第四章 近代电介质击穿理论

邓宏李波2015《近代电介质理论》DIELECTRIC STRENGTH AND INSULATION BREAKDOWN一、电介质击穿（Dielectric Breakdown ）UIOU bU b 为击穿电压（击穿电场E b =U b /d，d为介质厚度）导体电介质由绝缘体击穿时，当常数在低电压区满足：→⇒⇒∞→==Ubb dUdI U U dUdI击穿的分类：•本征击穿（Intrinsic Breakdown ）：电击穿；•非本征击穿：热击穿（Thermal Breakdown ）；•放电击穿（Discharge Breakdown ）•击穿是一种原子或分子聚集体的集体现象。

•“自愈现象”（Self-Healing ）：气体（包括一些液体介质），在电场的作用下被击穿，当外电场撤除后，气体介质又恢复其绝缘性能。

•固体介质的击穿是永久性的。

二、气体介质的击穿)/(2m A j )/(m V E IIIIII1E iE Sj bE 如电场很高，例如E>108V/m ，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N 随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大。

1002003004001010 1010 10 10 10 1010100 HGFEV Vs与初始引发有关着火电压VDCA常见的放电形式：AC 段属于非自持放电-火花放电自持放电正常辉光放电区EF 段-辉光放电欠正常的辉光放电区CD 段-电晕放电起辉电压异常辉光放电FG 段弧光放电GH 段放电维持电压辉光放电发光区域及光强分布图当辉光放电时，在放电管内形成明暗交替的辉光放电区。

其中包括II 负辉区、III 法拉弟暗区、IV 正柱区（等离子区）、I 阴极光膜和V 阳极辉区五个发光区。

其中前两者发光较强，以负辉区发光最强，是作为PDP 的主要发光源，等离子体显示板工作在II 、III 、IV 形成的负阻区。

汤申特(Townsend) 碰撞游离理论1. 碰撞游离的必要条件：EVE q W L L L E q W E W W ii i =⋅≥∴⋅⋅=≥ 电荷的运动距离—为：的作用下所积累的能量一个电荷在电场（分子的游离能量）（电子的积累能量），且满足：金属电极表面逸出电子∵•多级碰撞，如果碰撞能量较小但之间间隔周期很短，可能使分子游离；•电子与受激的中性分子碰撞，中性分子回到零位状态，而电子被加速能量增大，可使下一个中性分子游离；•两个受激的分子碰撞，一个交出能量，而另一个获得能量而游离。

碰撞游离的形式：＋－－－＋－＋＋2. 电子崩的形成：xC x C e n n x Ce n C x n n ααααααC0n n dxn dn dx dx n x =∴===+=∴=⇒000ln 时，当所产生的游离次数一个电子经过则：系数或游离系数）（电离碰撞游离的次数为一个电子单位距离产生；处的电子数为穿过距阴极；数为积上由阴极逸出的电子设：单位时间、单位面随着x 的增加，电子数按指数增加。

阴极表面初始电流密度—电流密度为：到达阳极的电子数为：单位时间、单位面积上0000c d c d c a d c a j e j e n q n q j e n n ααα⋅=⋅⋅=⋅==212121210010ln ln ln3.2.1d d j j d d j j e j e j j n d c d c c −−=−=∴⋅=⋅=←←←αααααα j . j j 2c0）（—（实验法）：—的方法求可确定一定，游离剂一定、电极间距）游离剂（光、热等引起对上式的讨论：自持放电：气体介质在阴极电子逸出（游离剂）的作用下产生放电，当游离剂去除后，气体介质的放电仍能够维持下去，这种现象叫做“自持放电”。

率很小，但，这种游离碰撞的几（第二游离系数）。

游离碰撞系数为游离，设会与中性分子碰撞产生正离子沿电场方向运动0≈ββ阴极上出现正离子堆积区堆积区的厚度=10-10m；电压=10-2V；堆积区的电场可达：E= 10-2V/ 10-10m=108V/m3. 自持放电条件：dc a c c e n n n n n n α⋅=Δ+=Δ到达阳极的电子数为：为：从阴极拉出的总电子数，则上拉出的电子数为设单位时间、单位面积阴极拉出电子）。

行从使阴极产生电子（即强这样强的电场，足以迫0产生的正离子数）（产生的电子数为：从阴极到阳极的间距中=−=−1dc c a en n n αγγγγαα⋅−⋅+=∴⋅−⋅=Δ）（）（游离系数）—表面游离系数（第三—表面拉出的电子数为设：一个正离子从阴极1 1 0d c c c d c e n n n e n n ddc ad c ce e n n e n n αααγγ⋅⋅−+=⋅−+=）（）（11110γα⋅−+=⋅=)1(10d ae j n q j γα⋅−+=⋅=)1(10d ae j n q j ，自持放电。

）（当光游离过程；时，）（当非自持放电；时，）（当讨论：011 .3,111 .2,0111 .100=⋅−+<>⋅−+>>⋅−+>γγγαααd d d e j j e j j e 自持放电的条件和物理意义1)1()1(11)1(=γ⋅−γ⋅−−=γ⋅−αααααd d dd de e ee e 自持放电条件自持放电条件一个电子从阴极出发后运动d 距离所产生的电子数这个电子运动距离d 后所产生的正离子数从阴极拉出的电子数从阴极拉出一个电子，正好可替代最初的表面游离剂！！4. 放电电压U b 的确定：())(11ln 011∗⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+==⋅−− γαγαd e d 可得：件：由气体介质自持放电条。

每单位距离的碰撞次数—气压；，碰撞之间的平均自由程—的碰撞游离次数一个电子经过单位距离—求AP P P=−∝λλα11EP B EP A U x x i ii eP A e P A ee x EU x x ⋅−⋅⋅−−−⋅⋅=⋅⋅=⋅==≥λλλα1数为：故每单位距离的碰撞次的几率为玻尔兹曼分布而电子行程大于电子的运动行程的必要条件是：一个电子产生碰撞游离⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+γ=⋅⋅⋅⋅−11ln *d eP A EP B ）有：带入（dE U b b ⋅=击穿电压()d P f d P A d P B U b ⋅=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⋅⋅⋅⋅=γ11ln ln 巴申（Paschen ）定律巴申（Paschen ）定律()d P f d P A d P B U b ⋅=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛γ+⋅⋅⋅⋅=11ln lnU b(p·d)U bmin理论实测p 1巴申定律的讨论：1.在均匀电场中，p 变化，U b =f (p ·d)，p 增加n 倍，d 下降n 倍，U b 不变。

2.巴申定律的物理意义：•每种气体的放电电压都存在一最小值U bmin ；•当d 一定，p=p 1，有最小放电电压，（电子的运动距离与单位距离电子的碰撞次数的共同效应最大）。

•p<p 1，距离增加，但碰撞次数减小，U b 增加。

•P>p 1，距离减小，但碰撞次数增加，U b 增加。

3. 当p 一定时，d=d 1，出现U bmin 。

•d>d 1，由于d 增加，E 下降，故U b 增加；•d<d 1，由于d 减小，碰撞次数减小，故U b 增加；特别是当d<λ时，几乎不发生碰撞。

4. 提高气体介质的击穿电压的途径：•利用高压气体（氮气）或低压气体（真空）作为气体介质；•采用耐高电压气体介质（CCl 2F 2、SF 6等分子半径大的气体）。

5. 不均匀电场中的气体放电（击穿）电晕、淡紫色辉光：U b =U i)/(2m A j )/(m V E IIIIII1E iE Sj bE 均匀场不均匀场1.不均匀电场中气体放电的特点：•在高电场区先产生电晕；•U 增大，电晕边缘出现增大，电晕边缘出现树枝状放电树枝状放电——辉光放电或火花放电；•U 进一步增大，树枝状放电连通第二极——最终击穿。

2. 从游离开始到击穿，随E 增加电流增大，但较慢。

3. 击穿电场强度与电极的形状、距离有关。

-++-空间电荷的形成：负针电极——正极板：针状尖端放电产生正离子和电子，在电场中电子的运动速度远大于正离子，故电子被正电极吸收后，空间仍存在正离子构成的电荷区。

正离子区不断靠近负针电极，电荷区的曲率半径R 增大，放电减小，U b 增加。

正针电极——负极板：空间电荷区向负极板运动，d 减小，电荷区曲率半径减小，放电容易，U b 减小。

结论：1.曲率半径小的电极放电容易；2.不对称电极，正针电极比负针电极先放电。

三、液体介质的击穿¾气体（空气）：E b =3×106V/m；¾工程纯变压器油：Eb=2 ×107V/m；¾非常纯液体：Eb=1 ×108V/m液体介质的分类：•工程纯液体介质：含有固相、气相、液相杂质；•去除气相的洁净液体介质；•纯净液体介质。

液体介质电流倍增的原因：•液体分子的碰撞游离；•阴极电子逸出形成碰撞游离；•液体介质本身的离解。

液体介质击穿的经验规律：•击穿电压与时间的关系：t ↑，U b ↓（含杂时特别明显）；•击穿电压与频率的关系：f ↑，U b ↓；•击穿电压与间距的关系：经验公式：U b =A+Bd（d<1mm ）fU bU bU b td1.工程纯液体介质的击穿杂质：气相、液相、固相——吉孟特（Gemant ）“小桥”理论1）气相杂质的影响d-+-+-+-+d+-2）液相杂质的影响d3）. 固体杂质的影响考克(KoK )等认为，在加了电压的液体中，如悬浮有介电常数比液体大的粒子，在静电力的作用下，克服扩散、粘度等的阻力，向电场强的阴极面小突起处移动，形成电极间小桥，使击穿场强降低。

b t B E 根据考克的计算，施加电压时间半径r 的粒子形成小桥在场强达到时击穿。

击穿场强正比于2222024)(ηA N E E r g t b b =−0E ——直流击穿场强kTE r g 2)1(2032=−2/3−rN、η、g 、A 分别为悬浮粒子的密度、粘度、电极面的突起造成的局部电场增加率和常数。

2.纯净液体介质的击穿：主要是游离离子的碰撞电离。

3.提高液体介质的纯度：•离心过滤；•纸过滤；•膜过滤；•压滤；•真空加热；•加活性剂。

实验室提纯法：•低气压下重复击穿——过滤；•长时间通直流（用电解法和电泳除去杂质）。

四、固体介质的击穿•固体介质的击穿电场大于液体和气体介质E b （气体）=3×106V/m E b （液体）=107-108V/m E b （固体）=108-109V/m•固体介质击穿是永久性的•从击穿过程看：-电场的破坏——变成导体——电击穿；-介质本身的破坏：a ）热破坏——热击穿；b ）机械破坏——机械击穿1、固体介质击穿的一般规律2、固体介质击穿的分类：3、电击穿的特点：电击穿必须满足：电导率γ小、tan δ小、散热好，无气隙和边缘放电。