电介质的击穿.
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。
两层电介质的击穿原理
两层电介质的击穿原理
两层电介质的击穿原理是指在两个电介质材料之间施加高电压时，当电压达到一定临界值时，电介质失去绝缘性能，电流迅速增加，形成击穿现象。
具体来说，两层电介质的击穿原理可以分为以下几个步骤：
1. 初始电离阶段：当施加电压时，两层电介质之间的电场强度逐渐增加，电场会将电介质中的原子或分子电离成正负电荷。
这些电离产生的自由电子和离子将形成电流，但电介质仍具有良好的绝缘性能。
2. 自由电子增多阶段：随着电场强度的继续增加，电介质中的电离现象逐渐增加，产生的自由电子的数量也随之增加。
自由电子能够在电场中自由移动，导致电介质的电导率增加。
3. 冲击离子产生阶段：当电场强度进一步增加，电离现象会继续增强，产生更多的离子。
这些离子可以与电介质中其他离子相互碰撞，产生冲击离子。
冲击离子的运动具有高的动能，可以撞击和激发电介质中的原子或分子，形成更多的自由电子和离子。
4. 雪崩阶段：当电场强度达到一定临界值时，电介质中的冲击离子和自由电子数量急剧增加，形成电离雪崩效应。
电离雪崩效应导致电流迅速增加，电介质失去了绝缘性能，形成击穿现象。
总结来说，两层电介质的击穿原理是在施加电压的作用下，电介质中的电离现象不断增加，导致电介质失去绝缘性能，电流迅速增加，形成击穿现象。
举出电介质中热击穿在生活中的例子
举出电介质中热击穿在生活中的例子电介质是一种在电场作用下具有绝缘性能的材料，在高电场下，电介质中可能发生热击穿现象，即电介质由于电场强度过大而导致局部区域温度升高，从而引发击穿现象。
以下是生活中常见的电介质热击穿的例子：1. 电线绝缘层击穿：在家庭用电中，电线绝缘层的材料通常为电介质，如塑料。
如果电线绝缘层老化或损坏，电场强度可能会超过电介质的击穿强度，导致绝缘层发生热击穿，甚至引发火灾。
2. 电器内部击穿：在电器中，如电视、冰箱等，电路板上也会存在电介质。
如果电路板设计不合理或电介质质量不好，电场可能会集中在某个位置，导致该位置的电介质发生热击穿，可能会损坏电器或引发安全隐患。
3. 电容器击穿：电容器是一种常见的电子元件，它由两个导体之间夹带电介质而成。
如果电容器电场强度过大，电介质可能发生热击穿，导致电容器损坏或产生火花。
4. 绝缘子击穿：在高压输电线路中，绝缘子起到支持导线和隔离电力的作用。
如果绝缘子的表面被污秽物覆盖或损坏，电场可能会集中在某些位置，导致电介质发生热击穿，引发绝缘子损坏或导线短路。
5. 电池热击穿：电池是一种常见的电源装置，内部也包含电介质。
如果电池内部发生故障或短路，电池可能会发生热击穿，导致电池变形、泄漏，甚至爆炸。
6. 电子元件击穿：在电子设备中，电子元件如二极管、晶体管等也会存在电介质。
如果电子元件内部电场强度过大，电介质可能会发生热击穿，导致元件损坏或失效。
7. 电力设备击穿：在电力系统中，如变压器、开关设备等也使用了电介质。
如果设备设计不合理或电介质质量不好，电场可能会在设备内部集中，导致电介质发生热击穿，引发设备故障或火灾。
8. 电线穿孔：在家庭装修中，如果电线直接穿过墙体或隔板，由于电场强度集中在穿孔位置，电介质可能会发生热击穿，引发短路或火灾。
9. 电力线路击穿：在高压输电线路中，如果电线间距过小或绝缘层破损，电场强度可能会超过电介质的击穿强度，导致电线之间发生热击穿，引发线路故障。
举出电介质中热击穿在生活中的例子
举出电介质中热击穿在生活中的例子电介质是指在电场作用下能够发生极化的物质，常见的电介质有空气、玻璃、橡胶等。
在生活中，电介质的热击穿现象是指电介质在电场作用下，由于电场强度过高导致电介质发生局部击穿，导致电流突然增大，产生大量热量，引发火灾或设备损坏等危险。
下面是几个电介质中热击穿在生活中的例子：1. 家用电器中的电击穿：在家用电器中，电介质的热击穿现象可能导致电器短路、电线熔断甚至引发火灾。
例如，在使用电熨斗时，如果电熨斗的电线绝缘层损坏，电流就会通过绝缘层发生热击穿，造成火灾。
2. 电力变压器中的热击穿：电力变压器中使用的绝缘材料通常是油纸绝缘，如果绝缘材料老化或受潮，电场强度就会增大，导致绝缘材料发生热击穿，造成变压器故障，甚至引发火灾。
3. 高压输电线路中的电击穿：在高压输电线路中，空气作为电介质，当电场强度高到一定程度时，空气中的分子会发生电离，产生电流，导致电介质的热击穿。
这种热击穿现象可能导致输电线路短路，造成停电或引发火灾。
4. 电容器中的电击穿：电容器中的电场强度过高时，电介质容易发生热击穿。
例如，电子设备中使用的电解电容器，如果电压过高或电容器质量不合格，可能发生电击穿，导致设备损坏或爆炸。
5. 火花塞中的电击穿：火花塞是内燃机中的重要部件，用于点火。
在工作过程中，火花塞中的电场强度会很高，如果电介质发生热击穿，可能导致点火不正常，引发发动机故障。
6. 绝缘子中的电击穿：在高压设备中，绝缘子用于支撑导线，防止电流通过。
当电场强度过高时，绝缘子中的电介质可能发生热击穿，导致设备故障或火灾。
7. 电子元器件中的电击穿：在电子设备中，电介质的热击穿可能导致电子元器件的损坏，影响设备的正常运行。
例如，电子电路中使用的电容器、继电器等元件，如果电介质发生热击穿，可能导致元件烧毁。
8. 充电宝中的电击穿：充电宝是现代生活中常见的便携式充电设备，其中使用的电池通常是锂电池。
如果充电宝的电路设计不合理或电池质量不过关，可能导致电介质的热击穿，引发充电宝爆炸或起火。
第三章固体电介质和液体电介质的击穿特性
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同
工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件 电子崩发展至一定大小为击穿条件
液体电介质
纯净的液体电介质
击穿机理
电击穿过程
工程用液体电介质（含杂质）
电击穿过程 气泡击穿过程
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
1.杂质
2.温度 3.电场的均匀程度 4.电压作用时间 5.压力
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
油中含有杂质，击穿电压就会显著降低!
通过标准油杯中 变压器油的工频击 穿电压来衡量油的 品质
引言
空气的耐电强度 液体介质的耐电强度 固体介质的耐电强度
10 — 30kV/cm左右； 100 — 200 kV/cm； 一百多 — 几千kV/cm
液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料。
液体、固体电介质的电气强度高，用它们作为绝缘介质，可以大 大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积。
二、影响液体介质击穿电压的主要因素 2.温度
①干燥的油 温度对有的击穿电压影响很小 ②受潮的油 冰－溶解－汽化＝击穿电压“N”形变化
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
3.电场均匀程度
电场愈均匀，杂质越易形成“小桥”， 杂质对油在工频电压下的击穿电压的影响愈大。
优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电 压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。
绝缘油的试验项目及标准
电介质的击穿
✓ 绝缘层：当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称为绝缘层。 ✓ 屏障：在油间隙中放置的尺寸较大的(与电极形状相适应)、厚度在
1~3mm的层压纸板或层压布板。
B.对固体电介质
✓ 改进制造工艺：如尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、 水分等，使介质尽可能均匀致密。这可以通过精选材料、改善工 艺、真空干燥、加强浸渍(油、胶、漆)等方法来达到。
调节电抗器的电感L或改变试 验电压的频率，达到谐振：
串联谐振回路原理图
L 1 CX
U X QU0
Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。
C.电压的波形
工频电压的波形：正弦波。
波形畸变影响介电强度试验结果：
✓ 高次谐波会降低击穿场强； ✓ 击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则
✓ 发生表面闪络； ✓ 边缘电场集中导致试样击穿发生在电极的边缘。
消除措施：
✓ 将电极边缘做成圆角； ✓ 将试样和电极浸入相对介电常数（或电导率）大、击穿场
强较高的液体媒质中。
常用液体媒质有变压器油，温度较高时采用硅油。 不能选用相对介电常数或电导率太大的媒质，以免 造成测量误差和设备损坏。
如引起媒质本身发热严重、保护电阻上电压降增大、以及试验变压器过载等问题。
聚异丁烯的EB与温度关系
B.湿度的影响
湿度增大，会使击穿场强下降。 （对液体电介质尤为明显，因为水分 的电导和介质损耗较大，会改变电场 分布。）
变压器油的击穿电压与含有 水分的关系
C.气压的影响
巴申定律：
U B f ( pS ) （p为气压，S为电极间距离）
S固定，改变p时：
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。
电介质击穿的例子
电介质击穿的例子电介质是一种具有较高电阻性质的物质，一般情况下不导电。
然而，在特定条件下，电介质也会发生击穿现象，即在电场强度达到一定值时，电介质内部会出现电流的瞬时放电现象。
下面列举了十个常见的电介质击穿的例子。
1. 空气击穿：空气是最常见的电介质之一，当电场强度达到约30 kV/cm时，空气中的分子会离子化并形成电流通路，导致电介质击穿。
这种击穿现象在雷电中尤其常见。
2. 水击穿：水也是一种常见的电介质，当电场强度达到一定值时，水中的离子会发生移动并形成电流通路，导致电介质击穿。
这种现象在高电压设备中可能会发生。
3. 油击穿：油是一种常用的绝缘介质，在高压设备中起着绝缘和散热的作用。
然而，当电场强度超过油的击穿强度时，油会发生击穿现象。
4. 绝缘纸击穿：绝缘纸是一种常用的绝缘材料，用于电力设备的绝缘保护。
然而，在高电压下，绝缘纸也会发生击穿现象，导致设备故障。
5. 绝缘胶击穿：绝缘胶是一种常见的绝缘材料，广泛应用于电线电缆的绝缘保护。
然而，在高电场强度下，绝缘胶也会发生击穿现象。
6. 陶瓷击穿：陶瓷是一种常见的绝缘材料，具有优良的耐高温和耐磨损性能。
然而，在极端条件下，如高温和高电压下，陶瓷也会发生击穿现象。
7. 陶瓷电容器击穿：陶瓷电容器是电子电路中常用的电子元件，具有良好的电介质特性。
然而，在过高的电场强度下，陶瓷电容器也会发生击穿现象。
8. 电缆击穿：电缆是电力传输和通信领域中常用的设备，具有良好的绝缘性能。
然而，在极端条件下，如高温和高电压下，电缆也会发生击穿现象。
9. 电力变压器击穿：电力变压器是电力系统中常用的设备，用于升降电压。
然而，在过高的电场强度下，电力变压器也会发生击穿现象。
10. 玻璃击穿：玻璃是一种常见的绝缘材料，广泛应用于建筑和家居装饰中。
然而，在极端条件下，玻璃也会发生击穿现象。
以上是十个常见的电介质击穿的例子。
电介质的击穿现象会导致设备故障和电击危险，因此在设计和使用电力设备时，需要合理选择和使用绝缘材料，以防止电介质的击穿现象的发生。
液体电介质的击穿理论
液体电介质的击穿理论
液体电介质：耐电强度高于气体
还有作用：绝缘、冷却、天弧
广泛矿物油：变压器油、电容器油、电缆油等
击穿问题不及气体、提高完善理论，纯情净的和工程用的
1．纯洁液体电介质电击穿理论
认为：液体电强场放射产生电子在电场中被加速，与液体分子碰撞电离
相机观看冲击电压下极不匀称电场中变压器油的击穿过程
① 尖电极四周电离开头阶段
② 流注进展阶段
③ 贯穿间隙阶段
2．纯洁液体电会介质气泡击穿孔机理论
外加电场高，介质内产生气泡，气泡=1,小于液体
气泡担当比液体高的场强，耐电又低，所以先电离，然后气泡体积膨胀，温度长高，电离又进一步进展使油分解为气体
所泡积累成通道，击穿孔机在通道内发生。
纯洁液体耐电强度高于常态气体
3．非纯洁液体电介质的小桥击穿理论
工程用电介质汲取气体、水分、混入杂质（如纤维），液体本身老化、分解——杂质的击穿有新的特点
认为：杂质在电场力作用下，在电场方向定向，沿电力线方向排列成小桥，水纤维介电常数比油大，杂质易极化而在电场方向定向排列，使泄露电流增加，小桥发热，油水局部沸腾汽化，击穿。
油间隙长，小桥畸变电场，降低击穿电压
统计性，分散性
小桥形成与电极外形，电压种类相关。
液体电介质的击穿特性
一 液体电介质的击穿特性
5、压力
油中含有气体时，不论电场是否均匀，其 工频击穿电压都随油的压力增大提高。这是由 于压力增大时，气体在油中的溶解量增大，并 且气泡的局部放电起始电压也增高之故。电场 越均匀，这种关系也越显著。但在冲击电压下， 压力对油间隙的击穿电压基本无影响。
一 液体电介质的击穿特性
思考
液体介质和气体介质相比，谁的击穿场强高， 为什么？
❖答：液体的击穿场强高。由于液体介质的密度比 气体的大得多，分子间的距离比气体的小得多，故 电子在其中运动的平均自由行程比在气体中短得多， 要使电子在较短的自由行程内获得能产生碰撞游离 所需要的能量，要求有更高的电场强度。所以液体 介质的击穿场强比气体的要高得多。
气泡击穿过程（小桥理论）
出现气泡
足够强的 气泡内的 电场作用 气体电离
电离进一步 发展
气泡温度升高 气泡体积膨胀
带电粒子 撞击液体分子
液体分解出气体
扩大气体通道
电离的气泡或在电极间形成连续小桥，或畸变了液体电介质中的 电场分布，导致液体电介质击穿。
可用气泡击穿理论解释，依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡 通道扩大并形成小桥，有热过程，属于热击穿范畴.
一 液体电介质的击穿特性
纯净液体的电气强度 很高，其击穿机理主 纯净液体电击穿：
纯净的液体电介质中总会存在一些离子，它们或由液体分子 受自然界中射线的电离作用而产生，或由液体中微量杂质受 电场的解离作用而产生。当电场强度超过1MV/cm时，液体 电介质中的自由电子，在电场作用下运动、加速、积累能量、 碰撞液体分子，而且以一定的概率使液体电介质的分子游离。 因碰撞游离而产生的正离子移动至阴极附近，增强了阴极表 面的场强，促使阴极发生的电子数增多，这样，电流急剧增 加，液体电介质推动绝缘能力，发生击穿。
电介质击穿
电介质击穿dielectric breakdown在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力的现象。
分为固体电介质击穿、液体电介质击穿和气体电介质击穿3种。
固体电介质击穿导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。
均匀电场中，击穿电压与介质厚度之比称为击穿电场强度（简称击穿场强，又称介电强度）。
它反映固体电介质自身的耐电强度。
不均匀电场中，击穿电压与击穿处介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体介质的介电强度。
固体介质击穿后，由于有巨大电流通过，介质中会出现熔化或烧焦的通道，或出现裂纹。
脆性介质击穿时，常发生材料的碎裂，可据此破碎非金属矿石。
固体电介质击穿有3种形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。
电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电质点而导致电介质失去绝缘性能。
热击穿是因在电场作用下，电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。
电化学击穿是在电场、温度等因素作用下，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最终丧失绝缘能力。
固体电介质的化学变化通常使其电导增加，这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。
温度和电压作用时间对电击穿的影响小，对热击穿和电化学击穿的影响大；电场局部不均匀性对热击穿的影响小，对其他两种影响大。
液体电介质击穿纯净液体电介质与含杂质的工程液体电介质的击穿机理不同。
对前者主要有电击穿理论和气泡击穿理论，对后者有气体桥击穿理论。
沿液体和固体电介质分界面的放电现象称为液体电介质中的沿面放电。
这种放电不仅使液体变质，而且放电产生的热作用和剧烈的压力变化可能使固体介质内产生气泡。
经多次作用会使固体介质出现分层、开裂现象，放电有可能在固体介质内发展，绝缘结构的击穿电压因此下降。
脉冲电压下液体电介质击穿时，常出现强力气体冲击波（即电水锤），可用于水下探矿、桥墩探伤及人体内脏结石的体外破碎。
气体电介质击穿在电场作用下气体分子发生碰撞电离而导致电极间的贯穿性放电。
其影响因素很多，主要有作用电压、电板形状、气体的性质及状态等。
电介质击穿名词解释
在强电场中，电介质会失去极化特征而成为导体，最后导致电介质的损坏（如晶格裂缝、氧化、熔化等）现象，这种现象称为电介质的击穿现象。
电介质的击穿有三种形式，即热击穿、化学击穿和电击穿。
热击穿是电介质的损耗引起的。
当损耗所产生的热量多于电介质向周围传递的热量时，电介质的温度迅速上升，电导率随之增加，甚至导致电介质的热损坏。
所以热击穿总是在电容器最不好的地方发生的。
化学击穿是电介质长期处于高压下工作之后出现的。
强电场会在电介质表面或内部的小孔附近引起局部的空气碰撞电离，从而引起电介质的电晕，生成臭氧和二氧化碳。
这些气体对有机绝缘材料是有害的，会使这些材料的绝缘性能降低，并损坏电介质。
电击穿是电介质在强电场作用下，被激发自由电子而引起的。
这时，电介质中出现的电子电流随电场的增加而急剧增大，从而破坏电介质的绝缘性能。
电介质物理》课件电介质的击穿
电击穿机制
电场作用下电介质击穿
在强电场的作用下，电介质内部的自由电子被加速，与晶格原子发生碰撞，导致 电子能量降低并产生新的电子-空穴对，这些新的电子-空穴对进一步与晶格原子 发生碰撞，产生更多的电子-空穴对，最终导致电介质击穿。
隧道效应
在强电场的作用下，电子通过隧道效应穿过势垒，形成导电通道，导致电介质击 穿。
03
影响电介质击穿的因素
电场强度
总结词
电场强度是影响电介质击穿的最主 要因素之一。
详细描述
随着电场强度的增加，电介质中的 电场会变得更强，导致电子更容易 获得足够的能量来克服电介质中的
束缚力，从而引发电介质击穿。
总结词
高电场强度下，电介质更容易发生 击穿。
详细描述
在强电场的作用下，电介质内部的 电子会被加速，获得足够能量后能 够克服电介质中的束缚力，形成导 电通道，导致电介质击穿。
03
热击穿
电击穿
冲击击穿
在强电场的作用下，电介质内部的热量积 累导致温度升高，当温度达到一定程度时 ，发生热击穿。
在强电场的作用下，电子获得足够的能量 ，直接导致电介质分子中的电子跃迁，形 成导电通道。
在雷电或操作过电压的作用下，电介质内 部的电流迅速增加，产生强烈的冲击波， 导致电介质瞬间击穿。
02
电介质物理》课件电介质的 击穿
目录
• 电介质击穿的基本概念 • 电介质击穿的物理机制 • 影响电介质击穿的因素 • 电介质击穿的预防与控制 • 电介质击穿的实验研究方法
01
电介质击穿的基本概念
定义与Байду номын сангаас性
01
02
定义
特性
电介质击穿是指电介质在强电场的作用下，丧失其绝缘性能的现象。
电介质的击穿
④ 附着——电子与中性原子、分子碰撞，由于原子有 较大的电子亲合力而形成负离子，放出能 量。
A e A ui ( AB) e ( AB) ui
11
气体介质的电击穿
外电场使自由电子加速运动，动能增加并与原子（粒子） 发生碰撞，当核外电子所获能量大于克服原子核束缚所需 能量时，引起碰撞电离。
碰撞电离系数：一个电子在电场力作用下，走过单位距 离所产生的碰撞电离次数。又称汤逊第 一电离系数 单位：1/米
电子自由行程x：电子在两次碰撞间所走过的路程。 自由行程愈大电子获得能量愈大 碰撞电离次数增加碰撞电离系数增大
12
气体介质的电击穿
碰撞电离条件：
1 m 2
2
qEx ui
强度。Ap 为的极限值 离子碰撞电离系数——汤逊第二电离系数， 由于离子质量大， ，故对载流子贡献小。
14
气体介质的电击穿
光致电离
频率为的光照射气体时，当光子能量大于气体分
子电离能时：
h ui
可引起气体光致电离：
A h A e
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。
X绝H缘4P改子）1-2剖善与40面措电耐图污施极型：的布置X缘，H子即P电1电-2场4场0分耐的布污图均型匀绝度有X绝关H缘P。子1-2电40位耐分污布型图 改善沿面电场分布，避免表面沾污，延长沿面距离。
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实验观察结果：
气体介质的电击穿
• 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
举出电介质中热击穿在生活中的例子
举出电介质中热击穿在生活中的例子电介质是一种具有较高电阻性能的物质，常见的电介质有玻璃、橡胶、塑料等。
在生活中，热击穿是指电介质在电场作用下，由于电介质内部的局部电场强度超过其击穿强度而导致的破坏现象。
下面将以不同场景为例，具体说明电介质中热击穿在生活中的应用。
1. 电子设备中的绝缘材料：电子设备中的绝缘材料通常采用电介质来实现，如电视机、计算机、手机等。
这些设备的电路板上通常涂有一层绝缘胶漆，以防止电流短路等问题。
当电流通过绝缘材料时，由于电场的存在，可能会导致绝缘材料中的电介质发生热击穿现象。
2. 电缆绝缘材料：电缆是电力传输的重要工具，电缆绝缘材料常采用电介质来实现。
例如，电线电缆中的绝缘材料常采用塑料或橡胶。
当电缆中的电流过大或电场强度过高时，电缆绝缘材料可能发生热击穿现象，导致电缆故障。
3. 电力变压器中的绝缘材料：电力变压器是电力系统中的重要设备，其中的绝缘材料通常采用电介质来实现。
在变压器运行过程中，由于电场的存在，绝缘材料中可能发生热击穿现象，导致变压器故障，甚至引发火灾等危险。
4. 电容器中的绝缘材料：电容器是电路中常用的元件，其中的绝缘材料通常采用电介质来实现。
当电容器中的电场强度超过电介质的击穿强度时，电介质可能发生热击穿现象，导致电容器故障。
5. 绝缘子中的绝缘材料：绝缘子是电力系统中用于支撑电力线路和设备的绝缘支持物，其中的绝缘材料常采用电介质来实现。
由于气候变化、污秽等因素，绝缘子表面可能积聚了一层灰尘或污垢，导致绝缘子表面的电场强度增加，进而引发绝缘子热击穿现象。
6. 电容触摸屏的绝缘材料：电容触摸屏是现代智能设备中常用的输入方式。
触摸屏上的绝缘材料通常采用电介质来实现。
当用户触摸屏幕时，由于手指的电流作用，电场强度可能超过绝缘材料的击穿强度，导致绝缘材料热击穿，触摸屏失去响应。
7. 电力系统中的避雷器绝缘材料：避雷器是保护电力设备免受雷击的重要装置，其中的绝缘材料常采用电介质来实现。
名词解释电介质的击穿
名词解释电介质的击穿电介质的击穿是指当电场强度超过电介质所能承受的临界值时，电介质将会发生电击穿现象。
电介质是物质中的一种，可以是固体、液体或气体，具有较高的电阻性能，能够在不充分电的情况下维持电荷的分布和电场的存在。
然而，当电场强度超过其承受能力时，电介质会失去其绝缘特性，电荷将得以通过电介质导电，从而导致电击穿现象的发生。
电击穿是电气技术中一个非常重要的现象，在很多领域都起着关键作用。
了解电介质的击穿现象有助于我们改进电气设备和系统的设计，提高其安全性和可靠性。
一、电介质击穿的成因电介质的击穿现象主要有以下几种成因：1. 电击自发放电：当电介质中的电场强度达到一定程度时，电介质分子中的电子被强电场激发，从而离开其原位形成自由电子，引发电击穿。
2. 断裂击穿：电介质中存在微观缺陷或外部应力作用时，电场强度集中在这些缺陷或应力周围，造成电介质局部击穿。
3. 热击穿：当电场强度很高时，电介质中的电流会产生较大的热量，导致局部温度升高，电介质无法将热量有效散发，最终导致电介质局部击穿。
4. 温升击穿：在交流电场中，电介质的极性会周期性变化，当电场强度足够高时，电介质不断受到能量的输入，导致其温度升高，最终引发电击穿。
二、电击穿的影响和应对措施电击穿现象对电气设备和系统的安全运行会产生很大的影响，可能导致设备的损毁、线路的中断、系统的故障等。
因此，为了避免电击穿的发生，我们可以采取以下措施：1. 选用合适的电介质材料：不同的电介质具有不同的电击穿强度，正确选择合适的电介质材料可以提高电气设备的抗电击穿能力。
对于特定的应用场景，可以通过优化电介质材料的组分、结构和制备工艺来提高其电击穿强度。
2. 加强设计和绝缘：在电气设备的设计过程中，应充分考虑电介质的击穿问题，采取合适的绝缘措施，如增加绝缘距离、引入绝缘涂层、采用电介质缓冲层等，以提高电气设备的绝缘性能和防护能力。
3. 控制电场强度：通过控制电场强度，可以有效地避免电击穿的发生。
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移圈调压器原理图
（3）控制线路
满足要求：
✓ 只有在试验人员撤离高压试验区，并关好安全门之后，才 能加上电压进行试验。
✓ 升压必须从零开始，以一定方式和速度上升。 ✓ 在试样发生击穿时，能自动切断电源；在自动控制线路中，
能自动是电压下降到零。
了解：非自动和自动调压介电强度试验原理（见P79~80）
计算机在介电强度试验的控制系统中应用：采用单片机或微机控制 步进电动机带动调压器实现升压、降压过程。
S UI U 2Cx
绝缘材料击穿试验通常选取容量为10kV·A的变压器。 对与大电容试样的耐压试验，采用超低频正弦电压，可以大大 降低变压器的容量。（如采用0.1Hz超低频电压，变压器容量可 减小到50Hz时的1/500。）
B.变压器的电压
额定电压等级是根据试样的试验电压等级来选定，通常选取 50~100kV。采用多台变压器串接可获得更高的试验电压。
缺点：输出电流较大时，触点在移动 过程中因接触不好会产生火花。
自耦调压器原理
B.移圈调压器（容量较大）
原理：靠移动短路线圈改变其他两个 线圈的漏磁通，从而改变在这两个线 圈上的电压分配来实现调节输出电压。
优点：调压过程靠电磁耦合，不会出 现火花，容量可做得很大。 缺点：漏抗较大，波形易产生畸变。
移圈调压器结构图
（因直流下只有电导损耗）
✓ 冲击电压下因作用时间短，热的积累效应 和局部放电造成的破坏还来不及形成，其 EB高于直流和和工频交流下的EB。
✓ 电压频率越高，介质损耗越大， EB越低。
击穿场强与频率的关系
工程上绝缘材料的击穿场强通常是指工频电压下的击穿场强。
（2）Байду номын сангаас压作用时间
电击穿的时间很短，可以在10-7~10-9s 内发生。热击穿因热的累积需要较长 时间，随着时间增长，EB明显下降。
电子材料测量技术
第三章 介电强度试验
❖电介质的击穿 ❖试样和电极 ❖工频电压下的介电强度试验 ❖直流电压下的介电强度试验 ❖冲击电压下的介电强度试验 ❖叠加电压下的介电强度试验 ❖高电压试验室
本节课内容
➢工频电压下的介电强度试验 ❖试验设备与装置 ❖工频高电压的测量
➢直流电压下的介电强度试验 ❖直流高电压试验装置 ❖直流高电压的测量
k为调压器的电压比； Us为电源电压； U2为激磁电流流经调压器产生的电压降。
调压器的漏抗越大，波形畸变越严重。在调压器和试验变压 器之间接入滤波器可改善电压波形。
（2）调压器
用来调节电压上升的方式和速度，接在试验变压器和电源之间。
常用调压器：自耦调压器和移圈调压器。
A.自耦调压器
原理：借助于一个滑动触点沿着绕组 移动来改变输出电压。 优点：结构简单、体积小、漏抗小、 价格便宜。
（要求测量误差不超过3%，测量用仪表一般要求为0.5级）
固体电介质击穿的形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。
（1）电击穿：
由碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏介质晶格结 构导致击穿。 主要特征：击穿电压高、击穿过程极快、击穿前发热不显著、击 穿场强与电场均匀程度密切相关而与周围环境温度无关。
本节课内容
一、试验设备与装置
试验设备与装置：高压试验变压器、调压器以及控制线 路和保护装置。 （1）高压试验变压器：
要求：具有足够的额定电压和容量，且输出电压的波形没有畸变。
A.变压器的容量
指变压器在额定电压电流的情况下的视在功率。 （视在功率：交流电路中，电压和电流的乘积，或者说有功功率 和无功功率的矢量和，单位为V·A或KV·A。)
➢概述 ➢气体电介质的击穿 ➢液体电介质的击穿 ➢固体电介质的击穿 ➢影响介电强度的因素 ➢试样、电极和升压方式的选择
影响介电强度的因素
影响因素：电压波形及频率、电压作用时间、电场的均匀 性及电压的极性、试样的厚度与不均匀性、环境条件等。
（1）电压波形及频率
✓ 直流电压下的EB高于工频交流电压下的EB。
同一峰值电压测得的有效值就不同了。
波形因素：正弦波电压的峰值与有效值之比。
U幅值 2U有效
通常要求波形因素不超过： （2 1 5%）
波形畸变的原因：变压器的非线性激磁电流造成的。
试验变压器的输入电压为：
U1 k(Us U2 )
变压器的磁化曲线：a)磁通与激磁电流 的关系；b)磁通及激磁电流的波形
（4）保护和接地
✓ 在试验回路的低压部分可能出现高电压的地方接上放电间隙。 ✓ 在高压测试回路中应接保护电阻。 ✓ 接地点和接地体的连接线应采用尽量短的多股线，以减小电
阻和电感。 ✓ 高压试验区应装有保护围栏，并备有接地棒。
二、工频高电压的测量
测量方法：静电电压表法、球隙测量法、互感器测量法、 分压器法、测量绕组法。
Et
E (1
a 4t
)
聚乙烯的击穿场强与电 压作用时间的关系
E∞为加压时间足够长击穿电压达到稳定时的最小击穿场强 a为常数，t为加压时间， Et为加压时间t时的击穿场强。
（3）电场的均匀性及电压的极性
不均匀电场下的击穿场强低于均匀电场下的本征击穿场强。 在不均匀电场下，直流和冲击电压的极性对击穿电压有明显影响。
串接变压器原理图
两台变压器串接输出的视在功率：
S 2UI
设备容量的利用率： 2UI / 3UI 2 / 3
注意：串接的级数增加，输出的电压增高，但设备容量的
利用率降低。
我国目前最高工频试验电压达2250kV（采用三台变压器串接）
对于电容量较大的试样，可以通过串联谐振回路获得比试验变 压器更高的电压。
调节电抗器的电感L或改变试 验电压的频率，达到谐振：
串联谐振回路原理图
L 1 CX
U X QU0
Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。
C.电压的波形
工频电压的波形：正弦波。
波形畸变影响介电强度试验结果：
✓ 高次谐波会降低击穿场强； ✓ 击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则
正极性
负极性
针尖对平板电极系统
当针尖电极为正极性时，击穿电压要比针尖电极为负极性时低。
（4）试样的厚度与不均匀性
试样的厚度增加，会增加材料散热的困难， 也会增加电场的不均匀度，试样内部含有缺 陷的几率增大，从而使EB下降。
EB
UB d
Ad n1
绝缘纸的EB与厚度的关系
A为常数，d为试样厚度，n随材料性质、电压波形、及厚度范围在0.3~1.0范围内取值。