电介质及其介电特性-击穿
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4
C om m ent 1 cm gap. B reakdow n by electron avalanche by im pact ionization U sed in high voltage circuit breakers to avoid discharges L iquid dielectric used as oil filler and H V pipe cables
电介质理论及其应用
9
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α：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α增大
电介质理论及其应用
21
气体介质的电击穿 由自持放电条件， α与p 关系，及均匀电场条件
UB/kV
EB =
UB d
可得气隙放电电压：
实验曲线
U
B
=
ln[
Bpd Apd ln( 1 + 1 )
理论计算
]
pd/cm.mmHg
γ
为什么附着电子性强的气体具有高耐压比？
电介质理论及其应用
22
气体介质的电击穿
23
气体介质的电击穿
（1）阳极流注的形成
① 初崩接近阳极时，崩中部的光辐射作用在崩尾产 生二次崩。 ② 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
① 初崩中部的光辐射作用在其崩头前方产生了二次 崩。 ② 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。
电介质理论及其应用
1 1 2 mυ = kT 2 2
若两个粒子碰撞时总能量
kT ≥ u i
时，气体发生热电离。 热电离是极高温度下的现象，上万度以上才有显 著的热电离发生。
电介质理论及其应用
14
气体介质的电击穿
电极表面发射
场致发射： 热电子发射： 光致发射：
J = AE e
J = AT e
hν ≥ u i
2 −B / E
= Ap
电介质理论及其应用
11
气体介质的电击穿 电子碰撞电离系数：
α = Ape
−
Bp E
式中：p为 压力， A、B 为与E、p无关的函数，E为电场 强度。Ap 为α的极限值 离子碰撞电离系数β——汤逊第二电离系数， 由于离子质量大，β << α ，故β对载流子贡献小。
电介质理论及其应用
12
气体介质的电击穿
(-)
电介质理论及其应用
26
气体介质的电击穿 a） 空 气 中 电 晕 b） 油 中 电 晕
电介质理论及其应用
针尖尺寸与电晕放电脉冲
27
气体介质的电击穿
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。 耐污型 XHP1-240耐污型 XHP1-240耐污型绝 耐污型绝 XHP1-240耐污型 耐污型
U UB
0
I
dU dI
→0
2
电介质理论及其应用
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。 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 光、热、机械力，等离子体 对细胞膜的作用
电介质理论及其应用
8
+
气体介质的电击穿 ③ 复合——正离子与电子碰撞复合成中性原子或分子， 并放出能量。
A + + e → A + ∆ui ( AB ) + + e → ( AB ) + ∆ u i
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 ) − + ∆ u i
与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度有关
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
电介质理论及其应用
5
概述
电击穿
气体介质击穿理论
固体介质击穿的理论模型
汤逊理论
流注理论 本 征 电 击 穿 模 型 碰 撞 电 离 雪 崩 击 穿 隧 道 效 应 击 穿 击 穿 理 论 研 究 进 展
电介质的击穿
1. 概述 2. 气体介质的电击穿 3. 固体介质的电击穿 4. 电介质的热击穿
电介质理论及其应用
1
概述
1.概述 1.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。 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：
阴 极 发 射 初 始 电 子
二 次 电 子 自 持 放 电
阳 极 流 注 的 形 成
阴 极 流 注 的 形 成
电介质理论及其应用
6
气体介质的电击穿
2.气体介质的电击穿
表现形式： 火花放电，辉光放电，电晕放电，电弧放电 2.1 汤逊理论——碰撞电离 （1）载流子的产生过程 （2）电子附着效应 （3）碰撞电离理论模型
电介质理论及其应用
20
气体介质的电击穿
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UB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。
n s = γn e (e
电介质理论及其应用
αd
− 1)
18
气体介பைடு நூலகம்的电击穿
自持放电条件：
则 当
n0 ne = 1 − γ (eαd − 1)
j 0 e αd Jd = 1 − γ (e αd − 1)
时， 达到放电条件 为自持放电条件。
1 − γ (e αd − 1) = 0
Jd → ∞
故
γ (e
电介质理论及其应用
7
气体介质的电击穿
（1）载流子的产生过程
碰撞电离，光致电离，热电离，电极表面发射
碰撞电离
碰撞后粒子的变化过程： ① 激发——电子得到能量后，跃迁到更高的能级上， 原子、分子成为激发态。 ② 电离——电子脱离原子核束缚成为自由电子，失去 电子的原子、分子成为离子。
∆ui + A → A + + e ∆ u i + ( AB ) → ( AB ) + e
79.3 >138 128 10
10 M V cm -1 duration of 10µ s 6 M V cm -1 duration of 30 s 295-314 kV cm -1
电介质理论及其应用
概述
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）
介质电流 介质加热 电导增加 电流增大 介质破坏
光致电离
频率为ν的光照射气体时，当光子能量大于气体分 子电离能时：
hν ≥ u i
可引起气体光致电离：
A + hν → 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。
电介质理论及其应用
13
气体介质的电击穿
热电离
按气体分子能量均分原理，气体温度为T时，分子动能：
电介质理论及其应用
16
气体介质的电击穿
（3）碰撞电离理论模型
阴极有n0个电子，经碰撞电离 到达阳极产生
n0 x 0 nd dn(x) dx x d 电极间载流子分布 +
n d = n 0 e α d 个电子
电流密度：
J d = J o e αd
由介质击穿一般条件：
dU dI
→0
Jd → ∞
要求α → ∞
电介质理论及其应用
10
气体介质的电击穿 碰撞电离条件： 1 mυ 2 = qEx ≥ u = qU i I
ui为电离能， UI为电离电位
2
kT 电子的平均自由行程： λ = πr 2 p
其中：k—波尔兹曼常数，T—绝对温度， r—分子半径，p—气体压力
πr 2
kT = A， = B,
令
AU
I
则
1
λ
24
气体介质的电击穿
流注形成的条件即为自持放电的条件：
①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。 ②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
Ae
αd
=1
，即 eαd > 108时，
αd = ln(1 / A) = 20
放电过程将由于空间光电离而导致转入自持放电。
故不可能由碰撞电离产生击穿
电介质理论及其应用
17
气体介质的电击穿
电子增殖过程：
阴极发射n0个电子，碰撞产 生正离子，正离子撞击阴极 表面产生ns个二次电子，则 阴极表面发射ne=n0+ns个电 子。
(+) (-)
电子的倍增过程
ne个电子经过 α 作用到达阳极时增加为nee α d 个电子， 则有 nee α d- ne个正离子回到阴极产生二次电子：
αd
− 1) = 1
电介质理论及其应用
19
气体介质的电击穿
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eαd 个电子、正离子；其中除第一个初始电子外 的(eαd -1)个正离子回到阴极，通过γ作用，产生出γ(eαd -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。
电介质理论及其应用
3
概述 典型介质的介电强度（室温、1 atm)
D ielectric M edium A tm osphere at 1 atm pressure SF 6 gas Polybutene （聚丁烯) T ransform er oil A m orphous silicon dioxide (SiO 2 ) in M O S technology （非晶二氧化硅） B orosilicate glass （硼硅玻璃） Polypropylene （聚丙烯） D ielectric Strength 37.1 kV cm -1 at 60H z kV cm -1 at 60H z kV cm -1 at 60H z kV cm -1 M V cm -1 dc at 60H z V ery thin oxide film s w ithout defects. Intrinsic breakdow n lim it. Intrinsic breakdow n. T herm al breakdow n. L ikely to be therm al breakdow n or electrical treeing.
2 ( βs E / kT−φD )
其他具有足够能量的粒子撞击电极表面，引起电极 发射。用系数γ反映电极发射的能力，称为汤逊第三电离 系数。 功函数小的金属材料作电极，易产生表面发射。
电介质理论及其应用
15
气体介质的电击穿
（2）电子附着效应
电子亲和力大的元素，吸附电子而形成质量大、速度 慢的负离子（氧、SF6）； 使自由电子数减少，电离降低，抑制电流倍增。 电子附着系数 η ：在电场作用下，电子走过单位距离 附着于中性粒子的电子数，即生成的负离子数或减少 的电子数。 电离使电子增加dn=n αdx, 附着使电子数减少dn-=n η dx 故电子净增为： dn- dn-= n （α- η ）dx 相当于使电离系数α减小。
电介质理论及其应用
25
气体介质的电击穿
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。
(+)
(-) 负针尖放电
(+) 正针尖放电
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>108 ， 最后形成很窄击穿通道。
电介质理论及其应用
C om m ent 1 cm gap. B reakdow n by electron avalanche by im pact ionization U sed in high voltage circuit breakers to avoid discharges L iquid dielectric used as oil filler and H V pipe cables
电介质理论及其应用
9
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α：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α增大
电介质理论及其应用
21
气体介质的电击穿 由自持放电条件， α与p 关系，及均匀电场条件
UB/kV
EB =
UB d
可得气隙放电电压：
实验曲线
U
B
=
ln[
Bpd Apd ln( 1 + 1 )
理论计算
]
pd/cm.mmHg
γ
为什么附着电子性强的气体具有高耐压比？
电介质理论及其应用
22
气体介质的电击穿
23
气体介质的电击穿
（1）阳极流注的形成
① 初崩接近阳极时，崩中部的光辐射作用在崩尾产 生二次崩。 ② 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
① 初崩中部的光辐射作用在其崩头前方产生了二次 崩。 ② 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。
电介质理论及其应用
1 1 2 mυ = kT 2 2
若两个粒子碰撞时总能量
kT ≥ u i
时，气体发生热电离。 热电离是极高温度下的现象，上万度以上才有显 著的热电离发生。
电介质理论及其应用
14
气体介质的电击穿
电极表面发射
场致发射： 热电子发射： 光致发射：
J = AE e
J = AT e
hν ≥ u i
2 −B / E
= Ap
电介质理论及其应用
11
气体介质的电击穿 电子碰撞电离系数：
α = Ape
−
Bp E
式中：p为 压力， A、B 为与E、p无关的函数，E为电场 强度。Ap 为α的极限值 离子碰撞电离系数β——汤逊第二电离系数， 由于离子质量大，β << α ，故β对载流子贡献小。
电介质理论及其应用
12
气体介质的电击穿
(-)
电介质理论及其应用
26
气体介质的电击穿 a） 空 气 中 电 晕 b） 油 中 电 晕
电介质理论及其应用
针尖尺寸与电晕放电脉冲
27
气体介质的电击穿
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。 耐污型 XHP1-240耐污型 XHP1-240耐污型绝 耐污型绝 XHP1-240耐污型 耐污型
U UB
0
I
dU dI
→0
2
电介质理论及其应用
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。 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 光、热、机械力，等离子体 对细胞膜的作用
电介质理论及其应用
8
+
气体介质的电击穿 ③ 复合——正离子与电子碰撞复合成中性原子或分子， 并放出能量。
A + + e → A + ∆ui ( AB ) + + e → ( AB ) + ∆ u i
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 ) − + ∆ u i
与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度有关
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
电介质理论及其应用
5
概述
电击穿
气体介质击穿理论
固体介质击穿的理论模型
汤逊理论
流注理论 本 征 电 击 穿 模 型 碰 撞 电 离 雪 崩 击 穿 隧 道 效 应 击 穿 击 穿 理 论 研 究 进 展
电介质的击穿
1. 概述 2. 气体介质的电击穿 3. 固体介质的电击穿 4. 电介质的热击穿
电介质理论及其应用
1
概述
1.概述 1.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。 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：
阴 极 发 射 初 始 电 子
二 次 电 子 自 持 放 电
阳 极 流 注 的 形 成
阴 极 流 注 的 形 成
电介质理论及其应用
6
气体介质的电击穿
2.气体介质的电击穿
表现形式： 火花放电，辉光放电，电晕放电，电弧放电 2.1 汤逊理论——碰撞电离 （1）载流子的产生过程 （2）电子附着效应 （3）碰撞电离理论模型
电介质理论及其应用
20
气体介质的电击穿
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UB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。
n s = γn e (e
电介质理论及其应用
αd
− 1)
18
气体介பைடு நூலகம்的电击穿
自持放电条件：
则 当
n0 ne = 1 − γ (eαd − 1)
j 0 e αd Jd = 1 − γ (e αd − 1)
时， 达到放电条件 为自持放电条件。
1 − γ (e αd − 1) = 0
Jd → ∞
故
γ (e
电介质理论及其应用
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气体介质的电击穿
（1）载流子的产生过程
碰撞电离，光致电离，热电离，电极表面发射
碰撞电离
碰撞后粒子的变化过程： ① 激发——电子得到能量后，跃迁到更高的能级上， 原子、分子成为激发态。 ② 电离——电子脱离原子核束缚成为自由电子，失去 电子的原子、分子成为离子。
∆ui + A → A + + e ∆ u i + ( AB ) → ( AB ) + e
79.3 >138 128 10
10 M V cm -1 duration of 10µ s 6 M V cm -1 duration of 30 s 295-314 kV cm -1
电介质理论及其应用
概述
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）
介质电流 介质加热 电导增加 电流增大 介质破坏
光致电离
频率为ν的光照射气体时，当光子能量大于气体分 子电离能时：
hν ≥ u i
可引起气体光致电离：
A + hν → 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。
电介质理论及其应用
13
气体介质的电击穿
热电离
按气体分子能量均分原理，气体温度为T时，分子动能：
电介质理论及其应用
16
气体介质的电击穿
（3）碰撞电离理论模型
阴极有n0个电子，经碰撞电离 到达阳极产生
n0 x 0 nd dn(x) dx x d 电极间载流子分布 +
n d = n 0 e α d 个电子
电流密度：
J d = J o e αd
由介质击穿一般条件：
dU dI
→0
Jd → ∞
要求α → ∞
电介质理论及其应用
10
气体介质的电击穿 碰撞电离条件： 1 mυ 2 = qEx ≥ u = qU i I
ui为电离能， UI为电离电位
2
kT 电子的平均自由行程： λ = πr 2 p
其中：k—波尔兹曼常数，T—绝对温度， r—分子半径，p—气体压力
πr 2
kT = A， = B,
令
AU
I
则
1
λ
24
气体介质的电击穿
流注形成的条件即为自持放电的条件：
①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。 ②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
Ae
αd
=1
，即 eαd > 108时，
αd = ln(1 / A) = 20
放电过程将由于空间光电离而导致转入自持放电。
故不可能由碰撞电离产生击穿
电介质理论及其应用
17
气体介质的电击穿
电子增殖过程：
阴极发射n0个电子，碰撞产 生正离子，正离子撞击阴极 表面产生ns个二次电子，则 阴极表面发射ne=n0+ns个电 子。
(+) (-)
电子的倍增过程
ne个电子经过 α 作用到达阳极时增加为nee α d 个电子， 则有 nee α d- ne个正离子回到阴极产生二次电子：
αd
− 1) = 1
电介质理论及其应用
19
气体介质的电击穿
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eαd 个电子、正离子；其中除第一个初始电子外 的(eαd -1)个正离子回到阴极，通过γ作用，产生出γ(eαd -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。
电介质理论及其应用
3
概述 典型介质的介电强度（室温、1 atm)
D ielectric M edium A tm osphere at 1 atm pressure SF 6 gas Polybutene （聚丁烯) T ransform er oil A m orphous silicon dioxide (SiO 2 ) in M O S technology （非晶二氧化硅） B orosilicate glass （硼硅玻璃） Polypropylene （聚丙烯） D ielectric Strength 37.1 kV cm -1 at 60H z kV cm -1 at 60H z kV cm -1 at 60H z kV cm -1 M V cm -1 dc at 60H z V ery thin oxide film s w ithout defects. Intrinsic breakdow n lim it. Intrinsic breakdow n. T herm al breakdow n. L ikely to be therm al breakdow n or electrical treeing.
2 ( βs E / kT−φD )
其他具有足够能量的粒子撞击电极表面，引起电极 发射。用系数γ反映电极发射的能力，称为汤逊第三电离 系数。 功函数小的金属材料作电极，易产生表面发射。
电介质理论及其应用
15
气体介质的电击穿
（2）电子附着效应
电子亲和力大的元素，吸附电子而形成质量大、速度 慢的负离子（氧、SF6）； 使自由电子数减少，电离降低，抑制电流倍增。 电子附着系数 η ：在电场作用下，电子走过单位距离 附着于中性粒子的电子数，即生成的负离子数或减少 的电子数。 电离使电子增加dn=n αdx, 附着使电子数减少dn-=n η dx 故电子净增为： dn- dn-= n （α- η ）dx 相当于使电离系数α减小。
电介质理论及其应用
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气体介质的电击穿
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。
(+)
(-) 负针尖放电
(+) 正针尖放电
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>108 ， 最后形成很窄击穿通道。
电介质理论及其应用