电介质物理课件(2005-4)

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2. 电子崩的形成：
粒子从电场中获得的动能: T=mv2/2=q2E2τ2/2m 从公式中看出：在电场作用下，带电粒子的动能正比于电 场强度的平方，反比于粒子的质量。而气体粒子中电子的 质量最小，所以在一定的电场下，自由电子所获得的动能 最大。因此，在气体所有粒子的相互碰撞中，与自由电子 的碰撞最容易引起碰撞电离。 发生碰撞电离的条件是： q Eλ≥Wi (原子、分子电离能） 随着 x的增加，电子数按指数增加。

3. 自持放电条件：
正离子沿电场方向运动 会与中性分子碰撞产生 游离，设
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”。
游离碰撞系数为 （第二游离系数）。 但，这种游离碰撞的几 率很小， 0。
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/m
气体介质本身，由于原子激励还原及离子复合时所 放出的光子产生了新的游离，以促使游离沿着通道发 展，构成流柱，最后导致击穿。
5. 不均匀电场中的气体放电（击穿） 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。 从游离场强开始到击穿，随E增加，电流增大，但较慢。 击穿电场强度与电极的形状、距离有关。
j( A / m
2
)
IEII源自jS1IIIE (V / m )
E
i
E
b
常见的放电形式： •火花放电 瞬时，间断产生 常压附近 •辉光放电 出现均匀的明暗相间的辉光区 •电晕放电 电极的曲率小，电场不均匀，在电场尖端出现 暗蓝色微光 •电弧放电 功率大，连续弧光，温度极高
汤申特(Townsend)碰撞游离理论
从阴极到阳极的间距中产生的电子数为：
d n a nc n（ 1） 产生的正离子数 c e
nc0 1 （1 e d） nc0 na e d 1 （1 e d ） nc
j q na
j c 0 e d 1 (1 ed )
f P d
Ub
理论 实测
击穿电压U b E b d
Ub
Ubmin p1 (p·d)
巴申定律
巴申定律的讨论：
在均匀电场中，Ub=f (p ·d)，p增加n倍，d下降n倍， Ub不变。 1. 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Ubmin； • 当d一定，p=p1，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<p1，气体密度小，碰撞次数减小， Ub增加。 • P>p1，气体密度大，碰撞次数增加，但电离碰撞次数下降，Ub 增加。 3. 当p一定时，d=d1，出现Ubmin。 • d>d1，由于d增加，E下降，故Ub增加； • d<d1，由于d减小，碰撞次数减小，故Ub增加；特别是当d< 时，几乎不发生碰撞。
单位时间介质产生热： Q1 AI 2 R A 单位时间介质散发热： Q2
U2 R
当Q1 Q2，介质中热量积聚，Q1 Q2为临界点 U b Q2 R A
电击穿必须满足：电导率小、tan 小、 散热条件好，无气隙、无边缘放电。
电击穿和热击穿的判断：
电击穿
U b 随介质温度 U b 随加压时间 而 而 地方（中部） Q2 2 f C tan A f
设：单位时间、单位面 穿过距阴极 积上由阴极逸出的电子 n； （电离 碰撞游离的次数为 dx 所产生的游离次数 n Ce
x
数为 n C 0；
x 处的电子数为
一个电子单位距离产生 系数或游离系数） 则： dx 一个电子经过 dn n dx ln n x C 当 x 0时， n n C 0
一个电子产生碰撞游离 的必要条件是： U 电子的运动行程 x x i i E 而电子行程大于 x i的几率为玻尔兹曼分布 e 故每单位距离的碰撞次 数为：
1 i e AP e x U i AP E B P E xi


APe
3
带入（ * ）有： AP e
二．纯液体介质击穿的击穿 1.以碰撞电离开始作为液体介质击穿为条件 2.以电子崩发展到一定大小为液体介质击穿为条件 三. 工程液体介质的击穿 杂质：气相、液相、固相
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1）气相杂质的影响
2）液相杂质的影响
+ d
- + - + - + - + d
-
3.
固体杂质的影响 油的净化方法对液体介质击穿场强的影响： 处理方法： 击穿场强（kv/cm) 未处理 50 离心过滤 130 纸过滤 160 膜过滤 180 压滤 (一次） 230 压滤 (二次） 330 液体介质提纯法： 真空干燥 过滤、直流电解
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§4.3 液体介质的击穿
液体介质击穿的分散性： 气体（空气）：Eb=3×106V/m； 工程纯变压器油：Eb=2 ×107V/m； 非常纯液体： Eb=1 ×108V/m
一.液体介质的击穿现象的经验规律
1.击穿电压与时间的关系 2.击穿电压与频率的关系
3.击穿电压与电极距离的关系
液体介质击穿机理理论： 碰撞电离理论 小桥理论 纯液体 工程液体
Ub
导体 介质击穿
Ub为击穿电压（击穿电场 Eb=Ub/d， d为介质厚度）
§4.2 气体介质的击穿
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） 介质击穿两种情况： 发生可恢复性变化：介质在电场的作用下被击穿，把外电 场撤除后，介质又恢复其绝缘性能。 “自愈现象 ”（SelfHealing），如气体。 发生永久性变化（或叫不可逆变化）：如固体介质击穿。
热击穿 低 高 高频 较长
电压 使用温度 使用频率 加压时间
高 低 低频 很短
击穿发生在散热最少的 Ub
1 ， Q1 P U 2 C tan Q 2， Ub f
热击穿电压比击穿电压电较低
击穿机理
电子倍增使介质 产生热大于散热 变成导体 使介质热破坏
三、瓦格纳（Wagner）热击穿理论
d
工程液体介质击穿 “小桥理论”
去除气泡、水份 除去杂质
四、固体介质的击穿
1、固体介质击穿的一般规律： 从击穿的结果上来看： 固体介质的击穿电场大于液体和气体介质 Eb（气体）=3 106V/m Eb（液体）=107~108V/m Eb（固体）=108~109V/m 固体介质击穿是永久性的 从击穿的发展过程看：2个阶段 （1） 介电性能的破坏 绝缘变成导体 （2） 介质本身的破坏 有明显的击穿通道 从击穿电压与实验条件关系看：关系密切 电极形状 媒质 散热条件 电压类型有关
4. 提高气体介质的击穿电压的途径：
A．利用高气压和高真空：可以做成真空电容器，充气电容器 B．利用负电性情的气体，这样气体多为分子量大的卤族元素， 电子亲和力大，负电性强的气体 如：氟利昂六氟化硫。 优点：分子直径大，自由程短，积累能量小； 负电性强，易吸收电子形成负离子，减小了电离能力；
气体放电的流柱理论：
束缚，逸至电极表面；
体积游离：气体分子中电子获得足够的能量脱离分子，形
两次碰撞，粒子在电场方向的速度V为：
成自由电子和正离子，电子也可吸附在其他分子上形成负离 子。 标准状态下，空气，3－4对电离/cm3.s
v
位距离的碰撞次数


0
adt
qE m
λ ：两次碰撞间的自由程 τ：粒子的自由程时间＝带电粒子走过单
（1）电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的过程 （2）要维持自持放电必须从阴极发射电子
表面游离：电极表面原子中的价电子吸收能量，脱离原子
1. 电子碰撞游离：
当外电场作用于气体时，气体中的一切带电粒子受到电 场力的加速作用。设q―粒子的电荷,m―粒子的质量,E―电 场强度,a―粒子受电场力获得的加速度。 a =qE/m
2、固体介质击穿的分类：
电击穿
热击穿
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电击穿的特点：
a .在击穿前的强电场不满 I I 0 e AU 足欧姆定律，而是符合
U
热击穿的特点：
玻尔定律：
或弗兰凯尔定律： I I 0 e B
b.击穿场强高 ，击穿电场范围较窄：108~109V/m c:在均匀电场中，电击穿发生时的电场强度直到厚度为 0.1u-1u范围都与厚度无关。 d、击穿场强与周围媒质温度无关 e、击穿场强与加压时间无关
B P E
1 d ln 1
BP d f P d AP d ln 1 ln 1
Ub
BPd A P d ln 1 ln 1
n n C0 e x
单位时间、单位面积上 到达阳极的电子数为： na nc 0 e d 电流密度为： j q na q nc 0 e d jc 0 e d jc 0 — 阴极表面初始电流密度
对上式的讨论： 1. j jc0 nc 0 游离剂（光、热等引起 ） 2. 游离剂一定、电极间距 一定，可确定 3. 求的方法 — —（实验法）： ln j1 （d 1 d 2） j2 ln j1 ln j2 d1 d 2 j1 jc 0 e d1 j 2 j c 0 e d 2
d d