《电介质物理》课件电介质的击穿1

1《工程电介质物理学》电介质的击穿BreakdownofDielectrics李建英2012年4月~5月21.概述2.气体电介质的击穿3.液体电介质的击穿4.固体电介质的击穿主要内容：3绝缘子的沿面闪络雷电放电概述4绝缘子的沿面闪络概述5绝缘子的沿面闪络雷电放电大气压下均匀放电概述6绝缘子的沿面闪络雷电放电大气压下均匀放电固体绝缘材料中的放电概述7绝缘子的沿面闪络雷电放电大气压下均匀放电电缆击穿事故概述8绝缘子的沿面闪络雷电放电变压器电缆终端击穿事故概述9绝缘子的沿面闪络雷电放电大气压下均匀放电•美国加州2002年1月以及3月连续两次发生全州停电事故。为防止整个系统瘫痪，加州实行了二战后的首次灯火管制，以避免对电力设备造成损害，引发更大面积的不能控制的断电事故。•主要原因设备严重老化。加州大停电概述10绝缘子的沿面闪络雷电放电2001年2月22日停电事故，沈阳市区停电面积超过70%。事故是从高压输电线路的燃弧放电开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的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，几乎所有的高压输电线路都“火冒三丈”，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。辽沈大停电概述11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。0dIdUUBUUI01.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：12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。Breakdownisacross-overinthecurrentfromstabilitytoinstabilityatsomefield,withconsequentmaterialmodification.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、放电管，局部放电等离子体对细胞膜的作用13概述14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）介质电流介质加热电导增加电流增大介质破坏概述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15概述16概述电击穿气体介质击穿理论固体介质击穿的理论模型汤逊理论流注理论阴极发射初始电子二次电子自持放电阳极流注的形成本征电击穿模型碰撞电离雪崩击穿隧道效应击穿击穿理论研究进展阴极流注的形成17概述电介质的基本电性能参数之一，代表了电介质在电场作用下保持绝缘状态的极限能力。绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要因素，约占70%。高场强的应用越来越多，如电子器件，电压不高场强高，高场强问题多。击穿过程中，有电流倍增效应，以及光、热、机械力的作用，在工程应用技术中，有广阔的应用前景。如超薄电视机就是气体放电——引起荧光物质发光。研究击穿的意义和作用182.气体介质的击穿气体介质的击穿特点：电流剧增、发光、发声表现形式：辉光放电：气压低、功率小火花放电电弧放电电晕放电：电场极不均匀jjs0E1EEbE2ⅠⅢⅡ气压不太低192.气体介质的击穿气体介质的击穿基本理论：（1）载流子的产生过程（2）载流子的消失（3）碰撞电离理论模型（4）极不均匀电场中气体的击穿330kV输电线路杆塔20一.强电场下气体中载流子的产生强电场下气体载流子产生碰撞电离光电离热电离正离子撞击阴极光电发射原子的激励和电离阴极的表面电离气体介质的击穿热电子发射和场致发射负离子的形成21原子的激励和电离激励在外界因素作用下，原子中的电子获得能量，可以跃迁到能量较高的能级轨道上去，这个过程称为原子的激励。+激发态（可有很多个）基态ew激励能eAWA基态激励能激励态不稳定，寿命为10-7—10-8s，然后又返回到基态。A气体介质的击穿22激励电位eeWe激励能eWeV激励过程所需要的能量有时，用激励电位来反映激励能电子电荷AAh表示普朗克常数，J·s。表示光子能量。hh346.6210h气体介质的击穿23电离在外界电离因素作用下，原子中一个或几个电子获得能量足够大时，可以脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。iAWAe电离过程可表示为一次电离基态正离子电子电离能eAWAiAWAe分级电离显然iiWW气体介质的击穿24一.强电场下气体中载流子的产生强电场下气体载流子产生碰撞电离光电离热电离正离子撞击阴极光电发射原子的激励和电离阴极的表面电离气体介质的击穿热电子发射和场致发射负离子的形成25强电场下气体载流子产生1.碰撞电离当电场足够强使电子和离子的动能积累到一定数值后，在和气体分子发生碰撞时，可以使气体分子电离（或激励），这就是碰撞电离。2eAAe碰撞电离是气体放电中载流子产生的极重要因素。气体介质的击穿26为什么碰撞电离主要由电子和气体分子的碰撞而引起的？⑵电子的质量小，在和分子发生弹性碰撞的时候几乎不损失动能，可以继续积累动能，离子则不然。221/42142erNrN解答：⑴电子尺寸小，比气体分子小的多，因此电子的自由行程长，获得的动能多。气体介质的击穿27电子碰撞电离系数一个电子沿着电场方向行经单位距离平均发生的碰撞电离次数。单位1/m。(eAAee新电离电子）因此也是一个电子在单位长度行程内新电离的电子数或正离子数。(,)efE由电场强度和自由行程决定定义气体介质的击穿28电子与气体分子碰撞时，只要电子动能大于气体分子的电离能，则必然使分子电离；每次碰撞后，电子失去全部动能。假设在行经了x后发生碰撞，电子能引起碰撞电离的条件为WieExiEx电离能电离电位/iixE/iixWeE根据波尔兹曼分布规律，设有n0个电子，且平均自由程为，经x距离后，发生碰撞的电子数为e0exxnn－气体介质的击穿29单位距离中，一个电子的平均碰撞次数其中xi大于自由行程而导致碰撞电离的次数为1/Z/Zex－11eeiixE－－21erNpNkT2ekTrp21/erpApkT/iieApBpEEE/BpEpAe气体介质的击穿30/BpEpAe0E/pα/pα/p和E/p的关系①↑，↑②＝constant，↑，↓EpE气体介质的击穿气体E/p(V/cm·133Pa)A(1/cm·133Pa)B(V/cm·133Pa)空气20～1508.5250空气150～60014.6365N2150～60012.4342CO2500～100020.0466A、B的经验数据312.光电离光辐射引起气体分子电离的过程称为光电离。光子的能量大于气体分子的电离能：ihW≥产生光电离的必要条件光电离过程he++/c1234(nm)ciihce光辐射能够引起光电离的最大波长为光辐射的来源紫外线、宇宙射线、X射线气体放电过程中*AAh引起别的分子的光电离或分级电离，促进气体放电的进一步发展。气体介质的击穿323.热电离与气体热状态有关的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；但是T↑，平均动能增大。+22AAAe按气体分子平均动能按自由度均分原则，在气体温度为T时，气体分子每个自由度的平均动能为21122mvkT热电离产生条件气体介质的击穿3321122mvkT总能量大于分子电离能ikTW≥1952313.61.60210/1.5710K1.3810iTWk两个分子相互碰撞时的总能量温度在上万度以上才可能发生热电离。气体介质的击穿Missionimpossible！344.负离子的形成一些电子亲和力较大的元素（如O、Cl、F等），不仅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，如果遇到电子，容易吸附电子而形成负离子。eh-+自由电子附着于电子亲和力较大的元素或这些元素的化合物形成负离子的过程称为电子的附着。电子附着过程种伴随着光辐射。这类容易形成负离子的气体，称为负电性气体。气体介质的击穿35气体成分有关还与p及E有关电子附着系数一个电子在电场方向单位长度行程内可能附着于中性分子的次数。定义Efpp影响的因素表示方法气体介质的击穿36Efpp01.00.750.500.25η/p(1/cm·133Pa)30025020015010050E/ρ(V/cm·133Pa)随着电场强度的增大（即电子能量增大）电子附着效应减弱；、p及E实验规律图随着气压的增大，由于能量减小，电子附着效应增大。说明低能电子容易附着，高能电子不易附着。气体介质的击穿37电子附着的作用设处有个电子，走过距离后，由于电离作用，增加的电子数为：xndxednndx由于附着效应而减少的电子数为：从而，电子的净增加数应为：()eedndndnndx由此可见,附着效应的存在，相当于电离系数减小了，因此，附着效应是抑制电子数倍增的因素。气体介质的击穿dxndne38一.强电场下气体中载流子的产生强电场下气体载流子产生碰撞电离光电离热电离正离子撞击阴极光电发射原子的激励和电离阴极的表面电离气体介质的击穿热电子发射和场致发射负离子的形成39阴极的表面电离由于气体放电中电流是连续的，必然存在阴极发射电子的过程，称为阴极的表面电离。条件：电子能量大于金属的逸出功。定义气体介质的击穿1、正离子撞击阴极金属金属逸出功d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，引起表面电离。40一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。必须从阴极释放一个以上的自由电子才能造出表面电离。由于过程从阴极发射的电子称为二次电子。与电极的逸出功有关，因而与电极材料及其表面状态有关。——表面电离系数表面电离系数一般为10-2数量级，下表给出了几种气体的表面电离系数。气体阴极材料ArH2空气N2HeAlCuFe0.120.060.060.10.050.060.0350.0250.020.10.0650.060.02－0.015气体介质的击穿412、光电发射he光照后发射电子，为表面光电发射。定义条件Dh光子能量大于金属逸出功对大多数金属，射线为紫外光范围气体介质的击穿光的来源：①由外来射线产生，短波射线才有电离气体能力。②分子从激发态回到基态，或异性离子复合时产生光子。423、热电子发射和场致发射热电子发射场致发射2exp[]DsEjATkT2exp[]BjAEEjA几个810VEm这时气体早就击穿了。因此表面电离方式中，起主要作用的是正离子撞击阴极和光电发射。气体介质的击穿43二.载流子的消失载流子的扩散载流子的复合气体介质的击穿载流子的产生过程载流子的消失过程互动决定绝缘是否击穿载流子在电场作用下作定向运动，从而消失于电极，构成电导电流；载流子的复合和扩散。空间载流子消失方式44电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment1、载流子的复合正离子与负离子或电子碰撞时，复合成中性分子并发生光辐射，称这个过程为复合。QBABA正、负离子复合后形成两个分子，释放出的能量为电离能和从负离子剥夺电子所耗能量之差（电离能）iWAeA能量）从负离子剥离电子所需(BeBE)BABAEWi（+=A光子）（hE