气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿

第5章电介质的击穿气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿¾电介质的击穿介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。

¾击穿电压¾击穿场强：电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。

5.1 气体电介质的击穿¾正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。

气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电状态的过程。

击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比.击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。

平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称¾气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。

5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。

α如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。

类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。

电子崩模型右图所示，在电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾是正离子。

在强电场中出现电子崩α的过程称为过程。

这样的放电依赖于外界条件的，也称为非自持放电.（2）气体的自持放电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用，由γ过程和过程一起来决定气隙中的电流。

α放电由非自持转入自持的条件为：1)1(=−d eαγ)11ln(γα+=d 或在均匀电场中，这也就是气隙击穿的条件。

（3）击穿电压、巴申定律温度不变时均匀电场中气体击穿电压U是气体压b 力和间隙距离的乘积的函数，简记为：U=(pdf)b——这个规律在汤逊的碰撞电离理论提出之前已由物理学家巴申（Paschen）从实验中得到，故通常称为巴申定律。

巴申发现：气隙放电电压U b 与气压p 和气隙宽度d 的乘积pd 有关；在某一pd 值下，气隙放电电压出现极小值。

均匀电场中几种气体的U b ~pd 实验曲线汤逊理论与实验结果的比较实线---实验结果虚线---理论计算（4）汤逊气体放电理论的适用范围汤逊放电理论只适用于一定pd 范围内的气体放电.随着pd 的变化，击穿电压将出现极小值。

击穿电压的极小值为：min )(pd B U b =汤逊气体放电理论是在气压较低、pd 值较小条件下进行的放电实验基础上建立起来的。

2．气体击穿的流注理论流注理论是用来说明工程上常见的压力较高（大气压力附近）及间隙距离较大的气体击穿现象。

只限于对放电过程的定性描述。

（1）流注理论的实验基础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（2）流注放电的机理当电子崩发展到足够程度后，电子崩中出现了大量的空间电荷，电场明显畸变。

崩头的电子成为负空间电荷，它加强崩头电场；崩尾的正离子成为正空间电荷，它加强了崩尾的电场，而崩中部正、负电荷混合区域好似一个等离子区，电场被削弱。

电子崩空间电荷对电场的畸变二次电子崩形成示意图（3）自持放电条件流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是间隙击穿的条件。

在均匀电场中自持放电条件为:常数=c ax e ──初崩头部电荷达到一定数量时崩的长度c x3.电负性气体的击穿一般来说，电子亲和力大的一些气体，如含卤素的气体，其电离能远低于He等惰性气体，但其与空气的耐压比（相同pd时）却比He等惰性气体的大.在这类气体中，由于SF在性能上具有很多优点，6因此在高压电气设备中得到广泛应用。

5.1.2 极不均匀电场中气体的击穿极不均匀电场中，在电压还不足以导致击穿前，大曲率电极电场最强处已发展起相当强烈的电离现象，大量空间电荷的积聚使间隙中电场畸变，对放电过程的发展有很大影响。

针——板间隙中的电场分布是典型的极不均匀电场。

这种间隙中，针极附近的电场强度很高，而远离针极区域的电场强度则低得多，因此电离过程总是先从针极附近开始的。

1.极不均匀电场中的电晕放电电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。

开始发生电晕时的电压称为电晕起始电压。

电场越不均匀，间隙击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大。

针－板间隙中空间电荷的分布（a）负针－正板（b)正针－负板2.极不均匀电场中气体的击穿针－板间隙击穿电压与距离的关系随着电压升高，针极附近形成电晕后，不同极性下空间电荷对放电进一步发展所起的作用与电晕放电有所不同。

针为负极性时，流注通道的发展较为困难。

完5.2 液体电介质的击穿5.2.1 高度纯净去气液体电介质的电击穿理论1.碰撞电离开始作为击穿条件设电子电荷为e ，电子平均自由行程为，电场强度为E ，则碰撞电离的临界条件为：ChveE =λλ击穿场强为：M m A N M m S e v Ch e v Ch E i i b ρρλ)1()1(00−=−==Mm A N M m S e v Ch e v Ch E i i b ρρλ)1()1(00−=−==式中C——大于1的整数；S 0——分子常数2ah 0；m——组成分子的原子个数；ρ——液体的密度；M——液体的分子量；N 0——阿佛伽罗常数。

2. 电子崩发展至一定大小为击穿条件定义为液体介质上一个电子沿电场方向行径单位距离平均发生的碰撞电离次数，则正比于碰撞总数乘以电离几率，即λλαeE Chv e /1−=ααλ1λeE Chv e /−)/ln(λλA d e Chv E b =上式说明在其他参数一定时，E b ∝1/ln d ，即液体介质层的厚度减薄时，击穿场强应增大。

设击穿条件为Aad =式中d ——电极间距离；A ——常数λλb eE Chv e dA ad /−==发生击穿时5.2.2 含气纯净液体电介质的气泡击穿理论气泡击穿理论认为，不论由于何种原因使液体中存在气泡时总是气泡先发生电离，使气泡温度升高,体积膨胀，电离将进一步发展；而气泡电离产生的高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成更多的气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时，液体介质就能在此通道中发生击穿。

¾热化气击穿¾电离化气击穿1.热化气击穿当液体得到的能量（转化为热量）等于电极附近液体气化所需的热量时，便产生气泡。

夏博以产生气泡条件作为液体击穿条件，即：[]b m a bl T T c m AE +−=)(0τ式中n ——代表空间电荷影响的常数，其值约在1.5～2之间；——液体在电极粗糙处强场区滞留的时间；A ——常数； c ——液体比热；l b ——液体气化热；E b ——液体击穿场强。

ττ当液体温度升高时，击穿场强下降。

2. 电离化气击穿油在放电作用下产生低分子气体，其中主要是氢气、甲烷等，这种化气过程大致如下：C n H2n+2→C n H2n+1+H0C m H2m+2→C m H2m+1+H02 H0→H2↑C n H2n+1+ C m H2m+1→C n+m H2(n+m)+2对绝缘油击穿时的气体进行光谱分析，证明了不存在残留的空气及油的蒸气，主要存在的是氢气。

5.2.3工程纯液体电介质的杂质击穿工程用液体介质总或多或少含有一些杂质，在工程纯液体介质的击穿中，这些杂质起着决定性的作用。

1．水分的影响液体介质中含有水分时，如果水分溶解于液体介质中，则对击穿电压影响不大；如果水分呈悬浮状态，则使击穿电压明显下降。

水与纤维杂质共存时，水分的影响更为严重。

吉孟特专门研究了含水液体介质的击穿。

他的水桥击穿模型如下图所示。

与含水重量浓度m的关系变压器油Eb水桥击穿模型1—计算结果；2—实验结果工程用绝缘油含水时，在0~60范围内，随着温度的升高，水在油中溶解度增大，一部分悬浮状态的水变成溶解状态，相当于胶粒水珠的体积浓度下降，故击穿场强随温度升高而明显增加，约在60~80℃范围内出现最大值。

1—干燥的油；2—潮湿的油温度更高时，油中所含的水分汽化增多，又使击穿场强下降。

而纯净干燥变压器油在0~80℃范围内，E几b乎与温度无关。

2．固体杂质的影响杂质小桥击穿模型液体介质击穿场强与杂质粒子半径的r -3/2成正比工程上经常对液体介质进行过滤、吸附等处理，除去粗大的杂质粒子，以提高液体介质的击穿场强。

电场越均匀，杂质对击穿电压的影响越大，击穿电压的分散性也越大，而在不均匀电场中，杂质对击穿电压的影响较小。

完5.3固体电介质的击穿5.3.1固体电介质的击穿类型固体介质击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹常见的固体击穿形式有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起击穿等。

电介质击穿场强与电压作用时间的关系及不同击穿形式的范围如右图：固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系¾热击穿热击穿是由于电介质内部热不稳定过程所造成的。

当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高。

电介质的热击穿不仅与材料的性能有关，还在很大程度上与绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关。

¾电击穿•电击穿是在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。

•电击穿的主要特征是：击穿场强高（大致在5~15MV/cm范围），实用绝缘系统是不可能达到的；在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大。

•均匀电场中电击穿场强反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度，它仅与材料的化学组成及性质有关，是材料的特性参数之一，所以通常称之为耐电强度或电气强度。

¾不均匀电介质的击穿不均匀电介质击穿是指包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。

与单一均匀材料的击穿不同，击穿往往是从耐电强度低的气体开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。

5.3.2固体电介质的热击穿1.瓦格纳热击穿理论瓦格纳热击穿模型每秒钟内导电通道由于电流通过而产生的热量为：假设固体介质置于平板电极a 、b 之间，该介质有一处或几处的电阻比其周围小得多，构成电介质中的低阻导电通道。

d S U R U Q γ22124.024.0==——为电导率γ每秒钟内由导电通道向周围介质散出的热量与通道长度d ，通道平均温度T 与周围介质温度T 0的温差(T ﹣T 0) 成正比，即散热量为：dT T Q )(02−=β——散热系数β电介质导电通道的电导率与温度的关系：)(00TT t e−=αγγ0t γ——导电通道在温度T0时的电导率；α——温度系数对于不同的电压U 值，Q 1与T 的关系是一簇指数曲线，曲线1、2、3分别为在电压U 1、U 2、U 3（U 1＞U 2＞U 3）作用下，介质发热量与介质导电通道温度的关系。