《電介質(zhì)物理》電介質(zhì)的擊穿-4課件

《工程電介質(zhì)物理學(xué)》電介質(zhì)的擊穿（4）BreakdownofDielectrics2012年4月~5月電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment1上節(jié)課小結(jié):

氣體介質(zhì)的擊穿（1）負(fù)電性氣體的擊穿自持放電的判據(jù)：（2）極不均勻電場中氣體的擊穿電暈起始電壓：針為正極性時(shí)高擊穿電壓：針為負(fù)極性時(shí)高（3）液體介質(zhì)的擊穿高純度液體的擊穿理論：碰撞電離氣泡擊穿理論：熱化氣、電離化氣雜質(zhì)擊穿理論：水橋、固體雜質(zhì)小橋模型電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment判據(jù)：碰撞電離開始判據(jù)：碰撞電離發(fā)展到一定程度2電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment4.固體電介質(zhì)的擊穿一.概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿有何不同：

固體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)較高擊穿后在材料中留下有不能恢復(fù)的痕跡，如燒焦或溶化的通道、裂縫等，去掉外施電壓，不能自行恢復(fù)絕緣性能

擊穿形式熱擊穿電擊穿不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿

固體電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系3電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment主要特性：

擊穿場強(qiáng)高（大致在5～15MV/cm范圍）在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大反映了固體介質(zhì)耐受電場作用能力的最大限度僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱為耐電強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度

（三）不均勻電介質(zhì)的擊穿包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式。擊穿往往是從耐電強(qiáng)度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。

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Equipment二.固體電介質(zhì)的熱擊穿(一)瓦格納熱擊穿理論瓦格納熱擊穿模型

設(shè)固體介質(zhì)置于平板電極a、b之間，該介質(zhì)有一處或幾處的電阻比其周圍小得多，構(gòu)成電介質(zhì)中的低阻導(dǎo)電通道。

設(shè)通道的橫截面積S長度為d導(dǎo)電率直流電壓U

單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量:

單位時(shí)間散出的熱量:散熱系數(shù)又——導(dǎo)電通道在溫度t0時(shí)的電導(dǎo)率；α——溫度系數(shù)。6電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment發(fā)熱與散熱曲線

是溫度的函數(shù)，所以發(fā)熱量Q1也是溫度的函數(shù)，因此對于不同的電壓U值，Q1與t的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線，曲線1、2、3分別為在電壓U1、U2、U3（U1＞U2＞U3）作用下，介質(zhì)發(fā)熱量與介質(zhì)導(dǎo)電通道溫度的關(guān)系。而散熱量Q2與溫度差（t－t0）成正比，如圖中曲線4所示

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Equipment（二）均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓的確定單側(cè)散熱無限大一維平板介質(zhì)模型厚度為d的無限大平板介質(zhì)處于平行板電極之間

材料結(jié)構(gòu)是完全均勻的

設(shè)只有右側(cè)電極向周圍散熱

導(dǎo)熱系數(shù)K單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)x處單位面積的熱量

負(fù)號表示熱量向溫度降低方向流動(dòng)

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)x＋dx處單位面積的熱量

包括散熱、發(fā)熱和溫升在內(nèi)的熱平衡方程

考慮到介質(zhì)材料通常是在長時(shí)間作用的交、直流電壓或短時(shí)間的脈沖電壓下工作，可以近似化為兩種極端情況來討論方程式。

電壓作用時(shí)間很短，散熱來不及進(jìn)行的情況——脈沖熱擊穿電壓長時(shí)間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況——穩(wěn)態(tài)熱擊穿

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Equipment1.脈沖熱擊穿

電場作用時(shí)間很短，導(dǎo)熱過程忽略如知道E＝E(t)及

＝（E，T），即可求得臨界溫度時(shí)的熱擊穿場強(qiáng)

假設(shè)脈沖電場為斜角波形電場：Ec——熱擊穿場強(qiáng)tc——至擊穿的時(shí)間電場不太強(qiáng)時(shí)由上面幾式可得分離變量并積分

在環(huán)境溫度不高時(shí)，熱擊穿臨界場強(qiáng)

tc和T0的影響10電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment2.穩(wěn)態(tài)熱擊穿

在外施電壓U0作用下，在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)

電場強(qiáng)度E＝－（dφ/dx）

則電流密度

代入上式得

為簡化，僅討論散熱條件極好，電極溫度始終等于周圍環(huán)境溫度T0的情況

此時(shí)介質(zhì)中心x＝0處溫度最高，計(jì)為Tc

x＝0處，dT/dx＝0代入11電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment②熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系：③熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系：與厚度無關(guān)晶體巖鹽熱擊穿電壓、電阻率與溫度的關(guān)系1－熱擊穿電壓2－電阻率兩式比較，lgU0C～1/T0與lgρ～1/T0都是直線關(guān)系，僅兩條直線的斜率相差一倍，圖與理論相吻合。常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實(shí)驗(yàn)判據(jù)

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Equipment熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系式A——常數(shù)

當(dāng)所加電壓為交變電壓時(shí)，上式中的ρ為固體介質(zhì)的有效電阻率介質(zhì)在交變電壓下的有效電阻率比直流電阻率要小，因此交流熱擊穿電壓通常低于直流熱擊穿電壓。

根據(jù)上式，交流熱擊穿電壓與電介質(zhì)有效電阻率的平方根成正比，而有效電阻率又與電介質(zhì)的介電常數(shù)εr、損耗角正切tgδ及電壓頻率f成反比。

玻璃熱擊穿場強(qiáng)與頻率的關(guān)系

可見熱擊穿場強(qiáng)隨頻率升高而降低。這是由于電介質(zhì)的損耗隨頻率的升高而增大，當(dāng)所加電壓的值相同時(shí)，電介質(zhì)的發(fā)熱隨頻率而增加，致使熱擊穿場強(qiáng)下降。

熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無關(guān)。電介質(zhì)厚度增大時(shí)，熱擊穿場強(qiáng)表現(xiàn)出降低的趨勢。14電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment三.固體電介質(zhì)的電擊穿理論基礎(chǔ)：氣體放電的碰撞電離理論

又估算得晶格質(zhì)點(diǎn)：不能自由熱運(yùn)動(dòng)；只能在晶格平衡位置上做微小振動(dòng)；這些熱振動(dòng)相互關(guān)聯(lián)；形成一系列頻率的晶格振動(dòng)；以波的形式在固體介質(zhì)中傳播——晶格波。電子與晶格波的相互作用：①電子可以失去能量，而被制動(dòng)②電子從晶格波得到能量而進(jìn)一步加速，只有在電場很強(qiáng)時(shí)，電子才可以獲得引起碰撞電離的能量

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Equipment（一）本征電擊穿理論

在電場E的作用下，電子被加速，它的平均速度為電子單位時(shí)間從電場獲得的能量

松弛時(shí)間τ與電子能量有關(guān)

晶格振動(dòng)的能量是量子化的

——聲子

電子放出聲子的概率總大于電子吸收聲子的概率，所以電子給予晶格振動(dòng)的能量總大于它們從晶格振動(dòng)獲得的能量。

設(shè)單位時(shí)間內(nèi)電子與晶格振動(dòng)相互作用為1/τ次，則電子單位時(shí)間中損失給晶格振動(dòng)的能量為

晶格振動(dòng)與溫度有關(guān)，上式可改寫為

使該式成立的

為擊穿場強(qiáng)。17電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment本征電擊穿理論又分為單電子近似和集合電子近似兩種理論。①單電子近似理論假設(shè)：略去電介質(zhì)中導(dǎo)電電子間的相互作用，用強(qiáng)電場下單個(gè)電子的平均特性來求取擊穿場強(qiáng)。把導(dǎo)電電子與晶格振動(dòng)的相互作用，看成是對晶格周期勢場的微擾，解出相互作用概率，然后通過能量平衡方程求出臨界擊穿場強(qiáng)。平衡點(diǎn)隨著場強(qiáng)的增加向電子能量減小的方向移動(dòng)，即場強(qiáng)增大，到達(dá)平衡時(shí)電子具有的能量減小。18電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment1)Hippel低能電擊穿判據(jù)

低能電子

希伯爾電擊穿臨界條件意味著，低能電子單位時(shí)間從電場獲得的能量超過最大的能量損耗，才能導(dǎo)致碰撞電離的發(fā)生，當(dāng)然能量大于的其他電子，也一定可以從電場得到足夠的能量而引起碰撞電離。

希伯爾認(rèn)為擊穿是由低能電子造成的，故稱為低能判據(jù)。

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EquipmentHippel和Frohlich判據(jù)的區(qū)別：

Hippel：電場開始加速

的低能電子引起的，這電場可以加速幾乎所有——充分條件，

高

Frohlich：電場開始加速能量接近

的高能電子引起的，這電場可以加速少部分電子——必要條件，低

表5-10中，

的電子由實(shí)驗(yàn)規(guī)律知：電擊穿在T0較低時(shí)，這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)，含雜質(zhì)晶體或非晶態(tài)電介質(zhì)中，存在于雜質(zhì)能級上的電子很少，它們之間的相互作用可以忽略不計(jì)。但高溫時(shí)，雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)目增多，不僅同導(dǎo)電電子相互作用，且自相作用，形成電子系。

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Equipment②集合電子近似理論由Frohlich針對無定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸┨岢鰜淼?/p>

以nC、nS和nD分別表示導(dǎo)帶、淺陷阱和深陷阱上的電子數(shù)

假設(shè)

則有—導(dǎo)帶底部和淺陷阱底部附近能級密度之比

單位時(shí)間自由電子獲得能量為

能量損失主要是由雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格，它是由吸收和放出聲子來實(shí)現(xiàn)的。A、B都是通過雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)nS來實(shí)現(xiàn)的

平衡關(guān)系

T0-晶格溫度，Te-電子系溫度22電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

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Equipment能量增益速率A，B能量損失速率與電子系溫度Te的關(guān)系由圖中可以看出，電子系從電場獲得的能量隨電子系溫度升高而迅速增大，而傳遞給晶格的能量也隨電子系溫度升高而增加，但增加速率愈來愈慢。

Ec——集合電子近似的臨界擊穿場強(qiáng)

解得上式表明，隨著晶格溫度T0的增加，擊穿場強(qiáng)Ec下降。這與固體電介質(zhì)的高溫電擊穿場強(qiáng)隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實(shí)驗(yàn)規(guī)律是一致的。

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Equipment電離能（即禁帶寬度）

至擊穿的時(shí)間

式中I的單位為eV，tc單位為μs。對于大多數(shù)電介質(zhì)來說，I約為2～7eV，在加壓時(shí)間為μs的寬廣范圍內(nèi),上式給出的臨界擊穿場強(qiáng)為109V/m。

②碰撞電離雪崩擊穿基礎(chǔ):導(dǎo)帶中的電子

發(fā)生碰撞電離由陰極向陽極發(fā)展形成電子雪崩

當(dāng)電子雪崩區(qū)域達(dá)到某一界限時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)被破壞，固體發(fā)生擊穿。25電