《電介質(zhì)物理》課件電介質(zhì)的擊穿課件

1、電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿1工程電介質(zhì)物理學(xué)工程電介質(zhì)物理學(xué)電介質(zhì)的擊穿（電介質(zhì)的擊穿（4）Breakdown of Dielectrics李建英李建英2012年年4月月5月月 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿2氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿（1 1）負(fù)電性氣體的擊穿負(fù)電性氣體的擊穿 自持放電的判據(jù)：自持放電的判據(jù)：（2 2）極不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿極不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電暈起始電壓：針為正極性時(shí)高電暈起始電壓：針為正極性時(shí)高擊穿電壓：針為負(fù)

2、極性時(shí)高擊穿電壓：針為負(fù)極性時(shí)高（3 3）液體介質(zhì)的擊穿）液體介質(zhì)的擊穿高純度液體的擊穿理論：碰撞電離高純度液體的擊穿理論：碰撞電離氣泡擊穿理論：熱化氣、電離化氣氣泡擊穿理論：熱化氣、電離化氣雜質(zhì)擊穿理論：水橋、固體雜質(zhì)小橋模型雜質(zhì)擊穿理論：水橋、固體雜質(zhì)小橋模型電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment()11de 判據(jù)：碰撞電離開(kāi)始判據(jù)：碰撞電離發(fā)展到一定程度電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿3電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Elect

3、rical Insulation and Power Equipment4.4.固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿一一. .概述概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿有何與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿有何不同不同： 固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高擊穿后在材料中留下有不能恢復(fù)的痕跡，如燒焦或溶化擊穿后在材料中留下有不能恢復(fù)的痕跡，如燒焦或溶化的通道、裂縫等，去掉外施電壓，不能自行恢復(fù)絕緣性能的通道、裂縫等，去掉外施電壓，不能自行恢復(fù)絕緣性能 擊穿形式擊穿形式熱擊穿熱擊穿電擊穿電擊穿不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿 固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓

4、作用時(shí)間的關(guān)系與電壓作用時(shí)間的關(guān)系電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿4電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（一）熱擊穿（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定熱的不穩(wěn)定過(guò)程所造成的。過(guò)程所造成的。 電場(chǎng)散熱條件不利介質(zhì)損耗發(fā)熱溫度升高介質(zhì)分解、炭化擊穿影響因素影響因素與材料的性能有關(guān)與材料的性能有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類(lèi)、環(huán)境溫度等有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類(lèi)、環(huán)境溫度等有關(guān) 因此熱擊穿強(qiáng)度因此熱擊穿強(qiáng)度不能不能看作是電介質(zhì)材料的本

5、征特性參數(shù)看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù) （二）電擊穿（二）電擊穿 在較低溫度下，采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格在較低溫度下，采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀(guān)察到的一種擊穿現(xiàn)象。控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀(guān)察到的一種擊穿現(xiàn)象。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿5電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment主要特性：主要特性： 擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在515MV/cm范圍）范圍）在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大在

6、一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大 反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作用能力的最大限度反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作用能力的最大限度僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱(chēng)為耐電僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱(chēng)為耐電 強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度 （三）不均勻電介質(zhì)的擊穿（三）不均勻電介質(zhì)的擊穿包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式。包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式。擊穿往往是從耐電強(qiáng)度低的氣體中開(kāi)始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快擊穿往往是從耐電強(qiáng)度低的氣體中開(kāi)始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷

7、逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿?；蚵仉S時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿6電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment二二. .固體電介質(zhì)的熱擊穿固體電介質(zhì)的熱擊穿(一一)瓦格納熱擊穿理論瓦格納熱擊穿理論瓦格納熱擊穿模型 設(shè)固體介質(zhì)置于平板電極設(shè)固體介質(zhì)置于平板電極a、b之間，該介質(zhì)有之間，該介質(zhì)有一處或幾處的電阻比其周?chē)〉枚?，?gòu)成電介質(zhì)一處或幾處的電阻比其周?chē)〉枚?，?gòu)成電介質(zhì)中的低阻導(dǎo)電通道中的低阻導(dǎo)電通道 。 設(shè)通道的橫截面積設(shè)通道的

8、橫截面積S 長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為d導(dǎo)電率導(dǎo)電率 直流電壓直流電壓U 單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量: 2210 240 24USQ.URd單位時(shí)間散出的熱量單位時(shí)間散出的熱量: :20Qttd散熱系數(shù)散熱系數(shù)00et tt又又0t導(dǎo)電通道在溫度導(dǎo)電通道在溫度t0時(shí)的電導(dǎo)率；時(shí)的電導(dǎo)率；溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿7電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment發(fā)熱與散熱曲線(xiàn) 是溫度的函數(shù)，所以發(fā)熱量是溫度的函數(shù)，所以發(fā)熱量Q1也是溫度也是溫度的函數(shù)，因此對(duì)于不同的電

9、壓的函數(shù)，因此對(duì)于不同的電壓U值，值，Q1與與t的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)1、2、3分別分別為在電壓為在電壓U1、U2、U3 （U1U2U3）作用下，介質(zhì)發(fā)熱量與介質(zhì)導(dǎo)電通道溫度的作用下，介質(zhì)發(fā)熱量與介質(zhì)導(dǎo)電通道溫度的關(guān)系。而散熱量關(guān)系。而散熱量Q2與溫度差（與溫度差（tt0）成正比，）成正比，如圖中曲線(xiàn)如圖中曲線(xiàn)4所示所示 1214QQ高于發(fā)熱量散熱量不會(huì)熱平衡溫度不斷升高介質(zhì)熱擊穿QQ34 12=a與 兩個(gè)交點(diǎn)熱平衡點(diǎn)加熱到t 停留在穩(wěn)定狀態(tài)ctt12c124cQtct tQQQ2與 相切不穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)溫度上升到溫度繼續(xù)上升擊穿電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿8電力設(shè)備

10、電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment在切點(diǎn)在切點(diǎn)t應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件 12ccQ tQt12ddddcct tt tQQtt將將5-545-54、5555、5656代入上式代入上式00200 24ecttctcS.Uttdd0020 24ecttctS.Udd考慮到考慮到000ett002e0 24etcUd.S熱擊穿臨界電壓熱擊穿臨界電壓 0 0是是00時(shí)導(dǎo)電通道的電阻率時(shí)導(dǎo)電通道的電阻率 瓦格納熱擊穿理論適用條件：瓦格納熱擊穿理論適用條件：瓦格納熱擊穿理論適

11、用于一些固體介質(zhì)中存在有電阻率比其周?chē)〉枚嗟耐吒窦{熱擊穿理論適用于一些固體介質(zhì)中存在有電阻率比其周?chē)〉枚嗟?通道的情況，如絕緣紙、橡膠等材料。通道的情況，如絕緣紙、橡膠等材料。對(duì)于玻璃、石英等較均勻的介質(zhì)，瓦格納理論顯然就不適用了。對(duì)于玻璃、石英等較均勻的介質(zhì)，瓦格納理論顯然就不適用了。此外，瓦格納理論中有關(guān)導(dǎo)電通道的本質(zhì)、大小電導(dǎo)率和散熱系數(shù)等均是此外，瓦格納理論中有關(guān)導(dǎo)電通道的本質(zhì)、大小電導(dǎo)率和散熱系數(shù)等均是 未知數(shù)，要用它來(lái)計(jì)算固體介質(zhì)的熱擊穿電壓還是困難的。未知數(shù)，要用它來(lái)計(jì)算固體介質(zhì)的熱擊穿電壓還是困難的。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿9電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State K

12、ey Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（二）均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓的確定（二）均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓的確定單側(cè)散熱無(wú)限大一維平板介質(zhì)模型單側(cè)散熱無(wú)限大一維平板介質(zhì)模型厚度為厚度為d的無(wú)限大平板介質(zhì)處于平行板電極之間的無(wú)限大平板介質(zhì)處于平行板電極之間 材料結(jié)構(gòu)是材料結(jié)構(gòu)是完全均勻完全均勻的的 設(shè)設(shè)只有右側(cè)電極向周?chē)嶂挥杏覀?cè)電極向周?chē)?導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)K 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)x處單位面積的熱量處單位面積的熱量 ddxTQKx負(fù)號(hào)表示熱量向溫度降低方向流動(dòng)負(fù)號(hào)表示熱量向溫度降低方向流動(dòng) 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單

13、位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)xdx處單位面積的熱量處單位面積的熱量 ddddddxxTQKTxxx包括散熱、發(fā)熱和溫升在內(nèi)的熱平衡方程包括散熱、發(fā)熱和溫升在內(nèi)的熱平衡方程 2ddddddvTTcKExxx 考慮到介質(zhì)材料通常是在長(zhǎng)時(shí)間作用的交、直流電壓或短時(shí)間的脈沖電考慮到介質(zhì)材料通常是在長(zhǎng)時(shí)間作用的交、直流電壓或短時(shí)間的脈沖電壓下工作，可以近似化為兩種極端情況來(lái)討論方程式。壓下工作，可以近似化為兩種極端情況來(lái)討論方程式。 電壓作用時(shí)間很短，散熱來(lái)不及進(jìn)行的情況電壓作用時(shí)間很短，散熱來(lái)不及進(jìn)行的情況脈沖熱擊穿脈沖熱擊穿電壓長(zhǎng)時(shí)間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況電壓長(zhǎng)時(shí)間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況穩(wěn)態(tài)熱擊穿穩(wěn)

14、態(tài)熱擊穿 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿10電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1. 脈沖熱擊穿脈沖熱擊穿 電場(chǎng)作用時(shí)間很短，導(dǎo)熱過(guò)程忽略電場(chǎng)作用時(shí)間很短，導(dǎo)熱過(guò)程忽略2ddvTcEx如知道如知道EE(t)及及 （E，T），即可求得臨界溫度時(shí)的熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)），即可求得臨界溫度時(shí)的熱擊穿場(chǎng)強(qiáng) 假設(shè)脈沖電場(chǎng)為斜角波形電場(chǎng)：假設(shè)脈沖電場(chǎng)為斜角波形電場(chǎng)：ccEEttEc熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)tc至擊穿的時(shí)間至擊穿的時(shí)間電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)20dedTccvtETEEc由上面幾式可得由

15、上面幾式可得分離變量并積分分離變量并積分 0200eddccTETcTctTEEE c在環(huán)境溫度不高時(shí)，熱擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng)在環(huán)境溫度不高時(shí)，熱擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng) 01 222003eTvccc TEt TkTee00tc和和T0的影響的影響電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿11電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2. 穩(wěn)態(tài)熱擊穿穩(wěn)態(tài)熱擊穿 在外施電壓在外施電壓U U0 0作用下，在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)作用下，在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) 2ddddTEKxx+0電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E（d/dx） 則電流

16、密度則電流密度 ddjEx-代入上式得代入上式得 ddd0dddTjKxxx-+為簡(jiǎn)化，僅討論散熱條件極好，電極溫度始終等于周?chē)h(huán)境溫度為簡(jiǎn)化，僅討論散熱條件極好，電極溫度始終等于周?chē)h(huán)境溫度T0的情況的情況 此時(shí)介質(zhì)中心此時(shí)介質(zhì)中心x0處溫度最高，計(jì)為處溫度最高，計(jì)為T(mén)c dddddTjKxxxx0處，處，dT/dx00ddTjKx代入代入ddKT ddjEx-電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿12電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment積分得熱擊穿臨界電壓積分得熱擊穿臨界電壓 且

17、假定介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，即且假定介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，即K（T）K，得，得 若環(huán)境溫度不高時(shí)，若環(huán)境溫度不高時(shí)，T0，TcT0 由于由于U0c隨隨T0升高而增大遠(yuǎn)不如隨升高而增大遠(yuǎn)不如隨e1/T0降低快，所以近似為降低快，所以近似為020eTcUA A與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù) TkTee00分析：分析：熱擊穿電壓與溫度的關(guān)系：熱擊穿電壓與溫度的關(guān)系：002clnUln AT電阻率電阻率 001Te00lnlnT熱擊穿電壓的實(shí)驗(yàn)判據(jù)熱擊穿電壓的實(shí)驗(yàn)判據(jù) TcTcdTKU0208TcTTcdTeKU00208022102008TceKTU電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿13電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家

18、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系：熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系：00112222220000088eeTTcKTKTUA 12208KTA 020eT1g2021sg 熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系：與厚度無(wú)關(guān)熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系：與厚度無(wú)關(guān)晶體巖鹽熱擊穿電壓、電阻率與溫度的關(guān)系1熱擊穿電壓 2電阻率002clgUlg AT001Te00lglgT兩式比較，兩式比較，lgU0C1/T0與與lg1/T0都是直線(xiàn)都是直線(xiàn)關(guān)系，僅兩條直線(xiàn)的斜率相差一倍關(guān)系，僅兩條直線(xiàn)的斜率相差一倍

19、，圖與理，圖與理論相吻合。論相吻合。常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實(shí)驗(yàn)判據(jù)常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實(shí)驗(yàn)判據(jù) 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿14電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系式熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系式0cUA A 常數(shù)常數(shù) 當(dāng)所加電壓為交變電壓時(shí)，上式中的當(dāng)所加電壓為交變電壓時(shí)，上式中的為固體介質(zhì)的有效電阻率介質(zhì)在為固體介質(zhì)的有效電阻率介質(zhì)在交變電壓下的有效電阻率比直流電阻率要小，因此交流熱擊穿電壓通常低于交變電壓下的有效電阻率比直流電阻率要小，因此交流熱

20、擊穿電壓通常低于直流熱擊穿電壓。直流熱擊穿電壓。 根據(jù)上式，交流熱擊穿電壓與電介質(zhì)有效電阻率的平方根成正比，而根據(jù)上式，交流熱擊穿電壓與電介質(zhì)有效電阻率的平方根成正比，而有效電阻率又與電介質(zhì)的介電常數(shù)有效電阻率又與電介質(zhì)的介電常數(shù)r、損耗角正切、損耗角正切tg及電壓頻率及電壓頻率f成反比。成反比。 0tgcrBEf玻璃熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系玻璃熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系 可見(jiàn)熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨頻率升高而降低。這是由可見(jiàn)熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨頻率升高而降低。這是由于電介質(zhì)的損耗隨頻率的升高而增大，當(dāng)所加電于電介質(zhì)的損耗隨頻率的升高而增大，當(dāng)所加電壓的值相同時(shí)，電介質(zhì)的發(fā)熱隨頻率而增加，致壓的值相同時(shí)，電介質(zhì)的發(fā)熱隨

21、頻率而增加，致使熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。使熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。 熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無(wú)關(guān)。電介質(zhì)厚熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無(wú)關(guān)。電介質(zhì)厚度增大時(shí)，熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。度增大時(shí)，熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿15電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment三三. .固體電介質(zhì)的電擊穿固體電介質(zhì)的電擊穿理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：氣體放電的碰撞電離理論氣體放電的碰撞電離理論 ( ,)eE21er N又又2000固空氣2000ee氣2000bbEE固氣6E3 10 V/mb

22、 氣估算得估算得9E6 10 V/mb固晶格質(zhì)點(diǎn)晶格質(zhì)點(diǎn)： 不能自由熱運(yùn)動(dòng)；不能自由熱運(yùn)動(dòng)； 只能在晶格平衡位置上做微小振動(dòng)；只能在晶格平衡位置上做微小振動(dòng)； 這些熱振動(dòng)相互關(guān)聯(lián)；這些熱振動(dòng)相互關(guān)聯(lián)； 形成一系列頻率的晶格振動(dòng)；形成一系列頻率的晶格振動(dòng)； 以波的形式在固體介質(zhì)中傳播以波的形式在固體介質(zhì)中傳播 晶格波晶格波。電子晶格波電子與晶格波的相互作用：電子與晶格波的相互作用：電子可以失去能量，而被制動(dòng)電子可以失去能量，而被制動(dòng) 電子從晶格波得到能量而進(jìn)一步加速，只有在電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，電子才可電子從晶格波得到能量而進(jìn)一步加速，只有在電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，電子才可以獲得引起碰撞電離的能量以獲得引起碰撞電離的

23、能量 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿16電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 在強(qiáng)電場(chǎng)下固體導(dǎo)帶中可能因在強(qiáng)電場(chǎng)下固體導(dǎo)帶中可能因場(chǎng)致發(fā)射或熱發(fā)射場(chǎng)致發(fā)射或熱發(fā)射而存在一些導(dǎo)電電子，這而存在一些導(dǎo)電電子，這些電子在外電場(chǎng)作用下被加速些電子在外電場(chǎng)作用下被加速獲得動(dòng)能獲得動(dòng)能，同時(shí)在其運(yùn)動(dòng)中又與晶格振動(dòng)相互作，同時(shí)在其運(yùn)動(dòng)中又與晶格振動(dòng)相互作用而用而激發(fā)晶格振動(dòng)激發(fā)晶格振動(dòng)，把電場(chǎng)的能量傳遞給晶格把電場(chǎng)的能量傳遞給晶格： 1.1.當(dāng)這兩個(gè)過(guò)程在一定的溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)

24、有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)這兩個(gè)過(guò)程在一定的溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)； 2.2.當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到能量大于損于給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到能量大于損于給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來(lái)越大，越來(lái)越大， 當(dāng)電子能量大到一定值后，電子與晶格振動(dòng)的相互作用便導(dǎo)致電離產(chǎn)生新當(dāng)電子能量大到一定值后，電子與晶格振動(dòng)的相互作用便導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿開(kāi)始發(fā)生。電子，自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿開(kāi)始發(fā)生。碰撞電離理論，本征電擊穿理論碰撞電離理論，本征電擊穿理論碰撞電離開(kāi)始作為擊穿判據(jù)碰撞電離開(kāi)始作為擊穿判據(jù)雪崩擊穿理論雪崩

25、擊穿理論碰撞電離開(kāi)始后，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞電介質(zhì)碰撞電離開(kāi)始后，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞電介質(zhì)結(jié)構(gòu)為擊穿判據(jù)。結(jié)構(gòu)為擊穿判據(jù)。 按擊穿判定條件不同，電擊穿理論可分為兩大類(lèi)：按擊穿判定條件不同，電擊穿理論可分為兩大類(lèi)： 本世紀(jì)本世紀(jì)30年代，年代，Hippel和和Frohlich以固體物理為基礎(chǔ)，量子力學(xué)為工具，以固體物理為基礎(chǔ)，量子力學(xué)為工具，發(fā)展起來(lái)了固體電介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論。發(fā)展起來(lái)了固體電介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿17電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation

26、 and Power Equipment（一）本征電擊穿理論（一）本征電擊穿理論 在電場(chǎng)在電場(chǎng)E E的作用下，電子被加速，它的平均速度為的作用下，電子被加速，它的平均速度為*eFeEmm電子單位時(shí)間從電場(chǎng)獲得的能量電子單位時(shí)間從電場(chǎng)獲得的能量 22ee EAFvm松弛時(shí)間松弛時(shí)間與電子能量有關(guān)與電子能量有關(guān) AA Eu，晶格振動(dòng)的能量是晶格振動(dòng)的能量是量子化量子化的的 聲子聲子 電子放出聲子的概率總大于電子吸收聲子的概率，所以電子給予晶格振動(dòng)的電子放出聲子的概率總大于電子吸收聲子的概率，所以電子給予晶格振動(dòng)的能量總大于它們從晶格振動(dòng)獲得的能量。能量總大于它們從晶格振動(dòng)獲得的能量。 設(shè)單位時(shí)間內(nèi)

27、電子與晶格振動(dòng)相互作用為設(shè)單位時(shí)間內(nèi)電子與晶格振動(dòng)相互作用為1/次，則電子單次，則電子單位時(shí)間中損失給晶格振動(dòng)的能量為位時(shí)間中損失給晶格振動(dòng)的能量為 CB晶格振動(dòng)與溫度有關(guān)，上式可改寫(xiě)為晶格振動(dòng)與溫度有關(guān)，上式可改寫(xiě)為 0BB Tu，0A EuB Tu，使該式成立的使該式成立的 maxE為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿18電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment本征電擊穿理論又分為本征電擊穿理論又分為單電子近似單電子近似和和集合電子近似集合電子近似兩種理論兩

28、種理論 。單電子近似理論單電子近似理論假設(shè)：假設(shè)：略去電介質(zhì)中導(dǎo)電電子間的相互作用，用強(qiáng)電場(chǎng)下單個(gè)電子的平均特略去電介質(zhì)中導(dǎo)電電子間的相互作用，用強(qiáng)電場(chǎng)下單個(gè)電子的平均特性來(lái)求取擊穿場(chǎng)強(qiáng)。把導(dǎo)電電子與晶格振動(dòng)的相互作用，看成是對(duì)晶格周期性來(lái)求取擊穿場(chǎng)強(qiáng)。把導(dǎo)電電子與晶格振動(dòng)的相互作用，看成是對(duì)晶格周期勢(shì)場(chǎng)的微擾，解出相互作用概率，然后通過(guò)能量平衡方程求出臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。勢(shì)場(chǎng)的微擾，解出相互作用概率，然后通過(guò)能量平衡方程求出臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。平衡點(diǎn)隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加向電子能量平衡點(diǎn)隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加向電子能量減小的方向移動(dòng)，即場(chǎng)強(qiáng)增大，到減小的方向移動(dòng)，即場(chǎng)強(qiáng)增大，到達(dá)平衡時(shí)電子具有的能量減小達(dá)平衡時(shí)電子具有

29、的能量減小 。電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿19電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1) Hippel低能電擊穿判據(jù)低能電擊穿判據(jù) 4cuu 0HccA EuB Tu，22*He EAm*2Hm BEe4cuuw 低能電子低能電子 希伯爾電擊穿臨界條件意味著，低能電子單位時(shí)間從電場(chǎng)獲得的能量超過(guò)最希伯爾電擊穿臨界條件意味著，低能電子單位時(shí)間從電場(chǎng)獲得的能量超過(guò)最大的能量損耗，才能導(dǎo)致碰撞電離的發(fā)生，當(dāng)然能量大于大的能量損耗，才能導(dǎo)致碰撞電離的發(fā)生，當(dāng)然能量大于 的其他電子，的

30、其他電子，也一定可以從電場(chǎng)得到足夠的能量而引起碰撞電離。也一定可以從電場(chǎng)得到足夠的能量而引起碰撞電離。 4希伯爾認(rèn)為擊穿是由低能電子造成的，故稱(chēng)為低能判據(jù)。希伯爾認(rèn)為擊穿是由低能電子造成的，故稱(chēng)為低能判據(jù)。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿20電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2)Frohlich高能電擊穿判據(jù)高能電擊穿判據(jù) 以電子能量以電子能量uu1時(shí)的平衡條件作為時(shí)的平衡條件作為擊穿的臨界條件擊穿的臨界條件 Frohlich臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng) 晶格電離能晶格電離能

31、*2Fm BEe得得IuuFrohlich認(rèn)為，晶體導(dǎo)帶中的電子是按能量以一定幾率分布的，具有各認(rèn)為，晶體導(dǎo)帶中的電子是按能量以一定幾率分布的，具有各種能量的電子都以一定幾率存在，其中大多數(shù)電子能量較低，少數(shù)是種能量的電子都以一定幾率存在，其中大多數(shù)電子能量較低，少數(shù)是高能量電子。如果加速高能量電子。如果加速 附近的電子，就能引起碰撞電離。附近的電子，就能引起碰撞電離。 IuFrohlich認(rèn)為擊穿是由高能電子造成的，故稱(chēng)為高能判據(jù)認(rèn)為擊穿是由高能電子造成的，故稱(chēng)為高能判據(jù) ),(),(0IIFuTBuEA電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿21電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Labo

32、ratory of Electrical Insulation and Power EquipmentHippel和和Frohlich判據(jù)的區(qū)別：判據(jù)的區(qū)別： Hippel： 電場(chǎng)開(kāi)始加速電場(chǎng)開(kāi)始加速 4的低能電子引起的，這電場(chǎng)可以加速幾乎所有的低能電子引起的，這電場(chǎng)可以加速幾乎所有充分條件，充分條件， HE高高 Frohlich：電場(chǎng)開(kāi)始加速能量接近電場(chǎng)開(kāi)始加速能量接近 Iu的高能電子引起的，這電場(chǎng)可以加速少的高能電子引起的，這電場(chǎng)可以加速少部分電子部分電子必要條件，必要條件， FE低低 FHEEFHEEE實(shí)驗(yàn)值表表5-10中，中， 的電子的電子由實(shí)驗(yàn)規(guī)律知：電擊穿在由實(shí)驗(yàn)規(guī)律知：電擊穿在T

33、0較低時(shí)，較低時(shí)，0bdEdT這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)，含雜質(zhì)晶體這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)，含雜質(zhì)晶體或非晶態(tài)電介質(zhì)中，存在于雜或非晶態(tài)電介質(zhì)中，存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子很少，它們之質(zhì)能級(jí)上的電子很少，它們之間的間的相互作用可以忽略不計(jì)。相互作用可以忽略不計(jì)。 但高溫時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)但高溫時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)目增多，不僅同導(dǎo)電電子相互作用，且目增多，不僅同導(dǎo)電電子相互作用，且自相作用，形成自相作用，形成電子系電子系。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿22電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equi

34、pment集合電子近似理論集合電子近似理論由由Frohlich針對(duì)無(wú)定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸┨岢鰜?lái)的針對(duì)無(wú)定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸┨岢鰜?lái)的 以以nC、nS和和nD分別表示導(dǎo)帶、淺陷阱和分別表示導(dǎo)帶、淺陷阱和深陷阱上的電子數(shù)深陷阱上的電子數(shù) 假設(shè)假設(shè) 則有則有eeV kTCSnn 導(dǎo)帶底部和淺陷阱底部附近能級(jí)密度之比導(dǎo)帶底部和淺陷阱底部附近能級(jí)密度之比 單位時(shí)間自由電子獲得能量為單位時(shí)間自由電子獲得能量為 能量損失主要是能量損失主要是由雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格由雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格，它是由，它是由吸收吸收和放出聲子和放出聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。0eBB TT，A、B都是通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)激

35、發(fā)態(tài)上的電子數(shù)都是通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)nS來(lái)實(shí)現(xiàn)的來(lái)實(shí)現(xiàn)的 00eeA ETTTT， ，B，平衡關(guān)系平衡關(guān)系 22220eeV kTceCcsee EA ETTnnEmm， ，DSCnnnWVkTeT0-晶格溫度，Te-電子系溫度電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿23電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment能量增益速率能量增益速率A A，B B能量損失速率能量損失速率與電子系溫度與電子系溫度TeTe的關(guān)系的關(guān)系由圖中可以看出，電子系從電場(chǎng)獲得由圖中可以看出，電子系從電場(chǎng)獲得的

36、能量隨電子系溫度升高而迅速增大，的能量隨電子系溫度升高而迅速增大，而傳遞給晶格的能量也隨電子系溫度而傳遞給晶格的能量也隨電子系溫度升高而增加，但升高而增加，但增加速率愈來(lái)愈慢增加速率愈來(lái)愈慢。 00eeA ETTTT， ，B， Ec集合電子近似的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)集合電子近似的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng) 0ln2cVECkT解得解得上式表明，隨著上式表明，隨著晶格溫度晶格溫度T0的增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)的增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec下降下降。這與固體電介質(zhì)。這與固體電介質(zhì)的高溫電擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實(shí)驗(yàn)規(guī)律是一致的。的高溫電擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實(shí)驗(yàn)規(guī)律是一致的。 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿24電力設(shè)備電

37、氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment場(chǎng)致發(fā)射擊穿場(chǎng)致發(fā)射擊穿 （2）雪崩擊穿理論）雪崩擊穿理論根據(jù)雪崩激勵(lì)的不同，分為：根據(jù)雪崩激勵(lì)的不同，分為：場(chǎng)致發(fā)射擊穿場(chǎng)致發(fā)射擊穿碰撞電離雪崩擊穿碰撞電離雪崩擊穿 2/B EjAE e價(jià)帶向?qū)?chǎng)致發(fā)射電子價(jià)帶向?qū)?chǎng)致發(fā)射電子電子雪崩電子雪崩 j 向晶格注入能量向晶格注入能量 0T (if 00TT臨界溫度）導(dǎo)致?lián)舸┡R界溫度）導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)致發(fā)射擊穿場(chǎng)致發(fā)射擊穿 Zener用量子力學(xué)計(jì)算用量子力學(xué)計(jì)算FranZ再修正再修正應(yīng)用脈沖熱擊穿的標(biāo)準(zhǔn)作

38、為臨界條件，忽略傳導(dǎo)熱應(yīng)用脈沖熱擊穿的標(biāo)準(zhǔn)作為臨界條件，忽略傳導(dǎo)熱 電介質(zhì)物理課件電介質(zhì)的擊穿25電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment73 2202l4 1010nccIEt電離能（即禁帶寬度）電離能（即禁帶寬度） 至擊穿的時(shí)間至擊穿的時(shí)間 式中式中I 的單位為的單位為eV，tc單位為單位為s。對(duì)于大多數(shù)電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，。對(duì)于大多數(shù)電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，I約為約為27eV，在加壓時(shí)間為在加壓時(shí)間為s的寬廣范圍內(nèi)的寬廣范圍內(nèi),上式給出的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為上式給出的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為109V/m。 碰撞電離雪崩擊穿碰撞電離雪崩擊穿基礎(chǔ)基礎(chǔ):導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)帶中的電子 E 發(fā)生碰撞電離發(fā)生碰撞電離由陰極向陽(yáng)