1、1,电介质的击穿,1. 概述 2. 气体介质的电击穿 3. 固体介质的电击穿 4. 电介质的热击穿,2,概述,现象：当施加于电介质的电场强度增大到一定程度时，电介质由绝缘状态突变为导电状态，此跃变现象称为电介质的击穿。,1.概述,表征：介质发生击穿时，通过 介质的电流剧烈地增加， 其特征为：,3,概述,介质击穿：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；成为决定电工、电子设备最终寿命的重要因素。 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 介质击穿的应用：气隙开关
2、、放电管，局部放电光、热、机械力，等离子体对细胞膜的作用,4,概述,典型介质的介电强度（室温、1 atm),5,介质击穿主要分为热击穿和电击穿两大类,热击穿由于介质内热的不稳定过程所造成（非本征性质）,概述,电击穿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耐电强度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,6,概述,7,2.气体介质的电击穿,气体介质的电击穿,表现形式：火花放电，辉光放电，电晕放电，电弧放电2.1 汤逊理论碰撞电离（1）载流子的产生过程（2）电子附着效应（3）碰撞电离理论模型,8,（1）载流子的产生过程,碰撞电离碰撞后粒子的变
3、化过程：,气体介质的电击穿,碰撞电离，光致电离，热电离，电极表面发射, 激发电子得到能量后，跃迁到更高的能级上，原子、分子成为激发态。 电离电子脱离原子核束缚成为自由电子，失去电子的原子、分子成为离子。,9, 复合正离子与电子碰撞复合成中性原子或分子，并放出能量。,气体介质的电击穿, 附着电子与中性原子、分子碰撞，由于原子有较大的电子亲合力而形成负离子，放出能量。,10,外电场使自由电子加速运动，动能增加并与原子（粒子）发生碰撞，当核外电子所获能量大于克服原子核束缚所需能量时，引起碰撞电离。,碰撞电离系数：一个电子在电场力作用下，走过单位距离所产生的碰撞电离次数。又称汤逊第一电离系数 单位：1
4、/米电子自由行程x：电子在两次碰撞间所走过的路程。自由行程愈大电子获得能量愈大碰撞电离次数增加碰撞电离系数增大,气体介质的电击穿,11,ui为电离能， UI为电离电位,气体介质的电击穿,碰撞电离条件：,电子的平均自由行程：,其中：k波尔兹曼常数，T绝对温度，r分子半径，p气体压力,12,式中：p为 压力， A、B 为与E、p无关的函数，E为电场强度。Ap 为的极限值,离子碰撞电离系数汤逊第二电离系数， 由于离子质量大， ，故对载流子贡献小。,气体介质的电击穿,电子碰撞电离系数：,13,光的来源： 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。,气体
5、介质的电击穿,光致电离,频率为的光照射气体时，当光子能量大于气体分子电离能时：,可引起气体光致电离：,14,热电离是极高温度下的现象，上万度以上才有显著的热电离发生。,气体介质的电击穿,热电离,按气体分子能量均分原理，气体温度为T时，分子动能：,若两个粒子碰撞时总能量,时，气体发生热电离。,15,其他具有足够能量的粒子撞击电极表面，引起电极发射。用系数反映电极发射的能力，称为汤逊第三电离系数。功函数小的金属材料作电极，易产生表面发射。,气体介质的电击穿,电极表面发射,场致发射：,热电子发射：,光致发射：,16,气体介质的电击穿,（2）电子附着效应,电子亲和力大的元素，吸附电子而形成质量大、速度
6、慢的负离子（氧、SF6）； 使自由电子数减少，电离降低，抑制电流倍增。 电子附着系数：在电场作用下，电子走过单位距离附着于中性粒子的电子数，即生成的负离子数或减少的电子数。电离使电子增加dn=n dx, 附着使电子数减少dn-=n dx故电子净增为： dn- dn-= n （- ）dx 相当于使电离系数减小。,17,气体介质的电击穿,（3）碰撞电离理论模型,故不可能由碰撞电离产生击穿,阴极有n0个电子，经碰撞电离到达阳极产生,电流密度：,由介质击穿一般条件：,18,电子增殖过程：,阴极发射n0个电子，碰撞产生正离子，正离子撞击阴极表面产生ns个二次电子，则阴极表面发射ne=n0+ns个电子。,
7、气体介质的电击穿,ne个电子经过 作用到达阳极时增加为nee d 个电子，则有 nee d- ne个正离子回到阴极产生二次电子：,19,自持放电条件：,气体介质的电击穿,则,当,时，,达到放电条件,故,为自持放电条件。,20,物理意义：,一个从阴极出发的初始电子到达阳极时，通过碰撞电离产生ed 个电子、正离子；其中除第一个初始电子外的(ed -1)个正离子回到阴极，通过作用，产生出(ed -1) 个二次电子；当二次电子数最少为一个时，可代替初始电子的作用，继续不断从阴极发出电子 形成不依赖外界因素的初始电子，从而产生自持放电。,气体介质的电击穿,21,巴申定律：,在碰撞电离理论建立之前，巴申得
8、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。发现：（i）气隙放电电压UB与气压p和气隙宽度d的乘积（pd）有关，当p、d同时变化，而（pd）不变时，放电电压不变。（ii）在某一（pd）值下，气隙放电电压出现最低值。,气体介质的电击穿,22,由自持放电条件， 与p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？,气体介质的电击穿,可得气隙放电电压：,23,2.2 流注理论,适用于气隙初始放电（无初始电子），气隙较长，气压较高时的放电现象。 以Townsend 碰撞电离为基础，考虑了放电过程中的光现象，即光致电离对电离的发展起重要作用。 电子与正离子复合产生光发射。 电子
9、崩头部离子数108，最后形成很窄击穿通道。,气体介质的电击穿,24,（1）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次崩。 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。,气体介质的电击穿, 初崩接近阳极时，崩中部的光辐射作用在崩尾产生二次崩。 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。,（2）阴极流注的形成,25,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。,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外部形成二次电子。 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。,流注放电条件：
10、,一般取,，即 ed 108时，,26,2.3 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，放电在局部强电场区开始发生，电离的起始放电电压（电晕电压）低于气隙击穿电压。 负针尖时的气隙击穿电压高于正针尖时的气隙击穿电压。表现出明显的极性效应。,气体介质的电击穿,27,针尖尺寸与电晕放电脉冲,a） 空 气 中 电 晕b） 油 中 电 晕,气体介质的电击穿,28,2.4 沿固体电介质表面气体放电,沿面放电（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。 试验特点：1）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。3）与电压种类有关。冲击
11、高频直流50Hz。4）与电极的布置，即电场的均匀度有关。 改善措施：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,29,实验观察结果：,正电极附近形成分枝状通道 负电极附近形成直通道 放电脉冲宽度随电压增加而增大,气体介质的电击穿,30,3. 固体介质的电击穿,固体介质的电击穿,实验特征： 击穿场强较高 108109V/m。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大（或变化不大）， 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。 固体原子的彼此接近，使分立电子能级变
12、成能带，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。,31,固体介质的电击穿,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。 与气体中电子和分子等的碰撞类似的过程是固体中电子与晶格波的相互作用。 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，足以破坏介质绝缘状态为判据“雪崩”击穿,32,固体介质的电击穿,3.1本征电击穿,击穿时电子（q）单位时间从电场 EB 获得的能量：,则有：,m* 为电子有效质量， 为电子的平均自由行程时间（松弛时间）, 温度升高、电子与晶格碰撞频繁，
13、平均寿命愈短，晶体的击穿场强升高。 杂质会引起晶体点阵发生畸变，使得电子与晶格的碰撞机会增多，使本征击穿场强增高。 EB 一般与试样厚度无关，但当试样的厚度极薄，小于电子的平均自由程时，电子尚未充分加速就达电极，使介质本征击穿场强增高。,33,固体介质的电击穿,3.2 “雪崩”击穿,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109V/m时，难以发生隧道击穿。,（1）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。,34,固体介质的电击穿,（2）碰撞电离击穿,电子的四十代增殖理论：由阴
14、极出发的初始电子，在其向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数达到 =40次，产生2 =1012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。,35,固体介质的电击穿,3.3 聚合物中的空间电荷及击穿模型,（1）产生方式电导介质中电荷的移动注入电极发射电荷捕获捕获运动电荷在聚合物链上不连续的区域内(陷阱) （2）同极性与异极性空间电荷,36,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,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 注入电子被俘获释放迁移再俘
15、获，在介质中形成大量空间电荷 如：LDPE在3050oC，无陷阱，无空间电荷HDPE在30oC，有陷阱，阴极积累负空间电荷 测试方法： 陷阱态密度与分布测量TSC 介质空间电荷分布测量压力波、电声脉冲,37,固体介质的电击穿,（4）聚合物材料击穿的陷阱模型,聚合物的能带结构,38,固体介质的电击穿,决定聚合物破坏的是深陷阱密度。因此可采取将深陷阱转化成浅陷阱，降低以至于消除深陷阱的存在，从而达到提高聚合物击穿场强的目的。,39,固体介质的电击穿,6,克尔效应 测量液体空间电荷,电声脉冲法 测量固体绝缘中的空间电荷,40,4. 电介质的热击穿,热击穿：介质在电压作用热不稳定过程介质热破坏现象。 若介质中漏电流和松弛损耗产生的焦耳热不能及时发散，使介质失去热平衡，温度快速升高，发生热作用引起击穿破坏。 热击穿与介质的发热因素、散热条件以及环境温度有密切关系。介质的发热决定于介质电导与松弛损耗，散热条件和环境温度则与介质作为绝缘材料使用时的具体工作条件有关，所以介质热击穿问题应属于一个典型的工程绝缘技术问题。,电介质的热击穿,41,谢 谢！,
