电介质物理电介质的击穿省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

工程电介质物理学电介质击穿Breakdown of Dielectrics李建英4月5月 1第1页1.概述概述2.气体电介质击穿气体电介质击穿 3.液体电介质击穿液体电介质击穿4.固体电介质击穿固体电介质击穿 主要内容：主要内容：2第2页绝缘子沿面闪络绝缘子沿面闪络雷电放电雷电放电概述概述3第3页绝缘子沿面闪络绝缘子沿面闪络概述概述4第4页绝缘子沿面闪络绝缘子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5第5页绝缘子沿面闪络绝缘子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放电固体绝缘材料中放电概述概述6第6页绝缘子沿面闪络绝缘子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7第7页绝缘子沿面闪络绝缘子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8第8页绝缘子沿面闪络绝缘子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 1月以及3月连续两次发生全州停电事故。为预防整个系统瘫痪，加州实施了二战后首次灯火管制，以防止对电力设备造成损害，引发更大面积不能控制断电事故。主要原因设备严重老化。加州大停电加州大停电概述概述9第9页绝缘子沿面闪络绝缘子沿面闪络雷电放电雷电放电 2月22日停电事故，沈阳市区停电面积超出70%。事故是从高压输电线路燃弧放电开始。辽沈为我国重工业区，含盐空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电流沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几乎全部高压输电线路都“火冒三丈”，停电事故最厉害就是工业集中、污染严重铁西区，该区全部停顿了电力供给，损失巨大。辽沈大停电辽沈大停电概述概述10第10页概述概述现象：现象：当施加于电介质当施加于电介质电场强度电场强度增大增大到一定程度时，电介质到一定程度时，电介质由绝由绝缘状态突变为导电状态缘状态突变为导电状态，此跃变，此跃变现象称为现象称为电介质击穿电介质击穿。1.1.概述概述表征：表征：介质发生介质发生击穿击穿时，经过时，经过介质电流猛烈地增加，介质电流猛烈地增加，其其特征特征为：为：11第11页概述概述介质击穿：介质击穿：电极间短路现象；是电介质基本性能之一；决定电极间短路现象；是电介质基本性能之一；决定了电介质在强场下保持绝缘性能极限能力；成为决定电工、了电介质在强场下保持绝缘性能极限能力；成为决定电工、电子设备最终寿命主要原因。电子设备最终寿命主要原因。介电强度：介电强度：绝缘介质所能承受不产生介质击穿最大场强。绝缘介质所能承受不产生介质击穿最大场强。Breakdown is a cross-over in the current from stability to 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；集成电路介质击穿应用：介质击穿应用：气隙开关、放电管，局部放电气隙开关、放电管，局部放电 等离子体对细胞膜作用等离子体对细胞膜作用12第12页概述概述13第13页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 因为介质内热不稳定过程所造成（非本征性质）因为介质内热不稳定过程所造成（非本征性质）概述概述p 电击穿电击穿 是介质在强电场作用下产生本征物理过程是介质在强电场作用下产生本征物理过程 度量介质耐受电场作用能力度量介质耐受电场作用能力耐电强度耐电强度 含有可逆与不可逆击穿形式含有可逆与不可逆击穿形式与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度相关与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度相关14第14页概述概述15第15页概述概述16第16页概述概述电介质电介质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下，代表了电介质在电场作用下保持绝缘状态保持绝缘状态极限能力极限能力。绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故主要原因，约占绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故主要原因，约占70%70%。高场强应用越来越多，如电子器件，电压不高场强高，高高场强应用越来越多，如电子器件，电压不高场强高，高场强问题多。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、机械力作用，作用，在工程应用技术中，有辽阔应用前景。如超薄电视机就是在工程应用技术中，有辽阔应用前景。如超薄电视机就是气体放电气体放电引发荧光物质发光。引发荧光物质发光。研究击穿意义和作用研究击穿意义和作用17第17页2.气体介质击穿气体介质击穿气体介质击穿气体介质击穿特点：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：电场极不均匀气压不太低气压不太低18第18页2.气体介质击穿气体介质击穿气体介质击穿气体介质击穿基本理论：基本理论：（1）载流子产生过程）载流子产生过程 （2）载流子消失）载流子消失 （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击穿）极不均匀电场中气体击穿330kV输电线路杆塔19第19页一一.强电场下气体中载流子产生强电场下气体中载流子产生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 原子激励和电离原子激励和电离l 阴极表面电离阴极表面电离气体介质击穿气体介质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形成负离子形成20第20页l 原子激励和电离原子激励和电离激励激励在外界原因作用下，原子中电子获在外界原因作用下，原子中电子获得能量，能够跃迁到能量较高能级得能量，能够跃迁到能量较高能级轨道上去，这个过程称为轨道上去，这个过程称为原子激励原子激励。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。气体介质击穿气体介质击穿21第21页激励电位激励电位激励能激励能激励过程所需要能量激励过程所需要能量有时，用有时，用激励电位激励电位来反应来反应激励能激励能 电子电荷电子电荷 表示普朗克常数，表示普朗克常数，Js Js。表示光子能量。表示光子能量。气体介质击穿气体介质击穿22第22页电离电离在外界电离原因作用下，原子中一个或几个在外界电离原因作用下，原子中一个或几个电子取得能量足够大时，能够脱离原子核电子取得能量足够大时，能够脱离原子核束缚而形成自由电子和正离子过程。束缚而形成自由电子和正离子过程。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分级电离分级电离显然显然气体介质击穿气体介质击穿23第23页一一.强电场下气体中载流子产生强电场下气体中载流子产生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 原子激励和电离原子激励和电离l 阴极表面电离阴极表面电离气体介质击穿气体介质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形成负离子形成24第24页l 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动能积累到一定当电场足够强使电子和离子动能积累到一定数值后，在和气体分子发生碰撞时，能够使气数值后，在和气体分子发生碰撞时，能够使气体分子电离（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。碰撞电离是气体放电中载流子产生极主要原因碰撞电离是气体放电中载流子产生极主要原因。气体介质击穿气体介质击穿25第25页为何碰撞电离主要由电子和气体分子碰撞而引发？为何碰撞电离主要由电子和气体分子碰撞而引发？电子质量小，在和分子发生弹性碰撞时候几乎电子质量小，在和分子发生弹性碰撞时候几乎不损失动能，能够继续积累动能，离子则不然。不损失动能，能够继续积累动能，离子则不然。解答：解答：电子尺寸小，比气体分子小多，所以电子自由行电子尺寸小，比气体分子小多，所以电子自由行程长，取得动能多。程长，取得动能多。气体介质击穿气体介质击穿26第26页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碰撞碰撞 电离次数。单位电离次数。单位1/m 1/m。所以所以 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电子电子 数或正离子数。数或正离子数。由由电场强度电场强度和和自由行程自由行程决定决定 定义定义气体介质击穿气体介质击穿27第27页 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 子电离能，则必定使分子电离；子电离能，则必定使分子电离；每次碰撞后，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，电子能引发碰撞电离条件后发生碰撞，电子能引发碰撞电离条件为为电离能电离能电离电位电离电位依据波尔兹曼分布规律，设有依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，发生碰撞电子数为后，发生碰撞电子数为气体介质击穿气体介质击穿28第28页单位距离中，一个电子平均碰撞次数单位距离中，一个电子平均碰撞次数 其中其中x xi i大于自由行程而造成碰撞电离次数为大于自由行程而造成碰撞电离次数为 气体介质击穿气体介质击穿29第29页/p和和E/p关系关系 ，constant，气体介质击穿气体介质击穿气体E/p(V/cm133Pa)A(1/cm133Pa)B(V/cm133Pa)空气201508.5250空气15060014.6365N215060012.4342CO2500100020.0466A、B 经验数据经验数据 30第30页2.2.光电离光电离光辐射引发气体分子电离过程称为光电离。光辐射引发气体分子电离过程称为光电离。光子能量大于气体分子电离能：光子能量大于气体分子电离能：产生光电离必要条件产生光电离必要条件 光电离过程光电离过程 光辐射能够引发光电离光辐射能够引发光电离最大波长最大波长为为 光辐射起源光辐射起源 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 引发别分子光电离或分级电离，促进气体放电深入发展。引发别分子光电离或分级电离，促进气体放电深入发展。气体介质击穿气体介质击穿31第31页3.3.热电离热电离与气体热状态相关电离过程称为热电离。与气体热状态相关电离过程称为热电离。在室温时，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；不过不过TT，平均动能增大。，平均动能增大。按气体分子平均动能按自由度均分标准，在气体按气体分子平均动能按自由度均分标准，在气体温度为温度为T T时，气体分子每个自由度平均动能为时，气体分子每个自由度平均动能为 热电离产生条件热电离产生条件气体介质击穿气体介质击穿32第32页总能量大于分子电离能总能量大于分子电离能两个分子相互碰撞时总能量两个分子相互碰撞时总能量 温度在上万度以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。气体介质击穿气体介质击穿Mission impossible！33第33页4.4.负离子形成负离子形成 一些一些电子亲和力电子亲和力较大元素（如较大元素（如O、Cl、F等），等），不但在生成化合物时易于形成负离子，而且当它不但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，假如碰到电子，轻易吸附们以分子状态存在时，假如碰到电子，轻易吸附电子而形成电子而形成负离子负离子。自由电子附着于电子亲和力较大元素或这些元自由电子附着于电子亲和力较大元素或这些元素化合物形成负离子过程称为素化合物形成负离子过程称为电子附着电子附着。电子附着过程种伴伴随光辐射。这类轻易形成负电子附着过程种伴伴随光辐射。这类轻易形成负离子气体，称为离子气体，称为负电性气体负电性气体。气体介质击穿气体介质击穿34第34页l气体成份相关气体成份相关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次数。分子次数。定义定义 影响影响 原因原因 表示方法表示方法气体介质击穿气体介质击穿35第35页 伴随电场强度增大伴随电场强度增大 （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；、p及E试验规律图 伴随气压增大，由伴随气压增大，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 说明低能电子轻易附着，高能电子不易附着。说明低能电子轻易附着，高能电子不易附着。气体介质击穿气体介质击穿36第36页电子附着作用电子附着作用设设 处有处有 个电子，走过距离个电子，走过距离 后，因为电离作用，后，因为电离作用，增加电子数为：增加电子数为：因为附着效应而降低电子数为：因为附着效应而降低电子数为：从而，电子净增加数应为：从而，电子净增加数应为：由此可见由此可见,附着效应存在，相当于电离系数减小了，附着效应存在，相当于电离系数减小了，所以，附着效应是所以，附着效应是抑制电子数倍增抑制电子数倍增原因。原因。气体介质击穿气体介质击穿37第37页一一.强电场下气体中载流子产生强电场下气体中载流子产生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 原子激励和电离原子激励和电离l 阴极表面电离阴极表面电离气体介质击穿气体介质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形成负离子形成38第38页l 阴极表面电离阴极表面电离 因为气体放电中电流是连续，必定存在阴极发射电子因为气体放电中电流是连续，必定存在阴极发射电子过程，称为阴极表面电离。条件：电子能量大于金属逸出功。过程，称为阴极表面电离。条件：电子能量大于金属逸出功。定义定义气体介质击穿气体介质击穿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，引发表面电离。逸出金属，引发表面电离。39第39页一个正离子撞击阴极平均释放自由电子数。必须从阴极释一个正离子撞击阴极平均释放自由电子数。必须从阴极释放一个以上自由电子才能造出表面电离。因为放一个以上自由电子才能造出表面电离。因为 过程从阴过程从阴极发射电子称为二次电子。极发射电子称为二次电子。与电极逸出功相关，因而与电极材料及其表面状态相关。与电极逸出功相关，因而与电极材料及其表面状态相关。表面电离系数表面电离系数 表面电离系数普通为表面电离系数普通为1010-2-2数量级，下表给出了几个气体表数量级，下表给出了几个气体表面电离系数。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气体介质击穿气体介质击穿40第40页2、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。定义定义条件条件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击穿气体介质击穿光起源：光起源：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。41第41页3、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 这时气体早就击穿了。所以表面电离方式中，起主要作用是这时气体早就击穿了。所以表面电离方式中，起主要作用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。气体介质击穿气体介质击穿42第42页二二.载流子消失载流子消失l 载流子扩散载流子扩散l 载流子复合载流子复合气体介质击穿气体介质击穿载流子载流子产生产生过程过程 载流子载流子消失消失过程过程 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，组成电导电流；组成电导电流；载流子复合和扩散。载流子复合和扩散。空间载流子消失方式空间载流子消失方式 43第43页电力设备电气绝缘国家重点试验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1 1、载流子复合、载流子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。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，释放出能量为释放出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+=A 气体介质击穿气体介质击穿44第44页电力设备电气绝缘国家重点试验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentB当当 时，引发其它地方光电离。时，引发其它地方光电离。气体介质击穿气体介质击穿45第45页电力设备电气绝缘国家重点试验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment复合速率复合速率复合系数 复合系数与载流子间相对速度相关：复合系数与载流子间相对速度相关：大则大则 小小当当 则则 小小当当 则则 大大气体介质击穿气体介质击穿46第46页电力设备电气绝缘国家重点试验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2 2、载流子扩散、载流子扩散与气体分子扩散相同，与气体分子扩散相同，当气体载流子当气体载流子分布不均分布不均匀时，载流子将从浓度高区域向浓度低区域移匀时，载流子将从浓度高区域向浓度低区域移动，使分布趋于均匀过程称为扩散。动，使分布趋于均匀过程称为扩散。因为因为 且载流子本身浓度不大，因而且载流子本身浓度不大，因而载流子间距离较大，静电斥力很小，所以扩散不载流子间距离较大，静电斥力很小，所以扩散不是由静电斥力造成。而是与气体分子扩散一样，是由静电斥力造成。而是与气体分子扩散一样，是热运动造成。是热运动造成。气体介质击穿气体介质击穿47第47页电力设备电气绝缘国家重点试验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment扩散系数扩散系数其中其中M、p为气体摩尔质量和压力。为气体摩尔质量和压力。当当T，p，M，则，则D，离子扩散速度慢，离子扩散速度慢，电子扩散速度快。电子扩散速度快。气体介质击穿气体介质击穿48第48页小结小结:主要内容：主要内容：概论、气体介质击穿概论、气体介质击穿气体介质击穿气体介质击穿 气体击穿基本理论：气体击穿基本理论：（1）载流子产生过程）载流子产生过程 （2）载流子消失）载流子消失 （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击穿）极不均匀电场中气体击穿49第49页主要概念主要概念主要概念主要概念 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碰撞电离次数。平均发生碰撞电离次数。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次数。着于中性分子次数。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自由电子一个正离子撞击阴极平均释放自由电子数。数。气体介质击穿气体介质击穿主要过程主要过程主要过程主要过程（1）载流子产生过程：一次电子）载流子产生过程：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）载流子消失：电导电流、复合、扩散）载流子消失：电导电流、复合、扩散50第50页电力设备电气绝缘国家重点试验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment三三.均匀电场中气体击穿理论均匀电场中气体击穿理论l气体击穿汤逊（气体击穿汤逊（TownsendTownsend）理论）理论l气体击穿流注理论气体击穿流注理论l自持放电条件自持放电条件51第51页气体介质电击穿气体介质电击穿（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 阴极有阴极有n0个电子，经碰撞电离个电子，经碰撞电离抵达阳极产生抵达阳极产生电流密度：电流密度：由介质击穿普通条件：由介质击穿普通条件：52第52页电子增殖过程：电子增殖过程：p阴极发射阴极发射n n0 0个电子，碰撞产生正离子，正离子撞击阴极个电子，碰撞产生正离子，正离子撞击阴极表面产生表面产生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个电个电子。子。气体介质电击穿气体介质电击穿p ne个电子经过个电子经过 作用抵达阳极作用抵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：53第53页自持放电条件：自持放电条件：气体介质电击穿气体介质电击穿当当时，时，到达放电条件到达放电条件故故为为自持放电条件。自持放电条件。54第54页物理意义：物理意义：一个从阴极出发一个从阴极出发初始电子初始电子抵达阳极时，经过碰撞抵达阳极时，经过碰撞电离产生电离产生e e d d 个电子、正离子；其中除第一个初始电子个电子、正离子；其中除第一个初始电子外外(e e d d-1)-1)个正离子回到阴极，经过个正离子回到阴极，经过 作用，产生出作用，产生出(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时，数最少为一个时，可代替初始电子作用，继续不停从阴极发出电子可代替初始电子作用，继续不停从阴极发出电子 形成形成不依赖外界原因初始电子，从而产生不依赖外界原因初始电子，从而产生自持放电自持放电。气体介质电击穿气体介质电击穿55第55页巴申定律：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试验关系。发体放电电压与气隙压力及气隙宽度间试验关系。发觉：觉：（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乘积乘积（pd）相关，当相关，当p、d同时改变，而同时改变，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，气隙放电电压出现最值下，气隙放电电压出现最低值。低值。气体介质电击穿气体介质电击穿56第56页由由自持放电条件，自持放电条件，与与p p关系，及均匀电场条件关系，及均匀电场条件为何附着电子性强气体含有高耐压比？为何附着电子性强气体含有高耐压比？气体介质电击穿气体介质电击穿可得气隙放电电压：可得气隙放电电压：57第57页2.2 流注理论流注理论适适合合用用于于气气隙隙初初始始放放电电（无无初初始始电电子子），气气隙隙较较长，气压较高时放电现象。长，气压较高时放电现象。以以Townsend 碰碰撞撞电电离离为为基基础础，考考虑虑了了放放电电过过程程中中光光现现象象，即即光光致致电电离离对对电电离发展起主要作用。离发展起主要作用。电电子子与与正正离离子子复复合合产产生生光光发射。发射。电电子子崩崩头头部部离离子子数数 108，最终形成很窄击穿通道。最终形成很窄击穿通道。气体介质电击穿气体介质电击穿58第58页（1）阳极流注形成）阳极流注形成 初崩中部光辐射作用在其崩头前方产生了二次崩。初崩中部光辐射作用在其崩头前方产生了二次崩。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。气体介质电击穿气体介质电击穿 初崩靠近阳极时，崩中部光辐射作用在崩尾产生初崩靠近阳极时，崩中部光辐射作用在崩尾产生二次崩。二次崩。初崩尾吸引二次崩头，汇入初崩，等离子区由阳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。极向阴极伸展。（2）阴极流注形成）阴极流注形成59第59页流注形成条件即为自持放电条件：流注形成条件即为自持放电条件：放电过程将因为空间光电离而造成转入自持放电。放电过程将因为空间光电离而造成转入自持放电。气体介质电击穿气体介质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。初崩空间电荷电场足够强，以致能产生二次崩和吸初崩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。引二次崩汇入初崩。流注放电条件：流注放电条件：普通取普通取，即，即 e d 108时，时，60第60页2.3 不均匀电场中气体放电极性效应（电晕放电）不均匀电场中气体放电极性效应（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，电离起始放电电压（电晕电离起始放电电压（电晕电压）低于气隙击穿电压。压）低于气隙击穿电压。p负针尖时气隙击穿电压高负针尖时气隙击穿电压高于正针尖时气隙击穿电压。于正针尖时气隙击穿电压。表现出显著表现出显著极性效应极性效应。气体介质电击穿气体介质电击穿61第61页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电击穿气体介质电击穿62第62页2.4 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）放电现象。体介质界面（即固体表面）放电现象。p试验特点：试验特点：1）显著低于纯气隙放电电压。）显著低于纯气隙放电电压。2）与固体介质表面情况亲密相关，如湿、污。）与固体介质表面情况亲密相关，如湿、污。3）与电压种类相关。冲击）与电压种类相关。冲击高频高频直流直流50Hz。4）与电极布置，即电场均匀度相关。）与电极布置，即电场均匀度相关。p改进办法：改进办法：改进沿面电场分布，防止表面沾污，延长沿面距离。改进沿面电场分布，防止表面沾污，延长沿面距离。气体介质电击穿气体介质电击穿XHP1-240耐污型绝耐污型绝缘子剖面图缘子剖面图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耐污型绝耐污型绝缘子电位分布图缘子电位分布图63第63页试验观察结果：试验观察结果：正电极附近形成份枝状通道正电极附近形成份枝状通道负电极附近形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电击穿气体介质电击穿64第64页3.3.固体介质电击穿固体介质电击穿 固体介质电击穿固体介质电击穿p试验特征：试验特征：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（或改变不大），大（或改变不大），p固体介质与气体介质区分：固体介质与气体介质区分：组成固体原子（离子、分子）不像在气体中那样作组成固体原子（离子、分子）不像在气体中那样作任意布朗运动，而只能在自己平衡位置附近作微小任意布朗运动，而只能在自己平衡位置附近作微小热振动。热振动。固体原子彼此靠近，使分立电子能级变成能带，当固体原子彼此靠近，使分立电子能级变成能带，当满带电子取得足够能量穿越禁带时，发生电离，故满带电子取得足够能量穿越禁带时，发生电离，故禁带能量（宽度）相当于电子电离能。禁带能量（宽度）相当于电子电离能。65第65页固体介质电击穿固体介质电击穿p固体介质电击穿理论是在气体放电碰撞电离理论基础上固体介质电击穿理论是在气体放电碰撞电离理论基础上建立起来。建立起来。p与气体中电子和分子等碰撞类似过程是固体中与气体中电子和分子等碰撞类似过程是固体中电子与晶电子与晶格波相互作用格波相互作用。p按击穿发生判定条件不一样，电击穿理论可分为两类：按击穿发生判定条件不一样，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66第66页固体介质电击穿固体介质电击穿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 取得能量：取得能量：则有：则有：m*为电子有效质量，为电子有效质量，为为电子平均自由行程时间电子平均自由行程时间（松弛时间）（松弛时间）温温度度升升高高、电电子子与与晶晶格格碰碰撞撞频频繁繁，平平均均寿寿命命愈愈短短，晶体击穿场强升高。晶体击穿场强升高。杂杂质质会会引引发发晶晶体体点点阵阵发发生生畸畸变变，使使得得电电子子与与晶晶格格碰碰撞撞机机会会增增多多，使使击击穿穿场场强强增高。增高。EB 普普通通与与试试样样厚厚度度无无关关，但但当当试试样样厚厚度度极极薄薄，小小于于电电子子平平均均自自由由程程时时，电电子子还还未未充充分分加加速速就就达达电电极极，使介质击穿场强增高。使介质击穿场强增高。67第67页固体介质电击穿固体介质电击穿3.2 “雪崩雪崩”击穿击穿强场下隧道电流随场强增大而快速增大。强场下隧道电流随场强增大而快速增大。隧道电流与禁带宽度亲密相关，禁带狭窄时，较低场隧道电流与禁带宽度亲密相关，禁带狭窄时，较低场强下有很大隧道电流。因为电介质禁带宽度较宽，故强下有很大隧道电流。因为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。（1）隧道击穿）隧道击穿因为隧道效应使介质中电流增大，介质失去绝缘性能现象。因为隧道效应使介质中电流增大，介质失去绝缘性能现象。68第68页固体介质电击穿固体介质电击穿（2）碰撞电离击穿碰撞电离击穿 电子电子四十代增殖理论：四十代增殖理论：由阴极出发初始电子，在其向由阴极出发初始电子，在其向阳极运动过程中，阳极运动过程中，1cm内电离次数到达内电离次数到达 =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升。击穿场强将要提升。69第69页固体介质电击穿固体介质电击穿3.3 聚合物中空间电荷及击穿模型聚合物中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移动介质中电荷移动 注入注入电极发射电荷电极发射电荷 捕捉捕捉捕捉运动电荷在聚合物链上不连续区域内捕捉运动电荷在聚合物链上不连续区域内(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70第70页固体介质电击穿固体介质电击穿（3）陷阱能态密度与分布对空间电荷影响）陷阱能态密度与分布对空间电荷影响电极注入电荷被陷阱捕捉形成空间电荷电极注入电荷被陷阱捕捉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再俘获，在介质中形再俘获，在介质中形成大量空间电荷成大量空间电荷如：如：LDPE在在3050oC，无陷阱，无空间电荷，无陷阱，无空间电荷 HDPE在在30oC，有陷阱，阴极积累负空间电荷，有陷阱，阴极积累负空间电荷测试方法：测试方法：陷阱态密度与分布测量陷阱态密度与分布测量TSC介质空间电荷分布测量介质空间电荷分布测量压力波、电声脉冲压力波、电声脉冲71第71页固体介质电击穿固体介质电击穿（4）聚合物材料击穿陷阱模型）聚合物材料击穿陷阱模型 聚合物能带结构聚合物能带结构72第72页固体介质电击穿固体介质电击穿 决定聚合物破坏是决定聚合物破坏是深陷阱密度。所以深陷阱密度。所以可采取将深陷阱转可采取将深陷阱转化成浅陷阱，降低化成浅陷阱，降低以至于消除深陷阱以至于消除深陷阱存在，从而到达提存在，从而到达提升聚合物击穿场强升聚合物击穿场强目标。目标。73第73页固体介质电击穿固体介质电击穿6克尔效应克尔效应测量液体测量液体空间电荷空间电荷电声脉冲法电声脉冲法测量固体绝缘测量固体绝缘中空间电荷中空间电荷 74第74页固体介质电击穿固体介质电击穿3.4 树枝化树枝化介质中空间电荷影响聚合介质中空间电荷影响聚合物中电树枝引发与发展。物中电树枝引发与发展。即电树枝由绝缘中缺点引即电树枝由绝缘中缺点引发。发。在在AC和和DC场中，电树枝生场中，电树枝生长速度随场强改变规律不长速度随场强改变规律不一样。一样。树枝管中气体放电对树枝树枝管中气体放电对树枝发展起主导作用。发展起主导作用。75第75页固体介质电击穿固体介质电击穿6 XLPE电缆材料中电树枝生长长度随时间改变电缆材料中电树枝生长长度随时间改变 1min 15min 60min6 100H z 200H z 500Hz 1000Hz XLPE电缆材料中电树枝结构与外施电压频率关系电缆材料中电树枝结构与外施电压频率关系 76第76页固体介质电击穿固体介质电击穿3.5 局部放电局部放电（1）复合介质击穿）复合介质击穿77第77页交流下，电场按介电常数分配交流下，电场按介电常数分配固体介质电击穿固体介质电击穿直流下，电场按电导率分配直流下，电场按电导率分配双层介质最大击穿条件：双层介质最大击穿条件：双层介质最大击穿条件：双层介质最大击穿条件：78第78页固体介质电击穿固体介质电击穿平均放电次数平均放电次数（2）局部放电）局部放电介质发生不贯通电极局部击穿现象介质发生不贯通电极局部击穿现象放电起始电压放电起始电压视在放电量视在放电量放电能量放电能量79第79页固体介质电击穿固体介质电击穿现象观察：现象观察：80第80页固体介质电击穿固体介质电击穿汤逊类放电汤逊类放电81第81页固体介质电击穿固体介质电击穿流注类放电流注类放电82第82页4.电介质热击穿电介质热击穿 p热热击击穿穿：介介质质在在电电压压作作用用热热不不稳稳定定过过程程介介质质热热破坏现象。破坏现象。p若若介介质质中中漏漏电电流流和和松松弛弛损损耗耗产产生生焦焦耳耳热热不不能能及及时时发发散散，使使介介质质失失去去热热平平衡衡，温温度度快快速速升升高高，发发生生热热作作用用引引发发击击穿破坏。穿破坏。p热热击击穿穿与与介介质质发发烧烧原原因因、散散热热条条件件以以及及环环境境温温度度有有亲亲密密关关系系。介介质质发发烧烧决决定定于于介介质质电电导导与与松松弛弛损损耗耗，散散热热条条件件和和环环境境温温度度则则与与介介质质作作为为绝绝缘缘材材料料使使用用时时详详细细工工作作条条件件相相关关，所所以以介介质质热热击击穿穿问问题题应应属属于于一一个个经经典典工工程程绝绝缘缘技技术问题。术问题。电介质热击穿电介质热击穿83第83页（1 1）电介质击穿主要形式？）电介质击穿主要形式？（2 2）电击穿中载流子产生方式？）电击穿中载流子产生方式？（3 3）气体介质电击穿理论与试验规律？）气体介质电击穿理论与试验规律？（4 4）电子碰撞