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1、工程电介质物理学工程电介质物理学电介质的击穿（电介质的击穿（2）Breakdown of Dielectrics李建英李建英2012年年4月月5月月 电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment上一节主要内容：上一节主要内容：概论、气体介质的击穿概论、气体介质的击穿气体击穿的基本理论：气体击穿的基本理论： （1）载流子的
2、产生过程）载流子的产生过程 （2）载流子的消失）载流子的消失 （3）碰撞电离理论模型）碰撞电离理论模型 （4）极不均匀电场中气体的击穿）极不均匀电场中气体的击穿气体介质的击穿气体介质的击穿2一一. .强电场下气体中载流子的产生强电场下气体中载流子的产生l 强电场下气体载流子产生强电场下气体载流子产生碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离正离子撞击阴极正离子撞击阴极光电发射光电发射l 原子的激励和电离原子的激励和电离l 阴极的表面电离阴极的表面电离气体介质的击穿气体介质的击穿热电子发射和场致发射热电子发射和场致发射负离子的形成负离子的形成电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Lab
3、oratory of Electrical Insulation and Power Equipment3二二. .载流子的消失载流子的消失l 载流子的扩散载流子的扩散l 载流子的复合载流子的复合气体介质的击穿气体介质的击穿载流子的载流子的产生产生过程过程 载流子的载流子的消失消失过程过程 互动互动 决定绝缘是否击穿决定绝缘是否击穿 载流子在电场作用下作定向运动，从而消失于电极，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；构成电导电流； 载流子的复合和扩散。载流子的复合和扩散。空间载流子消失方式空间载流子消失方式 电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Labora
4、tory of Electrical Insulation and Power Equipment4电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment主要概念主要概念主要概念主要概念 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数 ：一个电子沿着电场方向行经一个电子沿着电场方向行经单位距离单位距离平平均发生的碰撞电离次数。均发生的碰撞电离次数。电子附着系数电子附着系数 ：一个电子在电场方向一个电子在电场方向单位距离单位距离内可能附着于内可能附着于中性分子的次数。中性分子的次数。表面电离系数表面电离系
5、数 ：一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。主要过程主要过程主要过程主要过程（1）载流子的产生过程：一次电子）载流子的产生过程：一次电子- 过程过程+ 过程过程 二次电子二次电子- 过程过程（2）载流子的消失：电导电流、复合、扩散）载流子的消失：电导电流、复合、扩散气体介质的击穿气体介质的击穿5电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment三三 均匀电场中气体击穿的理论均匀电场中气体击穿的理论 强强电场中自由电子产生及消失的两个过程是气体放
6、电场中自由电子产生及消失的两个过程是气体放电的电的理论基础。根据不同条件下各个过程的强弱不同理论基础。根据不同条件下各个过程的强弱不同，便，便引导出适引导出适用不同条件下的放电理论。用不同条件下的放电理论。气体击穿的汤逊（气体击穿的汤逊（TownsendTownsend）理论）理论气体击穿的流注理论气体击穿的流注理论负电性气体的击穿负电性气体的击穿 气体介质的击穿气体介质的击穿6电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment气体击穿的汤逊（气体击穿的汤逊（Townsend）理论）理
7、论 气体放电时电流倍增是气体放电时电流倍增是电子碰撞电离电子碰撞电离的作用；的作用；维持气体自持放电的维持气体自持放电的必要条件必要条件电极表面电子发射；电极表面电子发射；定量理论定量理论，U U 可可以计算出来。以计算出来。电子崩与电流倍增电子崩与电流倍增原始电子原始电子阴极光电子发射阴极光电子发射。在电场作用下，电子获得动能向阳极在电场作用下，电子获得动能向阳极运动运动当电场很强，电子动能当电场很强，电子动能电离能，引起电离能，引起气体介质的击穿气体介质的击穿7电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and
8、Power Equipment电子崩形成过程及模型电子崩形成过程及模型 如图如图a) )，电子数电子数124816124816行经行经 距离后距离后，增，增加为加为 个电子。电子数目迅速增加，如同冰山上个电子。电子数目迅速增加，如同冰山上发生发生雪崩一样，因此雪崩一样，因此形象地称为形象地称为电子崩电子崩。Z Z为为A原子的原子系数原子的原子系数可见可见，电子迁移率比正离子的要大，电子迁移率比正离子的要大2 2个数量级以上。个数量级以上。电子崩发展过程中，电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子崩头最前面集中着电子，其后直其后直到崩尾均到崩尾均为正离子为正离子，形状如，形状如b) )图。图。由于
9、强电由于强电场气场气体间隙中电子崩的出现，载流体间隙中电子崩的出现，载流子数大子数大增，所以放增，所以放电电流也随之倍增。电电流也随之倍增。气体介质的击穿气体介质的击穿8电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment解释碰撞电离导致电流密度倍增解释碰撞电离导致电流密度倍增 外外电离因素光辐射的作用下，电离因素光辐射的作用下，单位时间内在气隙阴极表面单位面积单位时间内在气隙阴极表面单位面积产生的电子。产生的电子。个电子向阳极运动个电子向阳极运动到到x x 处处到到 处处气体介质的击穿
10、气体介质的击穿9电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 不不随空间位置而变随空间位置而变 算算出进出进入阳极入阳极的电子电流，也即外电路中的电流的电子电流，也即外电路中的电流 给给出了碰撞电离导致电流密度倍增的关系出了碰撞电离导致电流密度倍增的关系 气体介质的击穿气体介质的击穿10电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment不变不变，d 变变，则，则 假设假设
11、不变，则不变，则 若改变若改变 上面的讨论，如果没有上面的讨论，如果没有 ，也就，也就不可能有不可能有 因因此电流不能维持。即如果没有外此电流不能维持。即如果没有外界电离因素，气体放电将逐渐减界电离因素，气体放电将逐渐减弱，直到最后停止放电，为非自弱，直到最后停止放电，为非自持放电。持放电。 气体介质的击穿气体介质的击穿11电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment气体的自持放电气体的自持放电 只有只有过程时，气体的放电是不能自持的。过程时，气体的放电是不能自持的。放电由非自持
12、转为自持，除放电由非自持转为自持，除过程外，过程外，还应考还应考虑其他的虑其他的电离过程。电离过程。实验发现，当气隙不太宽时，放电与电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料极材料有关，因有关，因而导致考虑而导致考虑过程的作用。过程的作用。气体介质的击穿气体介质的击穿12电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipmentne为起始电子为起始电子 n0为外因电子为外因电子 ns为二次电子为二次电子 又又所以所以通过通过x处平面的电流密度为处平面的电流密度为 气体介质的击穿气体介质的击穿1
13、3电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipmentx=d处即阳极处电流密度为处即阳极处电流密度为若若如果取消外电离因素，气隙仍能靠自身的电离维持如果取消外电离因素，气隙仍能靠自身的电离维持很大很大的电流。的电流。击穿击穿非自持非自持自持，条件为自持，条件为 一个从阴极出发的一个从阴极出发的初始电子初始电子到达阳极时，通过碰撞电离产生到达阳极时，通过碰撞电离产生 ( (e e d d -1) -1)个正离子回到阴极，通过个正离子回到阴极，通过 作用，产生出作用，产生出 ( (e e d
14、 d -1)-1) 个个二次电子；当二次电子；当二次电子二次电子数最少为一个时，可代替初始电子的作数最少为一个时，可代替初始电子的作用，继续不断从阴极发出电子用，继续不断从阴极发出电子形成不依赖外界因素的初始形成不依赖外界因素的初始电子，从而产生电子，从而产生自持放电自持放电。 气体介质的击穿气体介质的击穿14电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment巴申定律、击穿电压巴申定律、击穿电压巴申（巴申（Paschen）得到了均匀电场中气体放电电压与气）得到了均匀电场中气体放电电压与
15、气 体压力及气隙宽度间的实验关系，称为体压力及气隙宽度间的实验关系，称为巴申定律巴申定律。在某一在某一pd值下，气隙放电电压出现极小值，巴申定律值下，气隙放电电压出现极小值，巴申定律 支持了支持了Townsend理论理论。气体介质的击穿气体介质的击穿15电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment在在 一定范围时，一定范围时，实验与理论符合的实验与理论符合的很好。很好。当当时时气体介质的击穿气体介质的击穿16电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory
16、of Electrical Insulation and Power Equipment如何理解如何理解 有最小值有最小值 达到一定值，才能自持放电。达到一定值，才能自持放电。 不变不变，l 虽然有效次数的比例大了，但是虽然有效次数的比例大了，但是 碰碰撞次数少了，撞次数少了，因此因此l 碰撞次数多了，但是成功率低了，碰撞次数多了，但是成功率低了， 即电离可能性小了，因此即电离可能性小了，因此在工程中的应用在工程中的应用高度真空高度真空加大气压加大气压消弱气体间隙消弱气体间隙碰撞电离过程碰撞电离过程 提高气隙的击穿电压提高气隙的击穿电压 气体介质的击穿气体介质的击穿17电力设备电气绝缘国家重点
17、实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentTownsend气体放电理论的适用范围气体放电理论的适用范围 以理论曲线和实测以理论曲线和实测曲线相比较，可以曲线相比较，可以看到，看到， 太太小和太小和太大时，曲线相差变大时，曲线相差变大，即大，即Townsend理理论不适用了。论不适用了。 气体介质的击穿气体介质的击穿18电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment碰撞电离为次要因素，强场下
18、的阴极发射为击穿的主要因素。碰撞电离为次要因素，强场下的阴极发射为击穿的主要因素。lTownsend理论理论放电应均匀充满整个气隙中放电应均匀充满整个气隙中，但，但是实际上是实际上 是贯通两极带有分枝的明亮细是贯通两极带有分枝的明亮细通道。通道。lTownsend理论理论放电过程放电过程的时的时间不应小于正离子穿过间隙间不应小于正离子穿过间隙 所需要的所需要的时间，但实际测得的放电时间远小于正离子迁移时间，但实际测得的放电时间远小于正离子迁移 需要的时间。需要的时间。 一一般认为，空气在般认为，空气在pd200cm133Pa后，击穿机理将后，击穿机理将改变，原因是空间电荷畸变电场的作用不能忽视
19、。改变，原因是空间电荷畸变电场的作用不能忽视。 太太小时小时 太太大时大时气体介质的击穿气体介质的击穿19电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipmentl气体击穿流注理论气体击穿流注理论 适用条件适用条件理论基础理论基础重要因素重要因素pd200cm133Pa 电子碰撞电离电子碰撞电离空间光电离空间光电离 空间电荷畸变电场空间电荷畸变电场 仍然为定性描述，无定量描述。仍然为定性描述，无定量描述。气体介质的击穿气体介质的击穿20电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Lab
20、oratory of Electrical Insulation and Power Equipment实验原理：实验原理： 图 59 放电云雾室结构示意图 1火花间隙 2石英窗 3电极 4玻璃壁 5接泵 6绝缘柱 1）充充H2O、乙醇，极性气体在带、乙醇，极性气体在带 电离子周围凝聚；电离子周围凝聚；2） 、 ，蒸汽，蒸汽饱和；饱和；3）改变电压作用时间。改变电压作用时间。1）放电开始时，可以看到一些彼放电开始时，可以看到一些彼 此独立的电离区，由阴极向阳此独立的电离区，由阴极向阳 极伸长，形状与电子崩模型大极伸长，形状与电子崩模型大 致相似，发展速度也和电子速致相似，发展速度也和电子速 度
21、相近度相近电子崩电子崩2）U，电离区头部增大，速度突然加快，几十倍电子崩增长，电离区头部增大，速度突然加快，几十倍电子崩增长 速度速度流注电子崩流注电子崩流注流注实验现象：实验现象：气体介质的击穿气体介质的击穿21电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment流注理论的物理概念流注理论的物理概念 电子崩空间电荷对电子崩空间电荷对电场的畸变电场的畸变 初电子崩初电子崩电场畸变电场畸变加强崩头、崩尾的电场加强崩头、崩尾的电场中间形成等离子区中间形成等离子区空间光电离空间光电离二次电子二
22、次电子崩头、崩尾（强电场）崩头、崩尾（强电场）更强的碰撞电离更强的碰撞电离二次电子崩二次电子崩汇入初崩汇入初崩光子所到之处，二次崩立即形成并发展光子所到之处，二次崩立即形成并发展等离子区向电极伸展等离子区向电极伸展形成高导电通道形成高导电通道流注形成流注形成击穿，有明亮的火花通道击穿，有明亮的火花通道气体介质的击穿气体介质的击穿22电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment流注的两种情况流注的两种情况外施外施电压电压 击击穿电压，初崩的头部穿电压，初崩的头部电场畸变电场畸变程度
23、大，在初崩崩头前方产生二次崩程度大，在初崩崩头前方产生二次崩二次崩二次崩汇入初崩汇入初崩由阴极向阳极发展。由阴极向阳极发展。阳极流注阳极流注阴极流注阴极流注外施电压外施电压= =击穿电压，电子崩走完整个间隙后，击穿电压，电子崩走完整个间隙后，空间电荷浓度才足够大，尾部电场加强，崩中空间电荷浓度才足够大，尾部电场加强，崩中部的光辐射作用在崩尾区产生二次崩，初崩尾部的光辐射作用在崩尾区产生二次崩，初崩尾部的正离子吸引二次崩头部的电子，二次崩汇部的正离子吸引二次崩头部的电子，二次崩汇入初崩，形成流注。由阳极向阴极发展。入初崩，形成流注。由阳极向阴极发展。气体介质的击穿气体介质的击穿23电力设备电气绝
24、缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment流注放电条件流注放电条件 初崩电初崩电子或离子浓度子或离子浓度应达到一定水平应达到一定水平复合的可能增加复合的可能增加光子光子才能使空间光电离足够多才能使空间光电离足够多 或或xc 初崩头部电荷达到一定数量时崩的长度。初崩头部电荷达到一定数量时崩的长度。上式得上式得不到定量解。不到定量解。气体介质的击穿气体介质的击穿24小结小结小结小结: : 气体介质的击穿气体介质的击穿 （1 1）汤逊理论（均匀电场）汤逊理论（均匀电场） 巴申定律（应用）巴申定律（
25、应用）（2 2）流注理论（不均匀电场）流注理论（不均匀电场）电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment主要问题：主要问题：主要问题：主要问题： 1、气体自持放电的基本条件是什么？、气体自持放电的基本条件是什么？2、什么是巴申定律？适用条件如何？、什么是巴申定律？适用条件如何？3、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？25电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulati
26、on and Power Equipmentl负电性气体的击穿负电性气体的击穿 电电子亲和力大的一些气体，如子亲和力大的一些气体，如CCl4、SO2、SF6等等，其，其电离能远没有电离能远没有He等惰性气体大，但其与空气的等惰性气体大，但其与空气的耐压耐压性比性比（相同（相同pd时）却显著的比时）却显著的比He等惰性气体的大。等惰性气体的大。现象现象主要原因主要原因电子亲和电子亲和力大，容力大，容易吸附电子生成负离子易吸附电子生成负离子气体介质的击穿气体介质的击穿26电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and
27、 Power Equipment有效电离有效电离系数系数= - 为为附着系数附着系数 到达阳极的电子数到达阳极的电子数 负离子：负离子： 正离子：正离子： 气体介质的击穿气体介质的击穿27电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment二次电子：二次电子： 即即只有只有才成立，才成立， = 为为临界条件临界条件。E增大 增大E增大 减小气体介质的击穿气体介质的击穿28电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulatio
28、n and Power Equipment曲线（曲线（1） 小小， - 与与 E 的关系的关系平缓平缓曲线（曲线（2） 大，大， - 与与 E 的关的关系陡系陡1 空气 2 SF6在压力p一定时，使=的电场强度就是这种气体的击穿场强。常压下空气的临界场强约为2.7106V/m，SF6的临界场强约为8.9106V/m。气体介质的击穿气体介质的击穿29小结小结小结小结: : 气体介质的击穿气体介质的击穿 （1 1）汤逊理论（均匀电场）汤逊理论（均匀电场） 巴申定律（应用）巴申定律（应用）（2 2）流注理论（不均匀电场）流注理论（不均匀电场）（3 3）负电性气体的击穿）负电性气体的击穿电力设备电气绝
29、缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment主要问题：主要问题：主要问题：主要问题： 1、气体自持放电的基本条件是什么？、气体自持放电的基本条件是什么？2、什么是巴申定律？适用条件如何？、什么是巴申定律？适用条件如何？3、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？4、负电性气体击穿的特点是什么？、负电性气体击穿的特点是什么？30电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and
30、 Power Equipment四四. .极不均匀电场中气体的击穿极不均匀电场中气体的击穿l极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电l极不均匀电场中气体的击穿极不均匀电场中气体的击穿 实际电气设备中，电场分布大多是不均匀的，如各实际电气设备中，电场分布大多是不均匀的，如各种带电金属件的尖角、高压架空输电线等，而且通常种带电金属件的尖角、高压架空输电线等，而且通常间隙距离很大，电场分布极不均匀。间隙距离很大，电场分布极不均匀。 极不均匀电场中，在电压还不足以导致击穿前，小极不均匀电场中，在电压还不足以导致击穿前，小曲率半径处电场最强曲率半径处电场最强，出现蓝紫色的晕光，称为电晕出现蓝紫色
31、的晕光，称为电晕放电。放电。气体介质的击穿气体介质的击穿31电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment电场强度强电场强度强碰撞电离碰撞电离电子迅速离开电子迅速离开留下正空间电荷。留下正空间电荷。l 极极不均匀电场中的电晕放电不均匀电场中的电晕放电 刚出现电晕时的电压称为电晕起始电压。随着外施电压升刚出现电晕时的电压称为电晕起始电压。随着外施电压升高，电晕层扩大。此时间隙中放电电流从微安级增大到毫安高，电晕层扩大。此时间隙中放电电流从微安级增大到毫安级。级。 电场越不均匀，间隙击
32、穿电压和电晕起始电压间的差别越电场越不均匀，间隙击穿电压和电晕起始电压间的差别越大。大。 针板电极系统，不同电压极性的影响。针板电极系统，不同电压极性的影响。 针针- -板间隙中针为正极性时电晕起始电压比针为负极性时板间隙中针为正极性时电晕起始电压比针为负极性时略高。略高。气体介质的击穿气体介质的击穿32电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipmentl 极极不均匀电场不均匀电场中气体的击穿中气体的击穿 针为负极性时，容易达到自持放电和电晕，但空间电荷使针为负极性时，容易达到自持放电
33、和电晕，但空间电荷使放电区的外部空间电场削弱，此后流注向平板电极推进困难，放电区的外部空间电场削弱，此后流注向平板电极推进困难，击穿电压较高。击穿电压较高。 针为正极性时，不容易达到自持放电和电晕，但空间电荷针为正极性时，不容易达到自持放电和电晕，但空间电荷使放电区的外部空间电场加强，此后流注向平板电极推进容使放电区的外部空间电场加强，此后流注向平板电极推进容易，击穿电压较低。易，击穿电压较低。 击穿的极性效应与电晕起始电压的极性效应刚好相反。击穿的极性效应与电晕起始电压的极性效应刚好相反。 输电线路与高压电器的外绝缘都属极不均匀场间隙，交流输电线路与高压电器的外绝缘都属极不均匀场间隙，交流电
34、压下击穿都发生在外施电压的正半周，考核绝缘冲击特性电压下击穿都发生在外施电压的正半周，考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。时应施加正极性的冲击电压。气体介质的击穿气体介质的击穿33电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment气体介质的击穿气体介质的击穿34小结小结小结小结: : 气体介质的击穿气体介质的击穿 （1 1）汤逊理论（均匀电场）汤逊理论（均匀电场） 巴申定律（应用）巴申定律（应用）（2 2）流注理论（不均匀电场）流注理论（不均匀电场）（3 3）负电性气体的击穿）负
35、电性气体的击穿（4 4）极不均匀电场中气体的电晕放电和击穿）极不均匀电场中气体的电晕放电和击穿 电晕起始电压：正针极性电晕起始电压：正针极性 高高 击穿电压：击穿电压： 负针极性负针极性 高高电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment35主要问题：主要问题：主要问题：主要问题： 1、气体自持放电的基本条件是什么？、气体自持放电的基本条件是什么？2、什么是巴申定律？适用条件如何？、什么是巴申定律？适用条件如何？3、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？、气体击穿的流注理论是什么？适用范围如何？4、负电性气体击穿的特点是什么？、负电性气体击穿的特点是什么？5、极不均匀电场下气体电源放电和击穿的特点有何不同？、极不均匀电场下气体电源放电和击穿的特点有何不同？气体介质的击穿气体介质的击穿电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment36
