《电介质物理》课件 电介质的击穿-1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工程电介质物理学,电介质的击穿,Breakdown of Dielectrics,2012年4月5月,1,1. 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：,2,绝缘子的沿面闪络,雷电放电,概述,3,绝缘子的沿面闪络,概述,4,绝缘子的沿面闪络,雷电放电,大气压下均匀放电,概述,5,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,6,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,7,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,8,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,9,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,10,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：,11,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。,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：,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,12,概述,13,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,14,概述,15,概述,16,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,17,2.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,气压不太低,18,2.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,19,一.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,20,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,。,基态,激励能,激励态,不稳定，寿命为10,-7,10,-8,s，然后又返回到基态,。,气体介质的击穿,21,激励电位,激励能,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,表示普朗克常数，,Js,。,表示光子能量。,气体介质的击穿,22,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。,电离过程可表示为,一次电离,基态,正离子,电子,电离能,分级电离,显然,气体介质的击穿,23,一.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,24,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,。,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,25,为什么碰撞电离主要由电子和气体分子的碰撞而引起的？,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。,解答：,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,26,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,。,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。,由,电场强度,和,自由行程,决定,定义,气体介质的击穿,27,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,电离能,电离电位,根据波尔兹曼分布规律，设有,n,0,个电子，且平均自由程为 ，,经,x,距离,后，发生碰撞的电子数为,气体介质的击穿,28,单位距离中，一个电子的平均碰撞次数,其中,x,i,大于自由行程而导致碰撞电离的次数为,气体介质的击穿,29,/,p,和,E,/,p,的关系, ，, constant，,气体介质的击穿,气体,E,/,p,(V/cm133,P,a),A,(1/cm133Pa),B,(,V,/cm133Pa),空气,20150,8.5,250,空气,150600,14.6,365,N,2,150600,12.4,342,CO,2,5001000,20.0,466,A、B,的经验数据,30,2.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：,产生光电离的必要条件,光电离过程,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,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,31,3.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。,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,热电离产生条件,气体介质的击穿,32,总能量大于分子电离能,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,Mission impossible！,33,4.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,。,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,34,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,影响 的因素,表示方法,气体介质的击穿,35,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,36,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：,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：,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,37,一.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,38,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,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。,39,一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,Ar,H,2,空气,N,2,He,Al,Cu,Fe,0.12,0.06,0.06,0.1,0.05,0.06,0.035,0.025,0.02,0.1,0.065,0.06,0.02,0.015,气体介质的击穿,40,2、光电发射,光照后发射电子，为表面光电发射。,定义,条件,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：, 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。,41,3、热电子发射和场致发射,热电子发射,场致发射,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,42,二.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,43,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,1、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。,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,+,=,A,气体介质的击穿,44,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,B,当 时，引起其他地方的光电离。,气体介质的击穿,45,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,复合速率,复合系数,复合系数与载流子间的相对速度有关：,大则 小,当 则 小,当 则 大,气体介质的击穿,46,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,2、载流子的扩散,与气体分子的扩散相似，,当气体载流子,的分布不均,匀时，载流子将从浓度高的区域向浓度低的区域移,动，使分布趋于均匀的过程称为扩散。,由于 且载流子本身的浓度不大，因而,载流子间的距离较大，静电斥力很小，因此扩散不,是由静电斥力造成的。而是与气体分子的扩散一样，,是热运动造成的。,气体介质的击穿,47,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,扩散系数,其中,M、p,为气体的摩尔质量和压力。,当,T,，,p,，,M,，则,D,，离子扩散速度慢，,电子扩散速度快。,气体介质的击穿,48,小结:,主要内容：,概论、气体介质的击穿,气体介质的击穿,气体击穿的基本理论：,（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,49,主要概念,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。,电子附着系数：,一个电子在电场方向,单位距离,内可能附着于中性分子的次数。,表面电离系数：,一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。,气体介质的击穿,主要过程,（1）载流子的产生过程：一次电子-,过程+过程,二次电子-,过程,（2）载流子的消失：电导电流、复合、扩散,50,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,三.均匀电场中气体击穿的理论,气体击穿的汤逊（,Townsend,）理论,气体击穿的流注理论,自持放电条件,51,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n,0,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：,52,电子增殖过程：,阴极发射,n,0,个电子，碰撞产生正离子，正离子撞击阴极表面产生,n,s,个二次电子，则阴极表面发射,n,e,=n,0,+n,s,个电子。,气体介质的电击穿,n,e,个电子经过, 作用到达阳极时增加为,n,e,e, d,个电子，则有,n,e,e, d,-,n,e,个正离子回到阴极产生二次电子：,53,自持放电条件：,气体介质的电击穿,当,时，,达到放电条件,故,为,自持放电条件。,54,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,e,d,个电子、正离子；其中除第一个初始电子外的,(,e,d,-1),个正离子回到阴极，通过,作用，产生出,(,e,d,-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,55,巴申定律：,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的实验关系。发现：,（,i,）,气隙放电电压,U,B,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,56,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：,57,2.2 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。,电子崩头部离子数,10,8,，最后形成很窄击穿通道。,气体介质的电击穿,58,（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,59,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：,一般取,，即,e,d,10,8,时，,60,2.3 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,61,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,62,2.4 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,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,XHP1-240耐污型绝缘子剖面图,XHP1-240耐污型绝缘子电场分布图,XHP1-240耐污型绝缘子电位分布图,63,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,64,3.,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,10,8,10,9,V/m,。,空气,10,6,V/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。,65,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,66,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,E,B,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，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，使击穿场强增高。,E,B,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，,使介质击穿场强增高。,67,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,10,9,V/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。,68,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,=,10,12,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。,69,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,70,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,再俘获，在介质中形成大量空间电荷,如：,LDPE,在,3050,o,C,，,无陷阱，无空间电荷,HDPE,在,30,o,C,，,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,71,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,72,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。,73,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,74,固体介质的电击穿,3.4 树枝化,介质中空间电荷影响聚合物中电树枝的引发与发展。即电树枝由绝缘中的缺陷引起。,在AC和DC场中，电树枝的生长速度随场强变化规律不同。,树枝管中的气体放电对树枝的发展起主导作用。,75,固体介质的电击穿,6,XLPE,电缆材料中电树枝生长长度随时间的变化,1min 15min 60min,6,100H z 200H z 500Hz 1000Hz,XLPE,电缆材料中电树枝结构与外施电压频率的关系,76,固体介质的电击穿,3.5 局部放电,（1）复合介质的击穿,77,交流下，电场按介电常数分配,固体介质的电击穿,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：,78,固体介质的电击穿,平均放电次数,（2）局部放电,介质发生不贯穿电极的局部击穿现象,放电起始电压,视在放电量,放电能量,79,固体介质的电击穿,现象观测：,80,固体介质的电击穿,汤逊类放电,81,固体介质的电击穿,流注类放电,82,4. 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,83,（1）电介质击穿的主要形式？,（2）电击穿中载流子的产生方式？,（3）气体介质电击穿的理论与实验规律？,（4）电子碰撞电离系数，电子附着系数的物理意义？,（5）聚合物电击穿的陷阱模型？,（6）树枝化与局部放电的关系？,（7）固体热击穿电压随介质温度和厚度的变化？,思考题：,电介质的击穿,84,下次课内容：,电介质的带电及功能特性,85,