電介質物理-電介質的擊穿1ppt課件

1、電介質的擊穿電介質的擊穿Breakdown of Dielectrics李建英李建英2019年年4月月5月月 11. 概述概述2. 氣體電介質的擊穿氣體電介質的擊穿 3. 液體電介質的擊穿液體電介質的擊穿4. 固體電介質的擊穿固體電介質的擊穿 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡雷電放電雷電放電概述概述3絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡概述概述4絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡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5絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡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資料中的放電固體絕緣資料中的放電概述概述6絕緣子的沿面閃

2、絡絕緣子的沿面閃絡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7絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡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8絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡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 20192019年年1 1月以及月以及3 3月延續(xù)兩次發(fā)生全州停電月延續(xù)兩次發(fā)生全州停電事故。為防止整個系統(tǒng)癱事故。為防止整個系統(tǒng)癱瘓，加州實行了二戰(zhàn)后的瘓，加州實行了二戰(zhàn)后的初次燈火控制，以防止對初次燈火控制，以防止對電力設備呵斥損害，引發(fā)電力設備呵斥損害，引發(fā)更大面積的不能控制的斷更大面積的不

3、能控制的斷電事故。電事故。 主要緣由設備嚴重老化。主要緣由設備嚴重老化。加州大停電加州大停電概述概述9絕緣子的沿面閃絡絕緣子的沿面閃絡雷電放電雷電放電 2019 2019年年2 2月月2222日停電事故，沈陽市區(qū)停電面積超越日停電事故，沈陽市區(qū)停電面積超越70%70%。事故是從高壓輸。事故是從高壓輸電線路的燃弧放電開場的。遼沈為我國重工業(yè)區(qū)，含鹽的空氣污染物附著在絕緣瓷瓶電線路的燃弧放電開場的。遼沈為我國重工業(yè)區(qū)，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才干降低，電流沿著瓷瓶外表爬升，出現(xiàn)閃烙放電景象。遼上，大霧濕氣使瓷瓶絕緣才干降低，電流沿著瓷瓶外表爬升，出現(xiàn)閃烙放電景象。遼沈停

4、電事故中，幾乎一切的高壓輸電線路都沈停電事故中，幾乎一切的高壓輸電線路都“火冒三丈，停電事故最厲害的就是工火冒三丈，停電事故最厲害的就是工業(yè)集中、污染嚴重的鐵西區(qū)，該區(qū)全部停頓了電力供應，損失宏大。業(yè)集中、污染嚴重的鐵西區(qū)，該區(qū)全部停頓了電力供應，損失宏大。遼沈大停電遼沈大停電概述概述10概述概述景象：當施加于電介質的電場景象：當施加于電介質的電場強度增大到一定程度時，電介強度增大到一定程度時，電介質由絕緣形狀突變?yōu)閷щ娦螤?，質由絕緣形狀突變?yōu)閷щ娦螤?，此躍變景象稱為電介質的擊穿。此躍變景象稱為電介質的擊穿。0dIdU UB U U I 0 表征：介質發(fā)生擊穿時，經(jīng)過表征：介質發(fā)生擊穿時，經(jīng)過

5、介質的電流猛烈地添加，介質的電流猛烈地添加，其特征為：其特征為：11概述概述介質擊穿：電極間的短路景象；是電介質的根本性能之一；介質擊穿：電極間的短路景象；是電介質的根本性能之一；決議了電介質在強場下堅持絕緣性能的極限才干；成為決議決議了電介質在強場下堅持絕緣性能的極限才干；成為決議電工、電子設備最終壽命的重要要素。電工、電子設備最終壽命的重要要素。介電強度：絕緣介質所能接受的不產(chǎn)生介質擊穿的最大場強。介電強度：絕緣介質所能接受的不產(chǎn)生介質擊穿的最大場強。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.絕緣技術向高場強方向開展：絕緣技術向高場強方向開展：高壓輸電；高能粒子加速器；半導體器件；集成電路高壓輸電；高能粒子加速器；半導體器件；集成電路介質擊穿的運用：氣隙開關、放電管，部分放電介質擊穿的運用：氣隙開關、放電管，部分放電 等離子體對細胞

7、膜的作用等離子體對細胞膜的作用12概述概述13介質擊穿主要分為熱擊穿和電擊穿兩大類介質擊穿主要分為熱擊穿和電擊穿兩大類p 熱擊穿熱擊穿p 由于介質內(nèi)熱的不穩(wěn)定過程所呵斥非本由于介質內(nèi)熱的不穩(wěn)定過程所呵斥非本征性質征性質 介介質質電電流流 介介質質加加熱熱 電電導導增增加加 電電流流增增大大 介介質質破破壞壞 概述概述p 電擊穿電擊穿p 是介質在強電場作用下產(chǎn)生的本征物理過程是介質在強電場作用下產(chǎn)生的本征物理過程p 度量介質耐受電場作用的才干度量介質耐受電場作用的才干耐電強度耐電強度p 具有可逆與不可逆的擊穿方式具有可逆與不可逆的擊穿方式與資料性能、絕緣構造、電壓種類、環(huán)境溫度有關與資料性能、絕

8、緣構造、電壓種類、環(huán)境溫度有關14概述概述15概述概述 電電 擊擊 穿穿 氣氣 體體 介介 質質 擊擊 穿穿 理理 論論 固固 體體 介介 質質 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 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 隧隧道道效效應應擊擊穿穿 擊擊穿穿理理論論研研究究進進展展 陰陰極極流流注注的的形形成成 16概述概述 電介質的根本電性能參數(shù)之一，代表了電介質在電場作用電介質的根本電性能參數(shù)之一，代表了電介質在電場作

9、用下堅持絕緣形狀的極限才干。下堅持絕緣形狀的極限才干。 絕緣損壞是呵斥電力設備、電力系統(tǒng)事故的主要要素，約絕緣損壞是呵斥電力設備、電力系統(tǒng)事故的主要要素，約占占70%70%。 高場強的運用越來越多，如電子器件，電壓不高場強高，高場強的運用越來越多，如電子器件，電壓不高場強高，高場強問題多。高場強問題多。 擊穿過程中，有電流倍增效應，以及光、熱、機械力的作擊穿過程中，有電流倍增效應，以及光、熱、機械力的作用，在工程運用技術中，有寬廣的運用前景。如超薄電視用，在工程運用技術中，有寬廣的運用前景。如超薄電視機就是氣體放電機就是氣體放電引起熒光物質發(fā)光。引起熒光物質發(fā)光。研討擊穿的意義和作用研討擊穿的

10、意義和作用17氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿特點：電流劇增、發(fā)光、發(fā)聲特點：電流劇增、發(fā)光、發(fā)聲表現(xiàn)方式：表現(xiàn)方式： 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電：電場極不均勻氣壓不太低氣壓不太低18氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿根本實際：根本實際： 1載流子的產(chǎn)生過程載流子的產(chǎn)生過程 2載流子的消逝載流子的消逝 3碰撞電離實際模型碰撞電離實際模型 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19一一. .強電場下氣體中載流子的產(chǎn)生強電場下氣體中載流子的產(chǎn)生l 強電場下氣體載流子產(chǎn)生強電場下氣體載流

11、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 原子的鼓勵和電離原子的鼓勵和電離l 陰極的外表電離陰極的外表電離氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負離子的構成負離子的構成20l 原子的鼓勵和電離原子的鼓勵和電離鼓勵鼓勵在外界要素作用下，原子中的電子獲在外界要素作用下，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，這個過程稱為原子的鼓勵。軌道上去，這個過程稱為原子的鼓勵。eA WA基態(tài)基態(tài)鼓勵能鼓勵能鼓勵態(tài)鼓勵態(tài)不穩(wěn)定，壽命為不穩(wěn)定，壽命為10-710-8 s，然后又前往到基

12、態(tài)。，然后又前往到基態(tài)。A氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿21鼓勵電位鼓勵電位eeWe 鼓勵能鼓勵能eWeV鼓勵過程所需求的能量鼓勵過程所需求的能量有時，用鼓勵電位來反映鼓勵能有時，用鼓勵電位來反映鼓勵能 電子電荷電子電荷AAh 表示普朗克常數(shù)，表示普朗克常數(shù)， Js Js。 表示光子能量。表示光子能量。hh346.62 10h氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿22電離電離在外界電離要素作用下，原子中一個或幾個在外界電離要素作用下，原子中一個或幾個電子獲得能量足夠大時，可以脫離原子核的電子獲得能量足夠大時，可以脫離原子核的束縛而構成自在電子和正離子的過程。束縛而構成自在電子和正離子的過程。iA WAe電

13、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氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿23一一. .強電場下氣體中載流子的產(chǎn)生強電場下氣體中載流子的產(chǎn)生l 強電場下氣體載流子產(chǎn)生強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 原子的鼓勵和電離原子的鼓勵和電離l 陰極的外表電離陰極的外表電離氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負離子的構成負離子的構成24l 強電場下氣體載流子產(chǎn)生強電場下氣體載流子產(chǎn)生1.1.碰撞電離碰撞電離當

14、電場足夠強使電子和離子的動能積累到一定當電場足夠強使電子和離子的動能積累到一定數(shù)值后，在和氣體分子發(fā)生碰撞時，可以使氣數(shù)值后，在和氣體分子發(fā)生碰撞時，可以使氣體分子電離或鼓勵，這就是碰撞電離。體分子電離或鼓勵，這就是碰撞電離。2eAAe碰撞電離是氣體放電中載流子產(chǎn)生的極重要要素。碰撞電離是氣體放電中載流子產(chǎn)生的極重要要素。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿25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？ 電子的質量小，在和分子發(fā)生彈性碰撞電子的質量小，在和分子發(fā)生彈性碰撞的時候幾乎不損失動能，可以繼續(xù)積累動的時候幾乎不損失動能，可以繼續(xù)積累動能

15、，離子那么不然。能，離子那么不然。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，因此電子的自在行程長，獲得的動能多。在行程長，獲得的動能多。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿26電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù) 一個電子沿著電場方向行經(jīng)單位間隔一個電子沿著電場方向行經(jīng)單位間隔 平均發(fā)生的碰撞平均發(fā)生的碰撞 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 也是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離的電子也是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離的電子 數(shù)或正離子數(shù)。數(shù)或正離子數(shù)。 ( ,)ef E由電場強度和

16、自在行程決議由電場強度和自在行程決議 定義定義氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿27 電子與氣體分子碰撞時，只需電子動能大于氣體分電子與氣體分子碰撞時，只需電子動能大于氣體分 子的電離能，那么必然使分子電離；子的電離能，那么必然使分子電離； 每次碰撞后，電子失去全部動能。每次碰撞后，電子失去全部動能。假設假設在行經(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為后發(fā)生碰撞，電子能引起碰撞電離的條件為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，設有根據(jù)波爾茲曼分布規(guī)律，設有n0n0個電子，且平均自在程為個電子，且平均自在程為 ，經(jīng)經(jīng)x x間隔間隔

17、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氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿28單位間隔單位間隔 中，一個電子的平均碰撞次數(shù)中，一個電子的平均碰撞次數(shù) 其中其中xixi大于自在行程而導致碰撞電離的次數(shù)為大于自在行程而導致碰撞電離的次數(shù)為 1/Z/Zex11eeiixE21er NpNkT2ekTr p21/erpApkT/iieA pBp EEE /BpEpAe氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿29/BpEpAe/p和和E/p的關系的關系 ， constant，EpE氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿氣體E/p(V/cm133Pa)A(1/cm133Pa)B(V/cm133Pa)空氣201508

18、.5250空氣15060014.6365N215060012.4342CO2500100020.0466A、B 的閱歷數(shù)據(jù)的閱歷數(shù)據(jù) 302.2.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光輻射可以引起光電離的最大波長為光輻射可以引起光電離的最大波長為 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

19、引起別的分子的光電離或分級電離，促進氣體放電的進一步開展。引起別的分子的光電離或分級電離，促進氣體放電的進一步開展。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿313.3.熱電離熱電離與氣體熱形狀有關的電離過程稱為熱電離。與氣體熱形狀有關的電離過程稱為熱電離。在室溫時，分子平均動能很小，不會發(fā)生電離；在室溫時，分子平均動能很小，不會發(fā)生電離；但是但是TT，平均動能增大。，平均動能增大。+22AAAe按氣體分子平均動能按自在度均分原那么，在氣體按氣體分子平均動能按自在度均分原那么，在氣體溫度為溫度為T T時，氣體分子每個自在度的平均動能為時，氣體分子每個自在度的平均動能為21122mvkT 熱電離產(chǎn)生條件熱電離

20、產(chǎn)生條件氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿3221122mvkT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兩個分子相互碰撞時的總能量兩個分子相互碰撞時的總能量 溫度在上萬度以上才能夠發(fā)生熱電離。溫度在上萬度以上才能夠發(fā)生熱電離。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿Mission impossible！334.4.負離子的構成負離子的構成 一些電子親和力較大的元素如一些電子親和力較大的元素如O、Cl、F等，等，不僅在生成化合物時易于構成負離子，而且當它不僅在生成化合物時易于構成負離子，而且當它們以分子形狀存在時，假設遇到電子，

21、容易吸附們以分子形狀存在時，假設遇到電子，容易吸附電子而構成負離子。電子而構成負離子。eh -+自在電子附著于電子親和力較大的元素或這些元自在電子附著于電子親和力較大的元素或這些元素的化合物構成負離子的過程稱為電子的附著。素的化合物構成負離子的過程稱為電子的附著。電子附著過程種伴隨著光輻射。這類容易構成負電子附著過程種伴隨著光輻射。這類容易構成負離子的氣體，稱為負電性氣體。離子的氣體，稱為負電性氣體。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿34l氣體成分有關氣體成分有關l還與還與 p p 及及 E E 有關有關 電子附著系數(shù)電子附著系數(shù) 一個電子在電場方向單位長度行程內(nèi)能夠附著于中性一個電子在電場方向單位

22、長度行程內(nèi)能夠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 的要素的要素 表示方法表示方法氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿35Efpp 隨著電場強度的增大隨著電場強度的增大 即電子能量增大即電子能量增大 電子附著效應減弱；電子附著效應減弱；、p及E實驗規(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 著效應增大。著效應增大。l 闡明低能電子容易附著，高能電子不易附著。闡明低能電子容易附著，高能電子不易附著。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿36電子附著的作用電子附著的作用設設 處有處有 個電子，走過間隔個電子，走過間隔 后，由于電離作用，后，由于電離作

23、用，添加的電子數(shù)為：添加的電子數(shù)為：xndxednn dx由于附著效應而減少的電子數(shù)為：由于附著效應而減少的電子數(shù)為：從而，電子的凈添加數(shù)應為：從而，電子的凈添加數(shù)應為： ()eedndndnndx由此可見由此可見, ,附著效應的存在，相當于電離系數(shù)減小了，附著效應的存在，相當于電離系數(shù)減小了，因此，附著效應是抑制電子數(shù)倍增的要素。因此，附著效應是抑制電子數(shù)倍增的要素。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿dxndne37一一. .強電場下氣體中載流子的產(chǎn)生強電場下氣體中載流子的產(chǎn)生l 強電場下氣體載流子產(chǎn)生強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)

24、射光電發(fā)射l 原子的鼓勵和電離原子的鼓勵和電離l 陰極的外表電離陰極的外表電離氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負離子的構成負離子的構成38l 陰極的外表電離陰極的外表電離 由于氣體放電中電流是延續(xù)的，必然存在陰極發(fā)射電子的由于氣體放電中電流是延續(xù)的，必然存在陰極發(fā)射電子的過程，稱為陰極的外表電離。條件：電子能量大于金屬的逸出功。過程，稱為陰極的外表電離。條件：電子能量大于金屬的逸出功。 定義定義氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿1、正離子撞擊陰極、正離子撞擊陰極 正離子向陰極挪動，撞擊陰極時將動能和位能傳送給電子，使其正離子向陰極挪動，撞擊陰極時將動能和位能傳送給

25、電子，使其逸出金屬，引起外表電離。逸出金屬，引起外表電離。39一個正離子撞擊陰極平均釋放的自在電子數(shù)。必需從陰極一個正離子撞擊陰極平均釋放的自在電子數(shù)。必需從陰極釋放一個以上的自在電子才干造出外表電離。由于釋放一個以上的自在電子才干造出外表電離。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，因此與電極資料及其外表形狀有關。與電極的逸出功有關，因此與電極資料及其外表形狀有關。 外表電離系數(shù)外表電離系數(shù) 外表電離系數(shù)普通為外表電離系數(shù)普通為10-210-2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外表電離系數(shù)。的外表電離系數(shù)。氣體陰極材料A

26、rH2空氣N2HeAlCuFe0.120.060.060.10.050.060.0350.0250.020.10.0650.060.020.015氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿402、光電發(fā)射、光電發(fā)射光照后發(fā)射電子，為外表光電發(fā)射。光照后發(fā)射電子，為外表光電發(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的擊穿氣體介質的擊穿光的來源：光的來源： 由外來射線產(chǎn)生，短波射線才有電離氣體才干。由外來射線產(chǎn)生，短波射線才有電離氣體才干。 分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，或異性離子復合時產(chǎn)生光子。分子從激發(fā)態(tài)回到基

27、態(tài)，或異性離子復合時產(chǎn)生光子。413、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810VEm這時氣體早就擊穿了。因此外表電離方式中，起主要作用的是這時氣體早就擊穿了。因此外表電離方式中，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。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿42二二. .載流子的消逝載流子的消逝l 載流子的分散載流子的分散l 載流子的復合載流子的復合氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿載流子的產(chǎn)生過程載流子的產(chǎn)生過程 載流子的消逝過程載流子的消逝過程 互動互動 決議絕緣能否擊穿決議絕緣能否

28、擊穿 載流子在電場作用下作定向運動，從而消逝于電極，載流子在電場作用下作定向運動，從而消逝于電極， 構成電導電流；構成電導電流； 載流子的復合和分散。載流子的復合和分散?？臻g載流子消逝方式空間載流子消逝方式 43電力設備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1 1、載流子的復合、載流子的復合正離子與負離子或電子碰撞時，復合成中性分子并正離子與負離子或電子碰撞時，復合成中性分子并發(fā)生光輻射，稱這個過程為復合。發(fā)生光輻射，稱這個過程為復合。QBABA正、負離子復合后構成兩個分子，正、負

29、離子復合后構成兩個分子，釋放出的能量為電離能和從負離釋放出的能量為電離能和從負離子剝奪電子所耗能量之差子剝奪電子所耗能量之差 （電離能）iWAeA能量）從負離子剝離電子所需(BeBE)BABAEWi （+=A光子）（hEWi 氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿44電力設備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentB電子動能（靜止）動電子eAeA電子動能）（WiA光子）(AhiWh當當 時，引起其他地方的光電離。時，引起其他地方的光電離。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿45電力設備電氣絕緣國家重點

30、實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment復合速率復合速率tnddtnddnntntndddd濃度分別為正離子和負離子，nn復合系數(shù) 復合系數(shù)與載流子間的相對速度有關：復合系數(shù)與載流子間的相對速度有關： 大那么大那么 小小當當 那么那么 小小當當 那么那么 大大離子電子離子離子BA氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿46電力設備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2 2、載流子的分散、載流子的分

31、散與氣體分子的分散類似，當氣體載流子的分布不均與氣體分子的分散類似，當氣體載流子的分布不均勻時，載流子將從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移勻時，載流子將從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動，使分布趨于均勻的過程稱為分散。動，使分布趨于均勻的過程稱為分散。325/110Nm氣體由于由于 且載流子本身的濃度不大，因此且載流子本身的濃度不大，因此載流子間的間隔載流子間的間隔 較大，靜電斥力很小，因此分散不較大，靜電斥力很小，因此分散不是由靜電斥力呵斥的。而是與氣體分子的分散一樣，是由靜電斥力呵斥的。而是與氣體分子的分散一樣，是熱運動呵斥的。是熱運動呵斥的。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿47電力設備電氣絕緣國家

32、重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment31DMRT8prkT224分散系數(shù)分散系數(shù)2/12/3pMTAD 其中其中M、p為氣體的摩爾質量和壓力。為氣體的摩爾質量和壓力。 當當T，p，M，那么，那么D，離子分散速度慢，離子分散速度慢，電子分散速度快。電子分散速度快。氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿48氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿 氣體擊穿的根本實際：氣體擊穿的根本實際： 1載流子的產(chǎn)生過程載流子的產(chǎn)生過程 2載流子的消逝載流子的消逝 3碰撞電離實際模型碰撞電離實際模型 4極不均勻電場中氣體的擊穿極不

33、均勻電場中氣體的擊穿49氣體介質的擊穿氣體介質的擊穿50電力設備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment三三.均勻電場中氣體擊穿的實際均勻電場中氣體擊穿的實際l氣體擊穿的湯遜氣體擊穿的湯遜TownsendTownsend實際實際l氣體擊穿的流注實際氣體擊穿的流注實際l自持放電條件自持放電條件51氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿3碰撞電離實際模型碰撞電離實際模型故不能夠由碰撞電離產(chǎn)生擊穿故不能夠由碰撞電離產(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 +

34、- x d 0 個電子ddenn0dodeJJ0dIdUdJ要求陰極有陰極有n0個電子，經(jīng)碰撞電離個電子，經(jīng)碰撞電離到達陽極產(chǎn)生到達陽極產(chǎn)生電流密度：電流密度：由介質擊穿普通條件：由介質擊穿普通條件：52電子增殖過程：電子增殖過程： p 陰極發(fā)射陰極發(fā)射n0n0個電子，碰撞產(chǎn)生正離子，正離子撞擊陰個電子，碰撞產(chǎn)生正離子，正離子撞擊陰極外表產(chǎn)生極外表產(chǎn)生nsns個二次電子，那么陰極外表發(fā)射個二次電子，那么陰極外表發(fā)射ne=n0+nsne=n0+ns個電子。個電子。 (-) 電子的倍增過程電子的倍增過程 (+) ) 1(desenn氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿p ne個電子經(jīng)過個電子經(jīng)過 作用

35、到達陽作用到達陽極時添加為極時添加為nee d 個電子，個電子，那么有那么有 nee d- ne個正離子個正離子回到陰極產(chǎn)生二次電子：回到陰極產(chǎn)生二次電子：53自持放電條件：自持放電條件： ) 1(10deenn) 1(10dddeejJ0) 1(1dedJ1) 1(de氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿當當時，時，到達放電條件到達放電條件故故為自持放電條件。為自持放電條件。54物理意義：物理意義： 一個從陰極出發(fā)的初始電子到達陽極時，經(jīng)過碰一個從陰極出發(fā)的初始電子到達陽極時，經(jīng)過碰撞電離產(chǎn)生撞電離產(chǎn)生e ed d 個電子、正離子；其中除第一個初始個電子、正離子；其中除第一個初始電子外的電子外的

36、(e(ed -1)d -1)個正離子回到陰極，經(jīng)過個正離子回到陰極，經(jīng)過作用，作用，產(chǎn)生出產(chǎn)生出(e(ed -1) d -1) 個二次電子；當二次電子數(shù)最少個二次電子；當二次電子數(shù)最少為一個時，可替代初始電子的作用，繼續(xù)不斷從陰極為一個時，可替代初始電子的作用，繼續(xù)不斷從陰極發(fā)出電子發(fā)出電子 構成不依賴外界要素的初始電子，構成不依賴外界要素的初始電子，從而產(chǎn)生自持放電。從而產(chǎn)生自持放電。 氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿55巴申定律：巴申定律：p 在碰撞電離實際建立之前，巴申得到均勻電場中氣在碰撞電離實際建立之前，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驗關系。體放電電壓與氣隙

37、壓力及氣隙寬度間的實驗關系。發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：p 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的的乘積乘積pd有關，當有關，當p、d同時變化，而同時變化，而pd不變不變時，放電電壓不變。時，放電電壓不變。p ii在某一在某一pd值下，氣隙放電電壓出現(xiàn)值下，氣隙放電電壓出現(xiàn)最低值。最低值。氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿56由自持放電條件，由自持放電條件， 與與p關系，及均勻電場條件關系，及均勻電場條件為什么附著電子性強的氣體具有高耐壓比？為什么附著電子性強的氣體具有高耐壓比？dUBBE)11ln(lnApdBpdBU pd/cm.mmHg UB/kV 理理論論計計算算 實實驗驗

38、曲曲線線 氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿可得氣隙放電電壓：可得氣隙放電電壓：572.2 流注實際流注實際 適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，氣壓較高時的放電景象。氣壓較高時的放電景象。 以以Townsend 碰撞電離為碰撞電離為根底，思索了放電過程中根底，思索了放電過程中的光景象，即光致電離對的光景象，即光致電離對電離的開展起重要作用。電離的開展起重要作用。 電子與正離子復合產(chǎn)生光電子與正離子復合產(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，最后構成很窄擊穿通道。最后構成很窄擊穿通道。氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿581陽極流注的

39、構成陽極流注的構成 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)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。氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿 初崩接近陽極時，崩中部的光輻射作用在崩尾初崩接近陽極時，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陰極流注的構成陰極流注的構成59流注構成的條件即為自持放電的條件：流注構成的條件即為自持放電的條件： 放電過程將由于空間光電

40、離而導致轉入自持放電。放電過程將由于空間光電離而導致轉入自持放電。 1dAe20)/1 (And氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿初崩內(nèi)電荷密度足夠大，使光電離劇烈到可在初崩初崩內(nèi)電荷密度足夠大，使光電離劇烈到可在初崩外部構成二次電子。外部構成二次電子。初崩的空間電荷電場足夠強，以致能產(chǎn)生二次崩和初崩的空間電荷電場足夠強，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：普通取普通取，即，即 ed 108時，時，602.3 不均勻電場中氣體放電的極性效應電暈放電不均勻電場中氣體放電的極性效應電暈放電p 不均勻電場中，放電在部不均勻電場中，放電在部分強電場區(qū)開

41、場發(fā)生，電分強電場區(qū)開場發(fā)生，電離的起始放電電壓電暈離的起始放電電壓電暈電壓低于氣隙擊穿電壓。電壓低于氣隙擊穿電壓。p 負針尖時的氣隙擊穿電壓負針尖時的氣隙擊穿電壓高于正針尖時的氣隙擊穿高于正針尖時的氣隙擊穿電壓。表現(xiàn)出明顯的極性電壓。表現(xiàn)出明顯的極性效應。效應。 (-) (-) (+) (+) 正針尖放電正針尖放電 負針尖放電負針尖放電 氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿61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的電擊穿氣體介質的電擊穿622.4 沿固體電介質外表氣體放電沿固體電介質外表氣體放電p 沿面放電沿面滑閃或沿面閃絡：發(fā)生于氣體與固

42、沿面放電沿面滑閃或沿面閃絡：發(fā)生于氣體與固體介質界面即固體外表的放電景象。體介質界面即固體外表的放電景象。p 實驗特點：實驗特點：p 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。p 2與固體介質外表情況親密相關，如濕、污。與固體介質外表情況親密相關，如濕、污。p 3與電壓種類有關。沖擊與電壓種類有關。沖擊高頻高頻直流直流50Hz。p 4與電極的布置，即電場的均勻度有關。與電極的布置，即電場的均勻度有關。p 改善措施：改善措施：p 改善沿面電場分布，防止外表沾污，延伸沿面間隔改善沿面電場分布，防止外表沾污，延伸沿面間隔 。氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿XHP1-240耐污型耐污型絕緣

43、子剖面圖絕緣子剖面圖XHP1-240耐污型絕耐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63實驗察看結果：實驗察看結果： 正電極附近構成分枝狀通道正電極附近構成分枝狀通道 負電極附近構成直通道負電極附近構成直通道 放電脈沖寬度隨電壓添加而增大放電脈沖寬度隨電壓添加而增大氣體介質的電擊穿氣體介質的電擊穿643. 3. 固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿 固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿p實驗特征：實驗特征：p 擊穿場強較高擊穿場強較高 108 109V/m?？諝?。空氣 106V/mp 在一定溫度范圍內(nèi)，介質擊穿場強隨溫在一定溫度范圍內(nèi)，介質擊穿場

44、強隨溫度升高而增大或變化不大，度升高而增大或變化不大，p固體介質與氣體介質的區(qū)別：固體介質與氣體介質的區(qū)別：p 組成固體的原子離子、分子不像在組成固體的原子離子、分子不像在氣體中那樣作恣意的布朗運動，而只能在本氣體中那樣作恣意的布朗運動，而只能在本人的平衡位置附近作微小的熱振動。人的平衡位置附近作微小的熱振動。p 固體原子的彼此接近，使分立電子能級固體原子的彼此接近，使分立電子能級變成能帶，當滿帶電子獲得足夠能量穿越禁變成能帶，當滿帶電子獲得足夠能量穿越禁帶時，發(fā)生電離，故禁帶能量寬度相當帶時，發(fā)生電離，故禁帶能量寬度相當于電子的電離能。于電子的電離能。 65固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿p

45、 固體介質電擊穿實際是在氣體放電的碰撞電離實際根底固體介質電擊穿實際是在氣體放電的碰撞電離實際根底上建立起來。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電子與氣體中電子和分子等的碰撞類似的過程是固體中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)生的斷定條件不同，電擊穿實際可分為兩類：按擊穿發(fā)生的斷定條件不同，電擊穿實際可分為兩類：p 以碰撞電分開場為判據(jù)以碰撞電分開場為判據(jù)本征電擊穿本征電擊穿p 以電分開場，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞介以電分開場，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞介質絕緣形狀為判據(jù)質絕緣形狀為判據(jù)“雪崩擊穿雪崩擊穿66固體介質的電擊穿固體介質的電

46、擊穿3.1本征電擊穿本征電擊穿擊穿時電子擊穿時電子q單位時間單位時間從電場從電場 EB 獲得的能量：獲得的能量：2*qBmEB*22mEqBB 那么有：那么有：m* 為電子有效質量，為電子有效質量， 為電子的平均自在行程時為電子的平均自在行程時間松弛時間間松弛時間 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，晶體的擊穿場強升高。晶體的擊穿場強升高。 雜質會引起晶體點陣發(fā)生雜質會引起晶體點陣發(fā)生畸變，使得電子與晶格的畸變，使得電子與晶格的碰撞時機增多，使擊穿場碰撞時機增多，使擊穿場強增高。強增高。 EB 普通與試樣厚度無關，普通與試樣厚度無關，但當試樣

47、的厚度極薄，小但當試樣的厚度極薄，小于電子的平均自在程時，于電子的平均自在程時，電子尚未充分加速就達電電子尚未充分加速就達電極，使介質擊穿場強增高。極，使介質擊穿場強增高。67固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿3.2 “雪崩擊穿雪崩擊穿 強場下隧道電流隨場強增大而迅速增大。強場下隧道電流隨場強增大而迅速增大。 隧道電流與禁帶寬度親密相關，禁帶狹窄時，較低場隧道電流與禁帶寬度親密相關，禁帶狹窄時，較低場強下有很大隧道電流。由于電介質禁帶寬度較寬，故強下有很大隧道電流。由于電介質禁帶寬度較寬，故場強低于場強低于109V/m時，難以發(fā)生隧道擊穿。時，難以發(fā)生隧道擊穿。EBeAEJ21隧道擊穿隧道擊穿由

48、于隧道效應使介質中電流增大，介質失去絕緣性能的景象。由于隧道效應使介質中電流增大，介質失去絕緣性能的景象。68固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿2碰撞電離擊穿碰撞電離擊穿 電子的四十代增殖實際：由陰極出發(fā)的初始電子，在電子的四十代增殖實際：由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運動的過程中，其向陽極運動的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)到達內(nèi)的電離次數(shù)到達 =40次，產(chǎn)生次，產(chǎn)生2 =1012個新電子時，介質便發(fā)生擊穿。個新電子時，介質便發(fā)生擊穿。 介質厚度很薄時，碰撞電離缺乏以開展到四十代，電介質厚度很薄時，碰撞電離缺乏以開展到四十代，電子崩已進入陽極復合時，介質就不能擊穿，此時介質子崩已進入陽極復合時，

49、介質就不能擊穿，此時介質擊穿場強將要提高。擊穿場強將要提高。69固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿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 電導電導介質中電荷的挪動介質中電荷的挪動 注入注入電極發(fā)射電荷電極發(fā)射電荷 捕獲捕獲捕獲運動電荷在聚合物鏈上不延續(xù)的區(qū)域內(nèi)捕獲運動電荷在聚合物鏈上不延續(xù)的區(qū)域內(nèi)(圈套圈套)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 強強注注入入 同同極極性性空空間間電電荷荷 70固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿3圈套能態(tài)密度與分布對空間電荷的影響圈套能態(tài)密度與分布對空間電荷的影響 電極

50、注入的電荷被圈套捕獲構成空間電荷電極注入的電荷被圈套捕獲構成空間電荷 分子構造與聚集態(tài)、雜質等對圈套分布影響大分子構造與聚集態(tài)、雜質等對圈套分布影響大 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，在介質中構再俘獲，在介質中構成大量空間電荷成大量空間電荷 如：如：LDPE在在3050oC，無圈套，無空間電荷，無圈套，無空間電荷 HDPE在在30oC，有圈套，陰極積累負空間電荷，有圈套，陰極積累負空間電荷 測試方法：測試方法： 圈套態(tài)密度與分布丈量圈套態(tài)密度與分布丈量TSC 介質空間電荷分布丈量介質空間電荷分布丈量壓力波、電聲脈沖壓力波、電聲脈沖71固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿4聚合物資料擊穿的圈套模型聚合物資料擊穿的圈套模型 聚合物的能帶構造聚合物的能帶構造72固體介質的電擊穿固體介質的電擊穿 決議聚合物破壞的決議聚合物破壞的是深圈套密度。因是深圈套密度。因此可采取