第6讲-电介质的击穿
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液体电介质的击穿
图2-11 变压器油Eb与含水 重量浓度m的关系
2. 固体杂质的影响
当液体介质中有悬浮固体 杂质微粒时，也会使液体介质 击穿场强降低。一般固体悬浮 粒子的介电常数比液体的大， 在电场力作用下，这些粒子在 电极表面电场集中处逐渐积聚 起来。考克（Kok）根据这种 现象提出液体介质杂质小桥击 穿模型（见图2-13）并进行了 理论计算。
图2-13 杂质小桥击穿模型
小桥理论 • 气体桥击穿 工程用液体电介质中含有
水分和纤维、金属末等固体杂质。在电 场作用下，水滴、潮湿纤维等介电常数 比液体电介质大的杂质将被吸引到电场 强度较大的区域，并顺着电力线排列起 来，在电极间局部地区构成杂质小桥。 小桥的电导和介电常数都比液体电介质 的大，这就畸变了电场分布，使液体电 介质的击穿场强下降。如杂质足够多， 则还能构成贯通电极间隙的小桥。杂质 小桥的电导大，因而小桥将因流过较大 的泄漏电流而发热，使液体电介质及所 含水分局部气化，而击穿将沿此气体桥 发生。
上，触头切换时会产生电。
变压器油击穿过程和特点
就是之前说简述的击穿理论
变压器油击穿过程可用气泡击穿理论来解释，整个过程由气泡 的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并聚成小桥，即：杂质、 气泡在电场作用下，在电极之间形成小桥，击穿沿小桥发 生。有热的过程，属于热击穿的范畴。有两种情况发生即 杂质小桥尚未接通电极和杂质小桥接通电极。
当液体介质中电场很强，致使有高能电子出现时， 也会发生上述类似的过程，液体放气，这就是电离化 气的观点。放电时产生的气体并不是蒸气，而是氢气。 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。
三、工程纯液体电介质的杂质击穿
工程用液体介质或多或少含有一些杂质，在工 程纯液体介质的击穿中，这些杂质起决定性作用。 杂质大致主要有以下两种
电介质的击穿
高压绝缘基本理论
Eb
时间
高压绝缘基本理论
(2)液体电介质的击穿 纯净的液体电介质击穿场强高，多因含杂质造成击 穿场强降低，杂质构成小桥，畸变电场。 提高耐电强度的措施：改进电极形状、提高纯净度、 设置屏障。 (3)固体电介质的击穿 ①电击穿：碰撞游离，时间短，击穿电压高 ②热击穿：温度高电导增多，损耗增大，恶性循 环，介质分解、炭化、劣化 ③电化学击穿：介质中含杂质、气泡、水分等，电导 发热、游离放电，产生臭氧等化学腐蚀性物质，进一步劣 化
高压绝缘基本理论
巴申定律: 提高气体压力可提高Ub 提高真空（在某范围内降 低气体压力）也可提高Ub FS6气体具有高耐电强度： 可减小碰撞游离机会 均匀电场（平板或球隙电极），放电稳定，击 穿场强高，约30kV/cm。
Ub
P
极不均匀电场：尖—板，导线—大地，绕组—外壳
首先 易局部放电（电晕放电理论 4 电介质的击穿
当施加于电介质上的电压超过某临界值U时，其中电流 剧增，使电介质有绝缘状态变为导电状态的现象叫电介 质的击穿。
d
均匀电场中，电介质的击穿场强Eb 与击穿电压Ub的关系 Ub
Eb = d
(1)气体电介质的击穿
U
形成： 初始电子——获能量——碰撞游离——电子 崩——大量电子、离子——高导电通道——击穿 影响因素: 气压、温度、湿度、电极形状、气体成分质
电介质电导和击穿课件
3 电介质电导和击穿
• 3.1 概述 • 3.2 气体电介质的电导和击穿 • 3.3 固体电介质的电导 • 3.4 固体电介质的热击穿 • 3.5 固体电介质的电击穿
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1
3.1 概述
• 1．什么是电介质的电导？提高电介质的绝缘性能 的基本方法是什么？（掌握）
• 2．电介质电导类型有哪些？（掌握） • 3．什么叫电介质的击穿？它有哪些击穿形式？通
• （1）气体导电机理 • （2）气体电导过程的理论分析
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8
（1）气体导电机理
• 气体能导电是因为气体中存在一定浓度的带电正 负离子（载流子），载流子存在则是因为气体中 随时随地进行着下述两个过程：
• 电离过程：
• 气体在光、热、辐射等作用下，电子从分子中分离出来 使气体分子带正电，从而形成正离子载流子，这个过程 称为电离。电离出来的电子又极容易被其他分子所捕获 而形成负离子。描电离过程的速度大小用单位时间单位 体积产生的正离子（或负离子）数n′描述
Emfp,T,L
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21
（2）物理过程及其模型的建立
• 当电场达到游离场强之后，气体电介质中载流子的产生 除了因外界因素（如光照等）使极板表面和气体发生电 离而产生载流子外，还通过以下碰撞过程产生载流子
• 1）电子碰撞电离过程： • 描述该过程的关键参数-----电子电离系数α：一个电子运动
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31
3.3 固体电介质的电导
• 1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪些 类型？本征离子电导率规律有何特点？（掌握）
• 2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子电 导率有何特点？（掌握）
• 3.1 概述 • 3.2 气体电介质的电导和击穿 • 3.3 固体电介质的电导 • 3.4 固体电介质的热击穿 • 3.5 固体电介质的电击穿
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3.1 概述
• 1．什么是电介质的电导？提高电介质的绝缘性能 的基本方法是什么？（掌握）
• 2．电介质电导类型有哪些？（掌握） • 3．什么叫电介质的击穿？它有哪些击穿形式？通
• （1）气体导电机理 • （2）气体电导过程的理论分析
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（1）气体导电机理
• 气体能导电是因为气体中存在一定浓度的带电正 负离子（载流子），载流子存在则是因为气体中 随时随地进行着下述两个过程：
• 电离过程：
• 气体在光、热、辐射等作用下，电子从分子中分离出来 使气体分子带正电，从而形成正离子载流子，这个过程 称为电离。电离出来的电子又极容易被其他分子所捕获 而形成负离子。描电离过程的速度大小用单位时间单位 体积产生的正离子（或负离子）数n′描述
Emfp,T,L
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（2）物理过程及其模型的建立
• 当电场达到游离场强之后，气体电介质中载流子的产生 除了因外界因素（如光照等）使极板表面和气体发生电 离而产生载流子外，还通过以下碰撞过程产生载流子
• 1）电子碰撞电离过程： • 描述该过程的关键参数-----电子电离系数α：一个电子运动
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3.3 固体电介质的电导
• 1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪些 类型？本征离子电导率规律有何特点？（掌握）
• 2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子电 导率有何特点？（掌握）
电介质的击穿理论
种放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿；
如气体的电晕、液体中气泡放电。如陶瓷中多孔性的不均匀，气体耐压 小，容易出现弱点击穿； 局部放电是脉冲性的，其过程与电晕放电相同。放电结果产生大量的正、 负离子，形成空间电荷，建立反电场，使气隙中的总电场下降，放电熄灭；
局部放电将导致介质的击穿和老化，因为局部放电除电的过程以外，还伴
电介质的击穿特性：电击穿
一些因素对固体电介质击穿场强的影响：
① 固体介质的击穿场强往往取决于材料的均匀性； ② 大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下的击穿场强。在高频下由 于局部放电的加剧，使得击穿场强下降得更历害，并且材料的介电常数越 大，击穿场强下降得越多； ③ 无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征，发生纯粹电击穿的情况并 不多见；
④ 在室温附近，高分子电介的击穿场强往往比陶瓷等无机材料要大，并且极
大性高聚物的击穿场强常常要比非极性的大； ⑤ 在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿场强急剧下降；
电介质的击穿特性：热击穿
当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗的产生的热量超过试样通 过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度 不断上升，最终造成介质永久性的热破坏，这就是热击穿。
电介质的击穿特性
固体电介质击穿的特点:
电介质的击穿特性：电击穿
Å
电介质的击穿特性：电击穿理论
电击穿理论1：碰撞电离理论（主要）
在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑电子和声子的碰撞，同时也应该计及杂 质和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足够高，当自由电子在电场中获得的能量 超过失去的能量时，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
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
电介质击穿的物理机制
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
A e A ui ( AB) e ( AB) ui
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。
33
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
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。
33
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
电介质击穿
气体电介质
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。气体介质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、高气压电击穿、冲击电压击 穿、高真空电击穿、负电性气体击穿等。空气是很好的气体绝缘材料，电离场强和击穿场强高，击穿后能迅速恢 复绝缘性能，且不燃、不爆、不老化、无腐蚀性，因而得到广泛应用。为提供高电压输电线或变电所的空气间隙 距离的设计依据（高压输电线应离地面多高等），需进行长空气间隙的工频击穿试验。
热击穿的特点是：击穿电压随温度的升高而下降，击穿电压与散热条件有关，如电介质厚度大，则散热困难， 因此击穿电压并不随电介质厚度成正比增加；当外施电压频率增高时，击穿电压将下降。
液体电介质
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。
形式
液体电介质
固体电介质
气体电介质
固体电介质
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
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。
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。
《液体电介质的击穿》PPT课件
液体电介质的击穿
1
1、液体电介质的击穿理论 2、提高液体电介质击穿电压的方法
2
1、液体电介质的击穿理论
液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质
3
纯净液体电介质的电击穿理论电 Nhomakorabea阶段：产生自由电子，发生碰撞电离。 流注阶段：分级发展，出现分枝。 贯穿阶段：通道贯通整个间隙
4
么么么么方面
Sds绝对是假的
7
3、提高液体电介质击穿电压的方法
提高以及保持油的品质-减少杂质 复盖层-阻碍小桥的发展 绝缘层-增大曲率半径 屏障-阻碍小桥的发展
8
思考题： (1)什么是小桥理论？工程上都有哪些常用的提 高液体介质绝缘强度的方法？其作用原理是什 么？ (2)为什么在极不均匀电场中液体电介质的品质 对工频击穿电压的影响较小？
通道贯通整个间隙sds绝对是假的纯净液体电介质的气泡击穿理论纯净液体电介质的气泡击穿理论当外加电场较高时液体介质内会由于各种原因产生气当外加电场较高时液体介质内会由于各种原因产生气场强的分布与介质的介电常数成反比气泡场强的分布与介质的介电常数成反比气泡r1小于小于液体的液体的因而气泡承担比液体更高的场强偏偏气体因而气泡承担比液体更高的场强偏偏气体耐电强度又低所以气泡先行电离一旦电离的气泡在耐电强度又低所以气泡先行电离一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道则击穿在此通道内发生电场中堆积成气体通道则击穿在此通道内发生非纯净液体电介质的小桥击穿理非纯净液体电介质的小桥击穿理形成小桥形成小桥未形成小桥未形成小桥受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图液体中的杂质在电场力的作用下在电场方向定向并逐渐液体中的杂质在电场力的作用下在电场方向定向并逐渐沿电力线方向排列成杂质的小桥由于水和纤维的介电沿电力线方向排列成杂质的小桥由于水和纤维的介电常数分别为常数分别为8181和和677比油的介电常数比油的介电常数18182828大得多大得多从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥形成放电通道
1
1、液体电介质的击穿理论 2、提高液体电介质击穿电压的方法
2
1、液体电介质的击穿理论
液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质
3
纯净液体电介质的电击穿理论电 Nhomakorabea阶段：产生自由电子，发生碰撞电离。 流注阶段：分级发展，出现分枝。 贯穿阶段：通道贯通整个间隙
4
么么么么方面
Sds绝对是假的
7
3、提高液体电介质击穿电压的方法
提高以及保持油的品质-减少杂质 复盖层-阻碍小桥的发展 绝缘层-增大曲率半径 屏障-阻碍小桥的发展
8
思考题： (1)什么是小桥理论？工程上都有哪些常用的提 高液体介质绝缘强度的方法？其作用原理是什 么？ (2)为什么在极不均匀电场中液体电介质的品质 对工频击穿电压的影响较小？
通道贯通整个间隙sds绝对是假的纯净液体电介质的气泡击穿理论纯净液体电介质的气泡击穿理论当外加电场较高时液体介质内会由于各种原因产生气当外加电场较高时液体介质内会由于各种原因产生气场强的分布与介质的介电常数成反比气泡场强的分布与介质的介电常数成反比气泡r1小于小于液体的液体的因而气泡承担比液体更高的场强偏偏气体因而气泡承担比液体更高的场强偏偏气体耐电强度又低所以气泡先行电离一旦电离的气泡在耐电强度又低所以气泡先行电离一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道则击穿在此通道内发生电场中堆积成气体通道则击穿在此通道内发生非纯净液体电介质的小桥击穿理非纯净液体电介质的小桥击穿理形成小桥形成小桥未形成小桥未形成小桥受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图液体中的杂质在电场力的作用下在电场方向定向并逐渐液体中的杂质在电场力的作用下在电场方向定向并逐渐沿电力线方向排列成杂质的小桥由于水和纤维的介电沿电力线方向排列成杂质的小桥由于水和纤维的介电常数分别为常数分别为8181和和677比油的介电常数比油的介电常数18182828大得多大得多从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥形成放电通道
《电介质物理》课件电介质的击穿1-文档资料
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。
U
U U
B
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：
0
I
dU dI
0
11
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。 Breakdown is a cross-over in the current from stability to instability at some field, with consequent material modification. 绝缘技术向高场强方向发展：
《工程电介质物理学》
电介质的击穿 Breakdown of Dielectrics
李建英
2019年4月~5月
1
主要内容：
1. 概述
2. 气体电介质的击穿
3. 液体电介质的击穿
4. 固体电介质的击穿
2
概述
绝缘子的沿面闪络 雷电放电
3
概述
绝缘子的沿面闪络
4
概述
绝缘子的沿面闪络 大气压下均匀放电 雷电放电
显然 W i W i
23
气体介质的击穿
一.强电场下气体中载流子的产生 原子的激励和电离 强电场下气体载流子产生
碰撞电离 光电离 热电离
负离子的形成
正离子撞击阴极 阴极的表面电离 光电发射 热电子发射和场致发射 24
气体介质的击穿
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危害：虽然不立即形成贯穿性的通道，但长期的局部放 电，使电介质的劣化损伤逐步扩大，最后导致整个电介质的 击穿。
复合电介质击穿
E U U d1 d2 d
E1
2d 1d2
2 d1
E
E2
1d 1d2 2d1
E
复合电介质击穿
已知一极板电容中充满一双层固体复合电介质，双层固体 厚度分别为d1=d2=0.5mm，两个电介质电阻率分别为 ρ1=1012Ω·m，ρ2=1011Ω·m，两个电介质击穿场强分别为 E1b=E2b=100MV/m，当给极板电容外部施加55kV电压时，判断 该复合电介质是否被击穿。
液体电介质击穿
液体电介质击穿理论还很不完善。 1、液体介质的击穿与含气，含杂质情况密切相关； 2、液体净化技术不够高，液体净化程度没有严格的 指标规定。
固体电介质击穿
区别： ①固体电介质击穿场强较高； ②击穿后在材料中留下不能恢复的痕迹，如烧焦或熔 化通道、裂缝等，去掉外施电压不能自行恢复绝缘性能。 形式： ①热击穿 ②电击穿 ③不均匀电介质的击穿
不均匀电介质击穿
包括固体、液体和气体组合构成的绝缘结构中的一种击 穿。
形式： ①气体-液体、液体-固体、气体-固体、固体-固体等的 不同组合； ②即使为单一电介质的绝缘结构，材料的不均匀，杂质 气隙的存在也不能看做是单一均匀的电介质。
局部放电
定义：在含有气体或液体的固体电介质中，当击穿场强 较低的气体或液体中的局部电场强度达到其击穿场强时，这 部分气体或液体开始放电，使电介质发生不贯穿的局部击穿。
老化
定义：绝缘材料在长期的储存或使用过程中不可避免 的产生各种物理和化学变化，从而使其性能随时间的增长 而发生不可逆的变化的现象。
材料在使用中所能维持基本功能的时间称为材料的寿 命。
劣化：材料在加工、储存和使用过程中，在热、电、 光、氧等因素作用下，性能发生降低的现象。
老化和劣化的区别？
老化
分类： （1）热老化 （3）热氧化老化 （5）臭氧老化 （7）生物老化 （9）高能辐射老化
当外场强足够强时，阴极发射一个初始电子，在向阳 极运动过程中发生强烈的碰撞电离，以致电离产生的正离 子到达阴极时，产生一个二次电子，这个二次电子代替初 始电子的作用，继续在气隙中引起碰撞电离，重复这样的 过程，这时放电不依赖外界条件，即转入自持放电，这个 过程称为γ过程。
气体电介质击穿
A、B、γ-系数 p-气压 d-气体间隙宽度
气体电介质击穿
这样气体中电子数目由一个变为两个，两个变为四个， 形成电子崩。
电子从阴极出发的一个 电子，行经单位距离后增加 为2α个电子，α电离系数。
在强电场中形成电子崩 的过程称为α过程。
气体电介质击穿
虽然气体中已经发生碰撞电离，但若将外界电离因素 取消，气体放电将不会发生，这样依赖外界条件的，称为 非自持放电。
（2）电老化 （4）光老化 （6）化学老化 （8）疲劳
老化
老化
定义：由绝缘材料内部的放电引起的老化称为电老化。 分类： 1、局部放电老化 2、电弧放电老化 3、电痕化老化 4、树枝老化 （1）电树枝 （2）水树枝 电树枝和水树枝的形成条件区别？
电介质的击穿
电介质击穿
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。
气体电介质击穿
汤逊理论是气压较低，pd值较小条件下进行的放电试 验基础上建立起来的，气压较高，理论曲线与实验结果偏 差较大，汤逊理论不适用。
当工程上常见的气压较高及间隙距离较大的气体击穿 时，适合用流注理论进行说明。
气体电介质击穿
2、流注理论 理论基础：电子碰撞电离 考虑了①空间光电离②空间电荷畸变电场 初始电子崩→崩头电子成为负空间电荷，加强崩头电 场→崩尾正离子成为正空间电荷，加强崩尾电场→崩中部 等离子区，电场被削弱→电场畸变→中部发射光子→空间 光电离→产生新的二次电子→头尾强电场使二次电子碰撞 更为强烈形成二次电子崩→汇入初始电子崩→等离子区扩 大→扩大到两极→形成高导电通道→流注形成→击穿
热击穿
由电介质内部的热不稳定过程所造成的的。 介质受到电场作用损耗发热，散热条件不利导致温度 不停升高，最后介质分解碳化然后击穿。 影响因素： ①与材料的性能有关 ②绝缘结构及电压种类、环境温度有关 热击穿强度不能看做是电介质材料的本征特征参数。
热击穿
瓦格纳热击穿理论
产生的热量
Q1
0.24U 2
气体电介质击穿
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 击穿电压与气隙压力及气隙宽度间的试验关系。
Ub f ( pd)
①气体击穿电压Ub与气体压力p和气隙宽度d的乘积 （pd）有关，当p、d同时变化，而pd乘积不变时，击穿电 压不变。
②在某一pd值下，气体击穿电压出现最低值。
电介质击穿
气体电介质击穿
特点：电流剧增，发光，发热。 表现形式： ①辉光放电：气压低，电源功率小 ②火花放电或电弧放电：气压不太低 ③电晕放电：电场极不均匀
气体电介质击穿
气体电介质的电导
区域Ⅰ：欧姆电导区 区域Ⅱ：饱和电流区 区域Ⅲ：电流激增区
气体电介质击穿
1、汤逊理论： 汤逊根据大量实验结果，提出了比较系统的气体放电 理论，阐述了气体放电的过程。 由于外界电离的作用，气体间隙存在一些自由电子， 在电场作用下，初始电子在向阳极运动的过程中得到了加 速获得动能。当场强很强，电子动能达到足够值后，在与 气体分子碰撞时就能引起碰撞电离。 分子电离后新产生的电子与原有电子一起向阳极运动 过程中，将继续引起碰撞电离。
表征：发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加
dU 0 dI dI dU
电介质击穿
介质击穿：电极间的短路现象，是电介质的基本性能 之一，它决定了电介质在场强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。
绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要因素， 约占70%。
高场强的应用越来越多，电子器件电压不高场强高。 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。
按击穿发生的判定条件不同，电击穿理论分为： （1）本征电击穿理论
以碰撞电离开始作为击穿判据； （2）雪崩击穿理论
以碰撞电离开始后，电子数倍增加到一定数值，足以破 坏电介质结构作为击穿判据。
电击穿
特性： （1）击穿场强高； （2）在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大， 但变化不大； （3）反应了固体电介质耐受电场作用能力的最大限度； （4）仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特征参 数之一，又称为耐电强度或电气强度
S d
其中
e (tt0 ) t0
散热量 Q2 (t t0 )d热击穿瓦 Nhomakorabea纳热击穿理论
Q1
0.24U 2
S d
e(tt0 ) t0
Q2 (t t0 )d
电击穿
在固体物理的基础上以量子力学为工具逐步发展建立了 固体电介质击穿的碰撞电离理论。
复合电介质击穿
E U U d1 d2 d
E1
2d 1d2
2 d1
E
E2
1d 1d2 2d1
E
复合电介质击穿
已知一极板电容中充满一双层固体复合电介质，双层固体 厚度分别为d1=d2=0.5mm，两个电介质电阻率分别为 ρ1=1012Ω·m，ρ2=1011Ω·m，两个电介质击穿场强分别为 E1b=E2b=100MV/m，当给极板电容外部施加55kV电压时，判断 该复合电介质是否被击穿。
液体电介质击穿
液体电介质击穿理论还很不完善。 1、液体介质的击穿与含气，含杂质情况密切相关； 2、液体净化技术不够高，液体净化程度没有严格的 指标规定。
固体电介质击穿
区别： ①固体电介质击穿场强较高； ②击穿后在材料中留下不能恢复的痕迹，如烧焦或熔 化通道、裂缝等，去掉外施电压不能自行恢复绝缘性能。 形式： ①热击穿 ②电击穿 ③不均匀电介质的击穿
不均匀电介质击穿
包括固体、液体和气体组合构成的绝缘结构中的一种击 穿。
形式： ①气体-液体、液体-固体、气体-固体、固体-固体等的 不同组合； ②即使为单一电介质的绝缘结构，材料的不均匀，杂质 气隙的存在也不能看做是单一均匀的电介质。
局部放电
定义：在含有气体或液体的固体电介质中，当击穿场强 较低的气体或液体中的局部电场强度达到其击穿场强时，这 部分气体或液体开始放电，使电介质发生不贯穿的局部击穿。
老化
定义：绝缘材料在长期的储存或使用过程中不可避免 的产生各种物理和化学变化，从而使其性能随时间的增长 而发生不可逆的变化的现象。
材料在使用中所能维持基本功能的时间称为材料的寿 命。
劣化：材料在加工、储存和使用过程中，在热、电、 光、氧等因素作用下，性能发生降低的现象。
老化和劣化的区别？
老化
分类： （1）热老化 （3）热氧化老化 （5）臭氧老化 （7）生物老化 （9）高能辐射老化
当外场强足够强时，阴极发射一个初始电子，在向阳 极运动过程中发生强烈的碰撞电离，以致电离产生的正离 子到达阴极时，产生一个二次电子，这个二次电子代替初 始电子的作用，继续在气隙中引起碰撞电离，重复这样的 过程，这时放电不依赖外界条件，即转入自持放电，这个 过程称为γ过程。
气体电介质击穿
A、B、γ-系数 p-气压 d-气体间隙宽度
气体电介质击穿
这样气体中电子数目由一个变为两个，两个变为四个， 形成电子崩。
电子从阴极出发的一个 电子，行经单位距离后增加 为2α个电子，α电离系数。
在强电场中形成电子崩 的过程称为α过程。
气体电介质击穿
虽然气体中已经发生碰撞电离，但若将外界电离因素 取消，气体放电将不会发生，这样依赖外界条件的，称为 非自持放电。
（2）电老化 （4）光老化 （6）化学老化 （8）疲劳
老化
老化
定义：由绝缘材料内部的放电引起的老化称为电老化。 分类： 1、局部放电老化 2、电弧放电老化 3、电痕化老化 4、树枝老化 （1）电树枝 （2）水树枝 电树枝和水树枝的形成条件区别？
电介质的击穿
电介质击穿
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。
气体电介质击穿
汤逊理论是气压较低，pd值较小条件下进行的放电试 验基础上建立起来的，气压较高，理论曲线与实验结果偏 差较大，汤逊理论不适用。
当工程上常见的气压较高及间隙距离较大的气体击穿 时，适合用流注理论进行说明。
气体电介质击穿
2、流注理论 理论基础：电子碰撞电离 考虑了①空间光电离②空间电荷畸变电场 初始电子崩→崩头电子成为负空间电荷，加强崩头电 场→崩尾正离子成为正空间电荷，加强崩尾电场→崩中部 等离子区，电场被削弱→电场畸变→中部发射光子→空间 光电离→产生新的二次电子→头尾强电场使二次电子碰撞 更为强烈形成二次电子崩→汇入初始电子崩→等离子区扩 大→扩大到两极→形成高导电通道→流注形成→击穿
热击穿
由电介质内部的热不稳定过程所造成的的。 介质受到电场作用损耗发热，散热条件不利导致温度 不停升高，最后介质分解碳化然后击穿。 影响因素： ①与材料的性能有关 ②绝缘结构及电压种类、环境温度有关 热击穿强度不能看做是电介质材料的本征特征参数。
热击穿
瓦格纳热击穿理论
产生的热量
Q1
0.24U 2
气体电介质击穿
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 击穿电压与气隙压力及气隙宽度间的试验关系。
Ub f ( pd)
①气体击穿电压Ub与气体压力p和气隙宽度d的乘积 （pd）有关，当p、d同时变化，而pd乘积不变时，击穿电 压不变。
②在某一pd值下，气体击穿电压出现最低值。
电介质击穿
气体电介质击穿
特点：电流剧增，发光，发热。 表现形式： ①辉光放电：气压低，电源功率小 ②火花放电或电弧放电：气压不太低 ③电晕放电：电场极不均匀
气体电介质击穿
气体电介质的电导
区域Ⅰ：欧姆电导区 区域Ⅱ：饱和电流区 区域Ⅲ：电流激增区
气体电介质击穿
1、汤逊理论： 汤逊根据大量实验结果，提出了比较系统的气体放电 理论，阐述了气体放电的过程。 由于外界电离的作用，气体间隙存在一些自由电子， 在电场作用下，初始电子在向阳极运动的过程中得到了加 速获得动能。当场强很强，电子动能达到足够值后，在与 气体分子碰撞时就能引起碰撞电离。 分子电离后新产生的电子与原有电子一起向阳极运动 过程中，将继续引起碰撞电离。
表征：发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加
dU 0 dI dI dU
电介质击穿
介质击穿：电极间的短路现象，是电介质的基本性能 之一，它决定了电介质在场强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。
绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要因素， 约占70%。
高场强的应用越来越多，电子器件电压不高场强高。 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。
按击穿发生的判定条件不同，电击穿理论分为： （1）本征电击穿理论
以碰撞电离开始作为击穿判据； （2）雪崩击穿理论
以碰撞电离开始后，电子数倍增加到一定数值，足以破 坏电介质结构作为击穿判据。
电击穿
特性： （1）击穿场强高； （2）在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大， 但变化不大； （3）反应了固体电介质耐受电场作用能力的最大限度； （4）仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特征参 数之一，又称为耐电强度或电气强度
S d
其中
e (tt0 ) t0
散热量 Q2 (t t0 )d热击穿瓦 Nhomakorabea纳热击穿理论
Q1
0.24U 2
S d
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Q2 (t t0 )d
电击穿
在固体物理的基础上以量子力学为工具逐步发展建立了 固体电介质击穿的碰撞电离理论。