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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的作用下被擊穿，把外電場(chǎng)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(shí)，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(chǎng)不均勻，在電場(chǎng)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(shí)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(jià)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(duì)電離/cm3.s2023/2/511

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

a=qE/m

兩次碰撞，粒子在電場(chǎng)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(shí)間1.電子碰撞游離：2023/2/512

粒子從電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能:T=mv2/2=q2E2τ2/2m

從公式中看出：在電場(chǎng)作用下，帶電粒子的動(dòng)能正比于電場(chǎng)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(chǎng)下，自由電子所獲得的動(dòng)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(chǎng)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(gè)電子從陰極出發(fā)后運(yùn)動(dòng)d距離所產(chǎn)生的電子數(shù)這個(gè)電子運(yùn)動(dòng)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(gè)電子，正好可替代最初的表面游離劑?。∽猿址烹姡簹怏w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(cè)p1巴申曲線(PaschenCurve)2023/2/529

在均勻電場(chǎng)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(shí)，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(shí)，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?。回?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(lì)還原及離子復(fù)合時(shí)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?。氣體放電的流柱理論：2023/2/532不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn)：在高電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)開始到擊穿，隨E增加，電流增大，但較慢。擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度與電極的形狀、距離有關(guān)。5.不均勻電場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(shí)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(duì)液體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響：處理方法：擊穿場(chǎng)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(lái)看：固體介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)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(gè)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(chǎng)強(qiáng)高，擊穿電場(chǎng)范圍較窄：108~109V/md、擊穿場(chǎng)強(qiáng)與周圍媒質(zhì)溫度無(wú)關(guān)e、擊穿場(chǎng)強(qiáng)與加壓時(shí)間無(wú)關(guān)電擊穿必須滿足：電導(dǎo)率小、tan小、散熱條件好，無(wú)氣隙、無(wú)邊緣放電。電擊穿的特點(diǎn)：c:在均勻電場(chǎng)中，電擊穿發(fā)生時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度直到厚度為0.1u-1u范圍都與厚度無(wú)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(shí)間很短較長(zhǎng)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