：自持放電條件： ) 1(10deenn) 1(10dddeejJ0) 1(1dedJ1) 1(de氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，達(dá)到放電條件達(dá)到放電條件故故為為自持放電條件。自持放電條件。55物理意義：物理意義： 一個(gè)從陰極出發(fā)的一個(gè)從陰極出發(fā)的初始電子初始電子到達(dá)陽極時(shí)，通過碰到達(dá)陽極時(shí)，通過碰撞電離產(chǎn)生撞電離產(chǎn)生e e d d 個(gè)電子、正離子；其中除第一個(gè)初始個(gè)電子、正離子；其中除第一個(gè)初始電子外的電子外的( (e e d d -1) -1)個(gè)正離子回到陰極，通過個(gè)正離子回到陰極，通過 作用，產(chǎn)作用，產(chǎn)生出生出 ( (e e d d -1) -1)

37、個(gè)二次電子；當(dāng)個(gè)二次電子；當(dāng)二次電子二次電子數(shù)最少為一個(gè)數(shù)最少為一個(gè)時(shí)，可代替初始電子的作用，繼續(xù)不斷從陰極發(fā)出電時(shí)，可代替初始電子的作用，繼續(xù)不斷從陰極發(fā)出電子子 形成形成不依賴外界因素的初始電子，從而產(chǎn)生不依賴外界因素的初始電子，從而產(chǎn)生自持放電自持放電。 氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿56巴申定律：巴申定律：p 在碰撞電離理論建立之前，巴申得到均勻電場中氣在碰撞電離理論建立之前，巴申得到均勻電場中氣體放電電壓與氣隙壓力及氣隙寬度間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。體放電電壓與氣隙壓力及氣隙寬度間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)： （i）氣隙放電電壓氣隙放電電壓UB與氣壓與氣壓p和氣隙寬度和氣隙寬度d的乘的乘積積（pd

38、）有關(guān)，當(dāng)有關(guān)，當(dāng)p、d同時(shí)變化，而同時(shí)變化，而（pd）不變時(shí)，不變時(shí)，放電電壓不變。放電電壓不變。 （ii）在某一在某一（pd）值下，氣隙放電電壓出現(xiàn)最值下，氣隙放電電壓出現(xiàn)最低值。低值。氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿57由由自持放電條件，自持放電條件， 與與p p關(guān)系，及均勻電場條件關(guān)系，及均勻電場條件為什么附著電子性強(qiáng)的氣體具有高耐壓比？為什么附著電子性強(qiáng)的氣體具有高耐壓比？dUBBE)11ln(lnApdBpdBU pd/cm.mmHg UB/kV 理理論論計(jì)計(jì)算算 實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)曲曲線線 氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿可得氣隙放電電壓：可得氣隙放電電壓：582.2 流注理論流注理論 適

39、用于氣隙初始放電（無適用于氣隙初始放電（無初始電子），氣隙較長，初始電子），氣隙較長，氣壓較高時(shí)的放電現(xiàn)象。氣壓較高時(shí)的放電現(xiàn)象。 以以Townsend 碰撞電離為碰撞電離為基礎(chǔ)，考慮了放電過程中基礎(chǔ)，考慮了放電過程中的光現(xiàn)象，即光致電離對的光現(xiàn)象，即光致電離對電離的發(fā)展起重要作用。電離的發(fā)展起重要作用。 電子與正離子復(fù)合產(chǎn)生光電子與正離子復(fù)合產(chǎn)生光發(fā)射。發(fā)射。 電子崩頭部離子數(shù)電子崩頭部離子數(shù) 108，最后形成很窄擊穿通道。最后形成很窄擊穿通道。氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿59（1）陽極流注的形成）陽極流注的形成 初崩中部的光輻射作用在其崩頭前方產(chǎn)生了二初崩中部的光輻射作用在其崩頭前方產(chǎn)

40、生了二次崩。次崩。 二次崩尾受初崩吸引匯入初崩，等離子區(qū)由陰二次崩尾受初崩吸引匯入初崩，等離子區(qū)由陰極向陽極伸展。極向陽極伸展。氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿 初崩接近陽極時(shí)，崩中部的光輻射作用在崩尾初崩接近陽極時(shí)，崩中部的光輻射作用在崩尾產(chǎn)生二次崩。產(chǎn)生二次崩。 初崩尾吸引二次崩頭，匯入初崩，等離子區(qū)由初崩尾吸引二次崩頭，匯入初崩，等離子區(qū)由陽極向陰極伸展。陽極向陰極伸展。（2）陰極流注的形成）陰極流注的形成60流注形成的條件即為自持放電的條件：流注形成的條件即為自持放電的條件： 放電過程將由于空間光電離而導(dǎo)致轉(zhuǎn)入自持放電。放電過程將由于空間光電離而導(dǎo)致轉(zhuǎn)入自持放電。 1dAe20)/1

41、(And氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿初崩內(nèi)電荷密度足夠大，使光電離強(qiáng)烈到可在初崩初崩內(nèi)電荷密度足夠大，使光電離強(qiáng)烈到可在初崩外部形成二次電子。外部形成二次電子。初崩的空間電荷電場足夠強(qiáng)，以致能產(chǎn)生二次崩和初崩的空間電荷電場足夠強(qiáng)，以致能產(chǎn)生二次崩和吸引二次崩匯入初崩。吸引二次崩匯入初崩。 流注放電條件：流注放電條件：一般取一般取，即，即 e d 108時(shí)，時(shí)，612.3 不均勻電場中氣體放電的極性效應(yīng)（電暈放電）不均勻電場中氣體放電的極性效應(yīng)（電暈放電）p 不均勻電場中，放電在局不均勻電場中，放電在局部強(qiáng)電場區(qū)開始發(fā)生，電部強(qiáng)電場區(qū)開始發(fā)生，電離的起始放電電壓（電暈離的起始放電電壓（電暈電

42、壓）低于氣隙擊穿電壓。電壓）低于氣隙擊穿電壓。p 負(fù)針尖時(shí)的氣隙擊穿電壓負(fù)針尖時(shí)的氣隙擊穿電壓高于正針尖時(shí)的氣隙擊穿高于正針尖時(shí)的氣隙擊穿電壓。表現(xiàn)出明顯的電壓。表現(xiàn)出明顯的極性極性效應(yīng)效應(yīng)。 (-) (-) (+) (+) 正針尖放電正針尖放電 負(fù)針尖放電負(fù)針尖放電 氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿62針尖尺寸與電暈放電脈沖針尖尺寸與電暈放電脈沖a）空空氣氣中中電電暈暈b）油油中中電電暈暈氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿632.4 沿固體電介質(zhì)表面氣體放電沿固體電介質(zhì)表面氣體放電p 沿面放電沿面放電（沿面滑閃或沿面閃絡(luò)）：發(fā)生于氣體與固（沿面滑閃或沿面閃絡(luò)）：發(fā)生于氣體與固體介質(zhì)界面（即固體

43、表面）的放電現(xiàn)象。體介質(zhì)界面（即固體表面）的放電現(xiàn)象。p 試驗(yàn)特點(diǎn)：試驗(yàn)特點(diǎn)： 1）明顯低于純氣隙的放電電壓。）明顯低于純氣隙的放電電壓。 2）與固體介質(zhì)表面狀況密切相關(guān)，如濕、污。）與固體介質(zhì)表面狀況密切相關(guān)，如濕、污。 3）與電壓種類有關(guān)。沖擊）與電壓種類有關(guān)。沖擊高頻高頻直流直流50Hz。 4）與電極的布置，即電場的均勻度有關(guān)。）與電極的布置，即電場的均勻度有關(guān)。p 改善措施：改善措施： 改善沿面電場分布，避免表面沾污，延長沿面距離。改善沿面電場分布，避免表面沾污，延長沿面距離。氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿XHP1-240耐污型耐污型絕緣子剖面圖絕緣子剖面圖XHP1-240耐污型絕耐

44、污型絕緣子電場分布圖緣子電場分布圖XHP1-240耐污型耐污型絕緣子電位分布圖絕緣子電位分布圖64實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果：實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果： 正電極附近形成分枝狀通道正電極附近形成分枝狀通道 負(fù)電極附近形成直通道負(fù)電極附近形成直通道 放電脈沖寬度隨電壓增加而增大放電脈沖寬度隨電壓增加而增大氣體介質(zhì)的電擊穿氣體介質(zhì)的電擊穿653. 3. 固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿 固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿p實(shí)驗(yàn)特征：實(shí)驗(yàn)特征： 擊穿場強(qiáng)較高擊穿場強(qiáng)較高 108 109V/m。空氣。空氣 106V/m 在一定溫度范圍內(nèi)，介質(zhì)擊穿場強(qiáng)隨溫度升高而增在一定溫度范圍內(nèi)，介質(zhì)擊穿場強(qiáng)隨溫度升高而增大（或變化不大），大（或

45、變化不大），p固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)的區(qū)別：固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)的區(qū)別： 組成固體的原子（離子、分子）不像在氣體中那樣組成固體的原子（離子、分子）不像在氣體中那樣作任意的布朗運(yùn)動(dòng)，而只能在自己的平衡位置附近作任意的布朗運(yùn)動(dòng)，而只能在自己的平衡位置附近作微小的熱振動(dòng)。作微小的熱振動(dòng)。 固體原子的彼此接近，使分立電子能級變成能帶，固體原子的彼此接近，使分立電子能級變成能帶，當(dāng)滿帶電子獲得足夠能量穿越禁帶時(shí)，發(fā)生電離，當(dāng)滿帶電子獲得足夠能量穿越禁帶時(shí)，發(fā)生電離，故禁帶能量（寬度）相當(dāng)于電子的電離能。故禁帶能量（寬度）相當(dāng)于電子的電離能。 66固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿p 固體介質(zhì)電擊穿理論是在氣體放

46、電的碰撞電離理論基礎(chǔ)固體介質(zhì)電擊穿理論是在氣體放電的碰撞電離理論基礎(chǔ)上建立起來。上建立起來。p 與氣體中電子和分子等的碰撞類似的過程是固體中與氣體中電子和分子等的碰撞類似的過程是固體中電子電子與晶格波的相互作用與晶格波的相互作用。p 按擊穿發(fā)生的判定條件不同，電擊穿理論可分為兩類：按擊穿發(fā)生的判定條件不同，電擊穿理論可分為兩類： 以碰撞電離開始為判據(jù)以碰撞電離開始為判據(jù)本征電擊穿本征電擊穿 以電離開始，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞介質(zhì)以電離開始，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)為判據(jù)絕緣狀態(tài)為判據(jù)“雪崩雪崩”擊穿擊穿67固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿3.1本征電擊穿本征電擊穿擊穿

47、時(shí)擊穿時(shí)電子（電子（q q）單位時(shí)間單位時(shí)間從電場從電場 E EB B 獲得的能量：獲得的能量：2*qBmEB*22mEqBB 則有：則有：m* 為電子有效質(zhì)量，為電子有效質(zhì)量， 為為電子的平均自由行程時(shí)間電子的平均自由行程時(shí)間（松弛時(shí)間）（松弛時(shí)間） 溫度升高、電子與晶格碰溫度升高、電子與晶格碰撞頻繁，平均壽命愈短，撞頻繁，平均壽命愈短，晶體的擊穿場強(qiáng)升高。晶體的擊穿場強(qiáng)升高。 雜質(zhì)會(huì)引起晶體點(diǎn)陣發(fā)生雜質(zhì)會(huì)引起晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，使得電子與晶格的畸變，使得電子與晶格的碰撞機(jī)會(huì)增多，使擊穿場碰撞機(jī)會(huì)增多，使擊穿場強(qiáng)增高。強(qiáng)增高。 EB 一般與試樣厚度無關(guān)，一般與試樣厚度無關(guān)，但當(dāng)試樣的厚度極薄，

48、小但當(dāng)試樣的厚度極薄，小于電子的平均自由程時(shí)，于電子的平均自由程時(shí)，電子尚未充分加速就達(dá)電電子尚未充分加速就達(dá)電極，極，使介質(zhì)擊穿場強(qiáng)增高。使介質(zhì)擊穿場強(qiáng)增高。68固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿3.2 “雪崩雪崩”擊穿擊穿 強(qiáng)場下隧道電流隨場強(qiáng)增大而迅速增大。強(qiáng)場下隧道電流隨場強(qiáng)增大而迅速增大。 隧道電流與禁帶寬度密切相關(guān)，禁帶狹窄時(shí)，較低場隧道電流與禁帶寬度密切相關(guān)，禁帶狹窄時(shí)，較低場強(qiáng)下有很大隧道電流。由于電介質(zhì)禁帶寬度較寬，故強(qiáng)下有很大隧道電流。由于電介質(zhì)禁帶寬度較寬，故場強(qiáng)低于場強(qiáng)低于109V/m時(shí)，難以發(fā)生隧道擊穿。時(shí)，難以發(fā)生隧道擊穿。EBeAEJ2（1）隧道擊穿）隧道擊穿由于隧

49、道效應(yīng)使介質(zhì)中電流增大，介質(zhì)失去絕緣性能的現(xiàn)象。由于隧道效應(yīng)使介質(zhì)中電流增大，介質(zhì)失去絕緣性能的現(xiàn)象。69固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿（2）碰撞電離擊穿碰撞電離擊穿 電子的電子的四十代增殖理論：四十代增殖理論：由陰極出發(fā)的初始電子，在由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，其向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到 = =40次，產(chǎn)生次，產(chǎn)生2 2 = =1012個(gè)新電子時(shí)，介質(zhì)便發(fā)生擊穿。個(gè)新電子時(shí)，介質(zhì)便發(fā)生擊穿。 介質(zhì)厚度很薄時(shí)，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電介質(zhì)厚度很薄時(shí)，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電子崩已進(jìn)入陽極復(fù)合時(shí)，介質(zhì)就不能擊穿，此時(shí)介質(zhì)子崩已進(jìn)入

50、陽極復(fù)合時(shí)，介質(zhì)就不能擊穿，此時(shí)介質(zhì)擊穿場強(qiáng)將要提高。擊穿場強(qiáng)將要提高。70固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿3.3 聚合物中的空間電荷及擊穿模型聚合物中的空間電荷及擊穿模型（1）產(chǎn)生方式）產(chǎn)生方式 電導(dǎo)電導(dǎo)介質(zhì)中電荷的移動(dòng)介質(zhì)中電荷的移動(dòng) 注入注入電極發(fā)射電荷電極發(fā)射電荷 捕獲捕獲捕獲運(yùn)動(dòng)電荷在聚合物鏈上不連續(xù)的區(qū)域內(nèi)捕獲運(yùn)動(dòng)電荷在聚合物鏈上不連續(xù)的區(qū)域內(nèi)(陷阱陷阱)（2）同極性與異極性空間電荷）同極性與異極性空間電荷 弱弱注注入入 異異極極性性空空間間電電荷荷 強(qiáng)強(qiáng)注注入入 同同極極性性空空間間電電荷荷 71固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿（3）陷阱能態(tài)密度與分布對空間電荷的影響）陷阱能態(tài)密

51、度與分布對空間電荷的影響 電極注入的電荷被陷阱捕獲形成空間電荷電極注入的電荷被陷阱捕獲形成空間電荷 分子結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)、雜質(zhì)等對陷阱分布影響大分子結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)、雜質(zhì)等對陷阱分布影響大 注入電子被俘獲注入電子被俘獲釋放釋放遷移遷移再俘獲，在介質(zhì)中形再俘獲，在介質(zhì)中形成大量空間電荷成大量空間電荷 如：如：LDPE在在3050oC，無陷阱，無空間電荷，無陷阱，無空間電荷 HDPE在在30oC，有陷阱，陰極積累負(fù)空間電荷，有陷阱，陰極積累負(fù)空間電荷測試方法：測試方法： 陷阱態(tài)密度與分布測量陷阱態(tài)密度與分布測量TSC 介質(zhì)空間電荷分布測量介質(zhì)空間電荷分布測量壓力波、電聲脈沖壓力波、電聲脈沖72固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿（4）聚合物材料擊穿的陷阱模型）聚合物材料擊穿的陷阱模型 聚合物的能帶結(jié)構(gòu)聚合物的能帶結(jié)構(gòu)73固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿 決定聚合物破壞的決定聚合物破壞的是深陷阱密度。因是深陷阱密度。因此可采取將深陷阱此可采取將深陷阱