《電介質(zhì)物理》課件-電介質(zhì)的擊穿-2

《工程電介質(zhì)物理學(xué)》電介質(zhì)的擊穿〔2〕BreakdownofDielectrics李建英2012年4月~5月電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment1電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment上一節(jié)主要內(nèi)容：概論、氣體介質(zhì)的擊穿氣體擊穿的根本理論：〔1〕載流子的產(chǎn)生過程〔2〕載流子的消失〔3〕碰撞電離理論模型〔4〕極不均勻電場中氣體的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿2一.強(qiáng)電場下氣體中載流子的產(chǎn)生

強(qiáng)電場下氣體載流子產(chǎn)生碰撞電離光電離熱電離正離子撞擊陰極光電發(fā)射原子的鼓勵(lì)和電離陰極的外表電離氣體介質(zhì)的擊穿熱電子發(fā)射和場致發(fā)射負(fù)離子的形成電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment3二.載流子的消失

載流子的擴(kuò)散載流子的復(fù)合氣體介質(zhì)的擊穿載流子的產(chǎn)生過程

載流子的消失過程

互動(dòng)

決定絕緣是否擊穿載流子在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，從而消失于電極，構(gòu)成電導(dǎo)電流；載流子的復(fù)合和擴(kuò)散?？臻g載流子消失方式

電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment4電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment主要概念電子碰撞電離系數(shù)：一個(gè)電子沿著電場方向行經(jīng)單位距離平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。電子附著系數(shù)：一個(gè)電子在電場方向單位距離內(nèi)可能附著于中性分子的次數(shù)。外表電離系數(shù)：一個(gè)正離子撞擊陰極平均釋放的自由電子數(shù)。主要過程〔1〕載流子的產(chǎn)生過程：一次電子--過程+過程二次電子--過程〔2〕載流子的消失：電導(dǎo)電流、復(fù)合、擴(kuò)散氣體介質(zhì)的擊穿5電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment三均勻電場中氣體擊穿的理論強(qiáng)電場中自由電子產(chǎn)生及消失的兩個(gè)過程是氣體放電的理論根底。根據(jù)不同條件下各個(gè)過程的強(qiáng)弱不同，便引導(dǎo)出適用不同條件下的放電理論。氣體擊穿的湯遜〔Townsend〕理論氣體擊穿的流注理論負(fù)電性氣體的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿6電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment氣體擊穿的湯遜〔Townsend〕理論氣體放電時(shí)電流倍增是電子碰撞電離的作用；維持氣體自持放電的必要條件——電極外表電子發(fā)射；定量理論，U可以計(jì)算出來。電子崩與電流倍增原始電子——陰極光電子發(fā)射。在電場作用下，電子獲得動(dòng)能向陽極運(yùn)動(dòng)當(dāng)電場很強(qiáng)，電子動(dòng)能≥電離能，引起氣體介質(zhì)的擊穿7電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment電子崩形成過程及模型

如圖a)，電子數(shù)1→2→4→8→16→…行經(jīng)距離后，增加為個(gè)電子。電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，因此形象地稱為電子崩。Z為A原子的原子系數(shù)可見，電子遷移率比正離子的要大2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。電子崩開展過程中，崩頭最前面集中著電子，其后直到崩尾均為正離子，形狀如b)圖。由于強(qiáng)電場氣體間隙中電子崩的出現(xiàn)，載流子數(shù)大增，所以放電電流也隨之倍增。氣體介質(zhì)的擊穿8電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment解釋碰撞電離導(dǎo)致電流密度倍增

——外電離因素光輻射的作用下，單位時(shí)間內(nèi)在氣隙陰極外表單位面積產(chǎn)生的電子。個(gè)電子向陽極運(yùn)動(dòng)到x處到處氣體介質(zhì)的擊穿9電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment

不隨空間位置而變

算出進(jìn)入陽極的電子電流，也即外電路中的電流

給出了碰撞電離導(dǎo)致電流密度倍增的關(guān)系

氣體介質(zhì)的擊穿10電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment不變，d變，那么假設(shè)不變，那么假設(shè)改變上面的討論，如果沒有，也就不可能有因此電流不能維持。即如果沒有外界電離因素，氣體放電將逐漸減弱，直到最后停止放電，為非自持放電。氣體介質(zhì)的擊穿11電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment氣體的自持放電

只有α過程時(shí)，氣體的放電是不能自持的。放電由非自持轉(zhuǎn)為自持，除α過程外，還應(yīng)考慮其他的電離過程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣隙不太寬時(shí)，放電與電極材料有關(guān)，因而導(dǎo)致考慮γ過程的作用。氣體介質(zhì)的擊穿12電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipmentne為起始電子

n0為外因電子

ns為二次電子

又所以通過x處平面的電流密度為

氣體介質(zhì)的擊穿13電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipmentx=d處即陽極處電流密度為假設(shè)如果取消外電離因素，氣隙仍能靠自身的電離維持很大的電流。擊穿非自持→自持，條件為

一個(gè)從陰極出發(fā)的初始電子到達(dá)陽極時(shí)，通過碰撞電離產(chǎn)生

(ed-1)個(gè)正離子回到陰極，通過

作用，產(chǎn)生出

(ed-1)

個(gè)二次電子；當(dāng)二次電子數(shù)最少為一個(gè)時(shí)，可代替初始電子的作用，繼續(xù)不斷從陰極發(fā)出電子——形成不依賴外界因素的初始電子，從而產(chǎn)生自持放電。

氣體介質(zhì)的擊穿14電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment巴申定律、擊穿電壓巴申〔Paschen〕得到了均勻電場中氣體放電電壓與氣體壓力及氣隙寬度間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系，稱為巴申定律。在某一pd值下，氣隙放電電壓出現(xiàn)極小值，巴申定律支持了Townsend理論。氣體介質(zhì)的擊穿15電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment在一定范圍時(shí)，實(shí)驗(yàn)與理論符合的很好。當(dāng)時(shí)氣體介質(zhì)的擊穿16電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment如何理解有最小值到達(dá)一定值，才能自持放電。

不變，雖然有效次數(shù)的比例大了，但是

碰撞次數(shù)少了，因此

碰撞次數(shù)多了，但是成功率低了，即電離可能性小了，因此在工程中的應(yīng)用高度真空加大氣壓消弱氣體間隙碰撞電離過程

提高氣隙的擊穿電壓氣體介質(zhì)的擊穿17電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

EquipmentTownsend氣體放電理論的適用范圍

以理論曲線和實(shí)測曲線相比較，可以看到，太小和太大時(shí)，曲線相差變大，即Townsend理論不適用了。氣體介質(zhì)的擊穿18電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment碰撞電離為次要因素，強(qiáng)場下的陰極發(fā)射為擊穿的主要因素。Townsend理論→放電應(yīng)均勻充滿整個(gè)氣隙中，但是實(shí)際上是貫穿兩極帶有分枝的明亮細(xì)通道。Townsend理論→放電過程的時(shí)間不應(yīng)小于正離子穿過間隙所需要的時(shí)間，但實(shí)際測得的放電時(shí)間遠(yuǎn)小于正離子遷移需要的時(shí)間。一般認(rèn)為，空氣在pd＞200cm·133Pa后，擊穿機(jī)理將改變，原因是空間電荷畸變電場的作用不能無視。

太小時(shí)

太大時(shí)氣體介質(zhì)的擊穿19電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment氣體擊穿流注理論

適用條件理論根底重要因素pd＞200cm·133Pa

電子碰撞電離①空間光電離

②空間電荷畸變電場

仍然為定性描述，無定量描述。氣體介質(zhì)的擊穿20電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment實(shí)驗(yàn)原理：圖

5－9放電云霧室結(jié)構(gòu)示意圖

1－火花間隙

2－石英窗

3－電極

4－玻璃壁

5－接泵

6－絕緣柱

1〕充H2O、乙醇，極性氣體在帶電離子周圍凝聚；2〕↓、↓，蒸汽→飽和；3〕改變電壓作用時(shí)間。1〕放電開始時(shí)，可以看到一些彼此獨(dú)立的電離區(qū)，由陰極向陽極伸長，形狀與電子崩模型大致相似，開展速度也和電子速度相近——電子崩2〕U↑，電離區(qū)頭部增大，速度突然加快，幾十倍電子崩增長速度——流注電子崩→流注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：氣體介質(zhì)的擊穿21電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment流注理論的物理概念

電子崩空間電荷對(duì)電場的畸變初電子崩→電場畸變→加強(qiáng)崩頭、崩尾的電場→中間形成等離子區(qū)→空間光電離→二次電子→崩頭、崩尾〔強(qiáng)電場〕→更強(qiáng)的碰撞電離→二次電子崩→匯入初崩→光子所到之處，二次崩立即形成并開展→等離子區(qū)向電極伸展→形成高導(dǎo)電通道→流注形成→擊穿，有明亮的火花通道氣體介質(zhì)的擊穿22電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment流注的兩種情況外施電壓>>擊穿電壓，初崩的頭部→電場畸變程度大，在初崩崩頭前方產(chǎn)生二次崩→二次崩匯入初崩→由陰極向陽極開展。陽極流注陰極流注外施電壓=擊穿電壓，電子崩走完整個(gè)間隙后，空間電荷濃度才足夠大，尾部電場加強(qiáng)，崩中部的光輻射作用在崩尾區(qū)產(chǎn)生二次崩，初崩尾部的正離子吸引二次崩頭部的電子，二次崩匯入初崩，形成流注。由陽極向陰極開展。氣體介質(zhì)的擊穿23電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment流注放電條件

初崩電子或離子濃度應(yīng)到達(dá)一定水平復(fù)合的可能增加→光子才能使空間光電離足夠多

或xc–初崩頭部電荷到達(dá)一定數(shù)量時(shí)崩的長度。上式得不到定量解。氣體介質(zhì)的擊穿24小結(jié):

氣體介質(zhì)的擊穿

〔1〕湯遜理論〔均勻電場〕巴申定律〔應(yīng)用〕〔2〕流注理論〔不均勻電場〕電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment主要問題：1、氣體自持放電的根本條件是什么？2、什么是巴申定律？適用條件如何？3、氣體擊穿的流注理論是什么？適用范圍如何？25電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment負(fù)電性氣體的擊穿

電子親和力大的一些氣體，如CCl4、SO2、SF6等，其電離能遠(yuǎn)沒有He等惰性氣體大，但其與空氣的耐壓性比〔相同pd時(shí)〕卻顯著的比He等惰性氣體的大?，F(xiàn)象主要原因電子親和力大，容易吸附電子生成負(fù)離子氣體介質(zhì)的擊穿26電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment有效電離系數(shù)=-

為附著系數(shù)

到達(dá)陽極的電子數(shù)

負(fù)離子：

正離子：

氣體介質(zhì)的擊穿27電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment二次電子：

即只有

才成立，

=

為臨界條件。E增大增大E增大減小氣體介質(zhì)的擊穿28電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment曲線〔1〕小，-與E的關(guān)系平緩曲線〔2〕大，-與E的關(guān)系陡1–空氣2–SF6在壓力p一定時(shí)，使=的電場強(qiáng)度就是這種氣體的擊穿場強(qiáng)。常壓下空氣的臨界場強(qiáng)約為2.7106V/m，SF6的臨界場強(qiáng)約為8.9106V/m。氣體介質(zhì)的擊穿29小結(jié):

氣體介質(zhì)的擊穿

〔1〕湯遜理論〔均勻電場〕巴申定律〔應(yīng)用〕〔2〕流注理論〔不均勻電場〕〔3〕負(fù)電性氣體的擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment主要問題：1、氣體自持放電的根本條件是什么？2、什么是巴申定律？適用條件如何？3、氣體擊穿的流注理論是什么？適用范圍如何？4、負(fù)電性氣體擊穿的特點(diǎn)是什么？30電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment四.極不均勻電場中氣體的擊穿極不均勻電場中的電暈放電極不均勻電場中氣體的擊穿

實(shí)際電氣設(shè)備中，電場分布大多是不均勻的，如各種帶電金屬件的尖角、高壓架空輸電線等，而且通常間隙距離很大，電場分布極不均勻。極不均勻電場中，在電壓還缺乏以導(dǎo)致?lián)舸┣?，小曲率半徑處電場最?qiáng)，出現(xiàn)藍(lán)紫色的暈光，稱為電暈放電。氣體介質(zhì)的擊穿31電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectricalInsulation

and

Power

Equipment電場強(qiáng)度強(qiáng)→碰撞電離→電子迅速離開→留下正空間電荷。極不均勻電場中的電暈放電剛出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓稱為電暈起始電壓。隨著外施電壓升高，電暈層擴(kuò)大。此時(shí)間隙中放電電流從微安級(jí)增大到毫安級(jí)。電場越不均勻，間隙擊穿電壓和電暈起始電壓間的差異越大。針板電極系統(tǒng)，不同電壓極性的影響。針-板間隙中針為正極性時(shí)電暈起始電壓比針為負(fù)極性時(shí)略高。氣體介質(zhì)的擊穿32電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKey

LaboratoryofElectric