電介質(zhì)物理課件(2013-4)

2023/2/51第四章介質(zhì)擊穿

(dielectricbreakdown)

本章介紹電介質(zhì)在強(qiáng)電場下的擊穿機(jī)理。擊穿形式可分為電擊穿、熱擊穿和放電擊穿，它與物質(zhì)的聚集狀態(tài)相關(guān)。4.1概述4.2氣體介質(zhì)的擊穿4.2液體介質(zhì)的擊穿4.3固體介質(zhì)的擊穿2023/2/52§4.1概述UIOUbUb為擊穿電壓（擊穿電場Eb=Ub/d，d為介質(zhì)厚度）2023/2/53擊穿的分類：本征擊穿（IntrinsicBreakdown）：電擊穿；非本征擊穿：熱擊穿（ThermalBreakdown）；放電擊穿（DischargeBreakdown）介質(zhì)擊穿兩種情況：發(fā)生可恢復(fù)性變化：介質(zhì)在電場的作用下被擊穿，把外電場撤除后，介質(zhì)又恢復(fù)其絕緣性能。“自愈現(xiàn)象”（Self-Healing），如氣體。發(fā)生永久性變化（或叫不可逆變化）：如固體介質(zhì)擊穿。2023/2/54材料

介電強(qiáng)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，單晶)0.04BaTiO3(0.02cm，多晶)0.12PbZrO3(多晶，空隙度0%,0.016cm)0.08部分材料的介電強(qiáng)度2023/2/55材料介電強(qiáng)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派熱克斯玻璃（0.003cm）5.8派熱克斯玻璃（0.0005cm）6.5滑石（SiO2+MgO+Al2O3，0.63cm）0.12023/2/562023/2/57材料

介電強(qiáng)度/（106V/cm）聚合物酚醛樹脂（電木）120～160硅橡膠220環(huán)氧樹脂160～200尼龍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上次課內(nèi)容:●固體介質(zhì)的離子電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系●中和與壓抑效應(yīng)●三電極系統(tǒng)●

介質(zhì)擊穿概述情況

2023/2/59§4.2氣體介質(zhì)的擊穿IIIIII常見的放電形式：火花放電

瞬時，間斷產(chǎn)生常壓附近輝光放電

出現(xiàn)均勻的明暗相間的輝光區(qū)電暈放電

電極的曲率小，電場不均勻，在電場尖端出現(xiàn)暗藍(lán)色微光電弧放電

功率大，連續(xù)弧光，溫度極高2023/2/510湯申特(Townsend)碰撞游離理論（1）電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的過程（2）要維持自持放電必須從陰極發(fā)射電子表面游離：電極表面原子中的價電子吸收能量，脫離原子束縛，逸至電極表面；體積游離：氣體分子中電子獲得足夠的能量脫離分子，形成自由電子和正離子，電子也可吸附在其他分子上形成負(fù)離子。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣，3－4對電離/cm3.s2023/2/511

當(dāng)外電場作用于氣體時，氣體中的一切帶電粒子受到電場力的加速作用。設(shè)q―粒子的電荷,m―粒子的質(zhì)量,E―電場強(qiáng)度,a―粒子受電場力獲得的加速度。

a=qE/m

兩次碰撞，粒子在電場方向的速度V為：λ：兩次碰撞間的自由程τ：粒子的自由程時間1.電子碰撞游離：2023/2/512

粒子從電場中獲得的動能:T=mv2/2=q2E2τ2/2m

從公式中看出：在電場作用下，帶電粒子的動能正比于電場強(qiáng)度的平方，反比于粒子的質(zhì)量。而氣體粒子中電子的質(zhì)量最小，所以在一定的電場下，自由電子所獲得的動能最大。因此，在氣體所有粒子的相互碰撞中，與自由電子的碰撞最容易引起碰撞電離。發(fā)生碰撞電離的條件是：

qEλ≥Wi(原子、分子電離能）2023/2/5132.電子崩的形成：2023/2/514隨著x的增加，電子數(shù)按指數(shù)增加。2023/2/5152023/2/5162023/2/5173.自持放電條件：自持放電：

氣體介質(zhì)在陰極電子逸出（游離劑）的作用下產(chǎn)生放電，當(dāng)游離劑去除后，氣體介質(zhì)的放電仍能夠維持下去，這種現(xiàn)象叫做“自持放電”。2023/2/518堆積區(qū)的厚度=10-10m；電壓=10-2V；堆積區(qū)的電場可達(dá)：E=10-2V/10-10m=108V/m陰極上出現(xiàn)正離子堆積區(qū)2023/2/519SecondElectronEmissionSecondaryelectronsareemittedbythecathodeundertheimpactofanyparticle(positiveion,photonsorfastneutrals).Inthiscase,theparticleisapositiveion.2023/2/5202023/2/5212023/2/5222023/2/523自持放電的條件和物理意義自持放電條件一個電子從陰極出發(fā)后運(yùn)動d距離所產(chǎn)生的電子數(shù)這個電子運(yùn)動距離d后所產(chǎn)生的正離子數(shù)

從陰極拉出的電子數(shù)從陰極拉出一個電子，正好可替代最初的表面游離劑！！自持放電：氣體介質(zhì)在陰極電子逸出（游離劑）的作用下產(chǎn)生放電，當(dāng)游離劑去除后，氣體介質(zhì)的放電仍能夠維持下去，這種現(xiàn)象叫做“自持放電”。2023/2/524上次課內(nèi)容:電子碰撞游離電子崩的形成自持放電條件及物理意義T=mv2/2=q2E2τ2/2m2023/2/5254.放電電壓Ub的確定：碰撞電離系數(shù)怎么求？2023/2/5262023/2/527巴申定律2023/2/528Ub(p·d)Ubmin理論實(shí)測p1巴申曲線(PaschenCurve)2023/2/529

在均勻電場中，Ub=f(p·d)，p增加n倍，d下降n倍，Ub不變。巴申定律的物理意義：每種氣體的放電電壓都存在一最小值Ubmin；當(dāng)d一定，p=p1，有最小放電電壓p<p1，氣體密度小，碰撞次數(shù)減小，Ub增加。P>p1，氣體密度大，碰撞次數(shù)增加，但電離碰撞次數(shù)下降，Ub增加。3當(dāng)p一定時，d=d1，出現(xiàn)Ubmin。d>d1，由于d增加，E下降，故Ub增加；d<d1，由于d減小，碰撞次數(shù)減小，故Ub增加；特別是當(dāng)d<時，幾乎不發(fā)生碰撞。巴申定律(Paschen’sLaw)的討論：2023/2/530A．利用高氣壓和高真空：可以做成真空電容器，充氣電容器B．利用負(fù)電性情的氣體，這樣氣體多為分子量大的鹵族元素，電子親和力大，負(fù)電性強(qiáng)的氣體如：氟利昂六氟化硫。優(yōu)點(diǎn)：分子直徑大，自由程短，積累能量??；負(fù)電性強(qiáng)，易吸收電子形成負(fù)離子，減小了電離能力；

5.提高氣體介質(zhì)的擊穿電壓的途徑：2023/2/531

氣體介質(zhì)本身，由于原子激勵還原及離子復(fù)合時所放出的光子產(chǎn)生了新的游離，以促使游離沿著通道發(fā)展，構(gòu)成流柱，最后導(dǎo)致?lián)舸怏w放電的流柱理論：2023/2/532不均勻電場中氣體放電的特點(diǎn)：在高電場區(qū)先產(chǎn)生電暈；U增大，電暈邊緣出現(xiàn)樹枝狀放電:輝光放電或火花放電；U進(jìn)一步增大，樹枝狀放電連通第二極——最終擊穿。從游離場強(qiáng)開始到擊穿，隨E增加，電流增大，但較慢。擊穿電場強(qiáng)度與電極的形狀、距離有關(guān)。5.不均勻電場中的氣體放電（擊穿）2023/2/5332023/2/534§4.3

液體介質(zhì)的擊穿液體介質(zhì)擊穿的分散性：

氣體（空氣）：Eb=3×106V/m；工程純變壓器油：Eb=2×107V/m；

非常純液體：Eb=1×108V/m

2023/2/535一.液體介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律1.擊穿電壓與時間的關(guān)系2023/2/5362.擊穿電壓與頻率的關(guān)系2023/2/5373.擊穿電壓與電極距離的關(guān)系2023/2/538上次課內(nèi)容:放電電壓Ub的確定氣體放電的流柱理論不均勻電場中氣體放電液體介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律加壓時間頻率電極距離有關(guān)2023/2/539二．純液體介質(zhì)擊穿的擊穿1.以碰撞電離開始作為液體介質(zhì)擊穿為條件2.以電子崩發(fā)展到一定大小為液體介質(zhì)擊穿為條件三.工程液體介質(zhì)的擊穿雜質(zhì)：氣相、液相、固相液體介質(zhì)擊穿機(jī)理理論：碰撞電離理論純液體小橋理論工程液體2023/2/5401）氣相雜質(zhì)的影響d2023/2/541-+-+-+-+d+-2）液相雜質(zhì)的影響2023/2/542d3.固體雜質(zhì)的影響工程液體介質(zhì)擊穿

“小橋理論”2023/2/543油的凈化方法對液體介質(zhì)擊穿場強(qiáng)的影響：處理方法：擊穿場強(qiáng)（kv/cm)

未處理50

離心過濾130

紙過濾160

膜過濾180

壓濾(一次）230

壓濾(二次）330液體介質(zhì)提純法：真空干燥去除氣泡、水份過濾、直流電解除去雜質(zhì)2023/2/544四、固體介質(zhì)的擊穿1、固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律：從擊穿的結(jié)果上來看：固體介質(zhì)的擊穿電場大于液體和氣體介質(zhì)

Eb（氣體）=3106V/m

Eb（液體）=107~108V/mEb（固體）=108~109V/m

固體介質(zhì)擊穿是永久性的從擊穿的發(fā)展過程看：2個階段（1）介電性能的破壞絕緣變成導(dǎo)體（2）介質(zhì)本身的破壞有明顯的擊穿通道從擊穿電壓與實(shí)驗(yàn)條件關(guān)系看：關(guān)系密切電極形狀媒質(zhì)散熱條件電壓類型有關(guān)2023/2/5452、固體介質(zhì)擊穿的分類：

電擊穿熱擊穿2023/2/546b.擊穿場強(qiáng)高，擊穿電場范圍較窄：108~109V/md、擊穿場強(qiáng)與周圍媒質(zhì)溫度無關(guān)e、擊穿場強(qiáng)與加壓時間無關(guān)電擊穿必須滿足：電導(dǎo)率小、tan小、散熱條件好，無氣隙、無邊緣放電。電擊穿的特點(diǎn)：c:在均勻電場中，電擊穿發(fā)生時的電場強(qiáng)度直到厚度為0.1u-1u范圍都與厚度無關(guān)。2023/2/547熱擊穿的特點(diǎn)：熱擊穿電壓比擊穿電壓電較低2023/2/548電擊穿和熱擊穿的判斷：電擊穿熱擊穿電壓高低使用溫度低高使用頻率低頻高頻加壓時間很短較長擊穿機(jī)理電子倍增使介質(zhì)變成導(dǎo)體產(chǎn)生熱大于散熱使介質(zhì)熱破壞2023/2/549三、瓦格納（Wagner）熱擊穿理論dS2023/2/5502023/2/551Qt（oC）Q1（U1）Q1（U2）Q1（U3）Q1（U4）U4>U3>U2>U1ABCtAtBtCQ22023/2/552討論：Ub與