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1、1工程电介质物理学工程电介质物理学电介质的击穿（电介质的击穿（4）Breakdown of Dielectrics李建英李建英2012年年4月月5月月 电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2气体介质的击穿气体介质的击穿（1 1）负电性气体的击穿负电性气体的击穿 自持放电的判据：自持放电的判据：（2 2）极不均匀电场中气体的击穿极不均匀电场中气体的击穿电晕起始电压：针为正极性时高电晕起始电压：针为正极性时高击穿电压：针为负极性时高击穿电压：针为负极性时高（3 3）液体介质的
2、击穿）液体介质的击穿高纯度液体的击穿理论：碰撞电离高纯度液体的击穿理论：碰撞电离气泡击穿理论：热化气、电离化气气泡击穿理论：热化气、电离化气杂质击穿理论：水桥、固体杂质小桥模型杂质击穿理论：水桥、固体杂质小桥模型电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment()11de 判据：碰撞电离开始判据：碰撞电离发展到一定程度3电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment4.4
3、.固体电介质的击穿固体电介质的击穿一一. .概述概述与气体、液体介质相比，固体介质的击穿有何与气体、液体介质相比，固体介质的击穿有何不同不同： 固体介质的击穿场强较高固体介质的击穿场强较高击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或溶化击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或溶化的通道、裂缝等，去掉外施电压，不能自行恢复绝缘性能的通道、裂缝等，去掉外施电压，不能自行恢复绝缘性能 击穿形式击穿形式热击穿热击穿电击穿电击穿不均匀介质局部放电引起击穿不均匀介质局部放电引起击穿 固体电介质击穿场强固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系4电力设备电气绝缘国家重点实验室State
4、Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（一）热击穿（一）热击穿由于电介质内部由于电介质内部热的不稳定热的不稳定过程所造成的。过程所造成的。 电场散热条件不利介质损耗发热温度升高介质分解、炭化击穿影响因素影响因素与材料的性能有关与材料的性能有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关 因此热击穿强度因此热击穿强度不能不能看作是电介质材料的本征特性参数看作是电介质材料的本征特性参数 （二）电击穿（二）电击穿 在较低温度下，采用了消除边缘效应的电
5、极装置等严格在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。 5电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment主要特性：主要特性： 击穿场强高（大致在击穿场强高（大致在515MV/cm范围）范围）在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大 反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度反映了固体介质耐受电场作用能力的最大
6、限度仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为耐电仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为耐电 强度或电气强度强度或电气强度 （三）不均匀电介质的击穿（三）不均匀电介质的击穿包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局部放电，然后或快击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。 6电力设备电气绝缘国家重点实验室State K
7、ey Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment二二. .固体电介质的热击穿固体电介质的热击穿(一一)瓦格纳热击穿理论瓦格纳热击穿理论瓦格纳热击穿模型 设固体介质置于平板电极设固体介质置于平板电极a、b之间，该介质有之间，该介质有一处或几处的电阻比其周围小得多，构成电介质一处或几处的电阻比其周围小得多，构成电介质中的低阻导电通道中的低阻导电通道 。 设通道的横截面积设通道的横截面积S 长度为长度为d导电率导电率 直流电压直流电压U 单位时间产生的热量单位时间产生的热量: 2210 240 24USQ.URd单位时间散出的热量单
8、位时间散出的热量: :20Qttd散热系数散热系数00et tt又又0t导电通道在温度导电通道在温度t0时的电导率；时的电导率；温度系数。温度系数。7电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment发热与散热曲线 是温度的函数，所以发热量是温度的函数，所以发热量Q1也是温度也是温度的函数，因此对于不同的电压的函数，因此对于不同的电压U值，值，Q1与与t的关系是一簇指数曲线，曲线的关系是一簇指数曲线，曲线1、2、3分别分别为在电压为在电压U1、U2、U3 （U1U2U3）作用下，介质发
9、热量与介质导电通道温度的作用下，介质发热量与介质导电通道温度的关系。而散热量关系。而散热量Q2与温度差（与温度差（tt0）成正比，）成正比，如图中曲线如图中曲线4所示所示 1214QQ高于发热量散热量不会热平衡温度不断升高介质热击穿QQ34 12=a与 两个交点热平衡点加热到t 停留在稳定状态ctt12c124cQtct tQQQ2与 相切不稳定热平衡点温度上升到温度继续上升击穿8电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment在切点在切点t应满足以下两个条件应满足以下两个条件 12
10、ccQ tQt12ddddcct tt tQQtt将将5-545-54、5555、5656代入上代入上式式00200 24ecttctcS.Uttdd0020 24ecttctS.Udd考虑到考虑到000ett002e0 24etcUd.S热击穿临界电压热击穿临界电压 0 0是是00时导电通道的电阻率时导电通道的电阻率 瓦格纳热击穿理论适用条件：瓦格纳热击穿理论适用条件：瓦格纳热击穿理论适用于一些固体介质中存在有电阻率比其周围小得多的瓦格纳热击穿理论适用于一些固体介质中存在有电阻率比其周围小得多的 通道的情况，如绝缘纸、橡胶等材料。通道的情况，如绝缘纸、橡胶等材料。对于玻璃、石英等较均匀的介质
11、，瓦格纳理论显然就不适用了。对于玻璃、石英等较均匀的介质，瓦格纳理论显然就不适用了。此外，瓦格纳理论中有关导电通道的本质、大小电导率和散热系数等均是此外，瓦格纳理论中有关导电通道的本质、大小电导率和散热系数等均是 未知数，要用它来计算固体介质的热击穿电压还是困难的。未知数，要用它来计算固体介质的热击穿电压还是困难的。 9电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（二）均匀固体电介质热击穿电压的确定（二）均匀固体电介质热击穿电压的确定单侧散热无限大一维平板介质模型单侧散热无限大一
12、维平板介质模型厚度为厚度为d的无限大平板介质处于平行板电极之间的无限大平板介质处于平行板电极之间 材料结构是材料结构是完全均匀完全均匀的的 设设只有右侧电极向周围散热只有右侧电极向周围散热 导热系数导热系数K 单位时间内流经单位时间内流经x处单位面积的热量处单位面积的热量 ddxTQKx负号表示热量向温度降低方向流动负号表示热量向温度降低方向流动 单位时间内流经单位时间内流经xdx处单位面积的热量处单位面积的热量 ddddddxxTQKTxxx包括散热、发热和温升在内的热平衡方程包括散热、发热和温升在内的热平衡方程 2ddddddvTTcKExxx 考虑到介质材料通常是在长时间作用的交、直流电
13、压或短时间的脉冲电考虑到介质材料通常是在长时间作用的交、直流电压或短时间的脉冲电压下工作，可以近似化为两种极端情况来讨论方程式。压下工作，可以近似化为两种极端情况来讨论方程式。 电压作用时间很短，散热来不及进行的情况电压作用时间很短，散热来不及进行的情况脉冲热击穿脉冲热击穿电压长时间作用，介质内温度变化极慢的情况电压长时间作用，介质内温度变化极慢的情况稳态热击穿稳态热击穿 10电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1. 脉冲热击穿脉冲热击穿 电场作用时间很短，导热过程忽略电
14、场作用时间很短，导热过程忽略2ddvTcEx如知道如知道EE(t)及及 （E，T），即可求得临界温度时的热击穿场强），即可求得临界温度时的热击穿场强 假设脉冲电场为斜角波形电场：假设脉冲电场为斜角波形电场：ccEEttEc热击穿场强热击穿场强tc至击穿的时间至击穿的时间电场不太强时电场不太强时20dedTccvtETEEc由上面几式可得由上面几式可得分离变量并积分分离变量并积分 0200eddccTETcTctTEEE c在环境温度不高时，热击穿临界场强在环境温度不高时，热击穿临界场强 01 222003eTvccc TEt TkTee00tc和和T0的影响的影响11电力设备电气绝缘国家重点实
15、验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2. 稳态热击穿稳态热击穿 在外施电压在外施电压U U0 0作用下，在介质处于稳定状态时作用下，在介质处于稳定状态时 2ddddTEKxx+0电场强度电场强度E（d/dx） 则电流密度则电流密度 ddjEx-代入上式得代入上式得 ddd0dddTjKxxx-+为简化，仅讨论散热条件极好，电极温度始终等于周围环境温度为简化，仅讨论散热条件极好，电极温度始终等于周围环境温度T0的情况的情况 此时介质中心此时介质中心x0处温度最高，计为处温度最高，计为Tc ddddd
16、TjKxxxx0处，处，dT/dx00ddTjKx代入代入ddKT ddjEx-12电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment积分得热击穿临界电压积分得热击穿临界电压 且假定介质的导热系数为常数，即且假定介质的导热系数为常数，即K（T）K，得，得 若环境温度不高时，若环境温度不高时，T0，TcT0 由于由于U0c随随T0升高而增大远不如随升高而增大远不如随e1/T0降低快，所以近似为降低快，所以近似为020eTcUA A与材料有关的常数与材料有关的常数 TkTee00分析：分析
17、：热击穿电压与温度的关系：热击穿电压与温度的关系：002clnUln AT电阻率电阻率 001Te00lnlnT热击穿电压的实验判据热击穿电压的实验判据 TcTcdTKU0208TcTTcdTeKU00208022102008TceKTU13电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment热击穿电压与频率的关系：热击穿电压与频率的关系：00112222220000088eeTTcKTKTUA 12208KTA 020eT1g2021sg 热击穿电压与厚度的关系：与厚度无关热击穿电压与
18、厚度的关系：与厚度无关晶体岩盐热击穿电压、电阻率与温度的关系1热击穿电压 2电阻率002clgUlg AT001Te00lglgT两式比较，两式比较，lgU0C1/T0与与lg1/T0都是直线都是直线关系，仅两条直线的斜率相差一倍关系，仅两条直线的斜率相差一倍 ，图与理，图与理论相吻合。论相吻合。常用这一关系作为热击穿的实验判据常用这一关系作为热击穿的实验判据 14电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment热击穿电压与频率的关系式热击穿电压与频率的关系式0cUA A 常数常数
19、当所加电压为交变电压时，上式中的当所加电压为交变电压时，上式中的为固体介质的有效电阻率介质在为固体介质的有效电阻率介质在交变电压下的有效电阻率比直流电阻率要小，因此交流热击穿电压通常低于交变电压下的有效电阻率比直流电阻率要小，因此交流热击穿电压通常低于直流热击穿电压。直流热击穿电压。 根据上式，交流热击穿电压与电介质有效电阻率的平方根成正比，而根据上式，交流热击穿电压与电介质有效电阻率的平方根成正比，而有效电阻率又与电介质的介电常数有效电阻率又与电介质的介电常数r、损耗角正切、损耗角正切tg及电压频率及电压频率f成反比。成反比。 0tgcrBEf玻璃热击穿场强与频率的关系玻璃热击穿场强与频率的
20、关系 可见热击穿场强随频率升高而降低。这是由可见热击穿场强随频率升高而降低。这是由于电介质的损耗随频率的升高而增大，当所加电于电介质的损耗随频率的升高而增大，当所加电压的值相同时，电介质的发热随频率而增加，致压的值相同时，电介质的发热随频率而增加，致使热击穿场强下降。使热击穿场强下降。 热击穿电压与电介质厚度无关。电介质厚热击穿电压与电介质厚度无关。电介质厚度增大时，热击穿场强表现出降低的趋势。度增大时，热击穿场强表现出降低的趋势。15电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment
21、三三. .固体电介质的电击穿固体电介质的电击穿理论基础：理论基础：气体放电的碰撞电离理论气体放电的碰撞电离理论 ( ,)eE21er N又又2000固空气2000ee气2000bbEE固气6E3 10 V/mb 气估算得估算得9E6 10 V/mb固晶格质点晶格质点： 不能自由热运动；不能自由热运动； 只能在晶格平衡位置上做微小振动；只能在晶格平衡位置上做微小振动； 这些热振动相互关联；这些热振动相互关联； 形成一系列频率的晶格振动；形成一系列频率的晶格振动； 以波的形式在固体介质中传播以波的形式在固体介质中传播 晶格波晶格波。电子晶格波电子与晶格波的相互作用：电子与晶格波的相互作用：电子可以
22、失去能量，而被制动电子可以失去能量，而被制动 电子从晶格波得到能量而进一步加速，只有在电场很强时，电子才可电子从晶格波得到能量而进一步加速，只有在电场很强时，电子才可以获得引起碰撞电离的能量以获得引起碰撞电离的能量 16电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 在强电场下固体导带中可能因在强电场下固体导带中可能因场致发射或热发射场致发射或热发射而存在一些导电电子，这而存在一些导电电子，这些电子在外电场作用下被加速些电子在外电场作用下被加速获得动能获得动能，同时在其运动中又与晶
23、格振动相互作，同时在其运动中又与晶格振动相互作用而用而激发晶格振动激发晶格振动，把电场的能量传递给晶格把电场的能量传递给晶格： 1.1.当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导； 2.2.当电子从电场中得到能量大于损于给晶格振动的能量时，电子的动能就当电子从电场中得到能量大于损于给晶格振动的能量时，电子的动能就越来越大，越来越大， 当电子能量大到一定值后，电子与晶格振动的相互作用便导致电离产生新当电子能量大到一定值后，电子与晶格振动的相互作用便导致电离产生新电子，自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿开始发
24、生。电子，自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿开始发生。碰撞电离理论，本征电击穿理论碰撞电离理论，本征电击穿理论碰撞电离开始作为击穿判据碰撞电离开始作为击穿判据雪崩击穿理论雪崩击穿理论碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构为击穿判据。结构为击穿判据。 按击穿判定条件不同，电击穿理论可分为两大类：按击穿判定条件不同，电击穿理论可分为两大类： 本世纪本世纪30年代，年代，Hippel和和Frohlich以固体物理为基础，量子力学为工具，以固体物理为基础，量子力学为工具，发展起来了固体电介质电击穿的碰撞电离理论。发展起来了
25、固体电介质电击穿的碰撞电离理论。 17电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（一）本征电击穿理论（一）本征电击穿理论 在电场在电场E E的作用下，电子被加速，它的平均速度为的作用下，电子被加速，它的平均速度为*eFeEmm电子单位时间从电场获得的能量电子单位时间从电场获得的能量 22ee EAFvm松弛时间松弛时间与电子能量有关与电子能量有关 AA Eu，晶格振动的能量是晶格振动的能量是量子化量子化的的 声子声子 电子放出声子的概率总大于电子吸收声子的概率，所以电子给予晶格
26、振动的电子放出声子的概率总大于电子吸收声子的概率，所以电子给予晶格振动的能量总大于它们从晶格振动获得的能量。能量总大于它们从晶格振动获得的能量。 设单位时间内电子与晶格振动相互作用为设单位时间内电子与晶格振动相互作用为1/次，则电子单次，则电子单位时间中损失给晶格振动的能量为位时间中损失给晶格振动的能量为 CB晶格振动与温度有关，上式可改写为晶格振动与温度有关，上式可改写为 0BB Tu，0A EuB Tu，使该式成立的使该式成立的 maxE为击穿场强。为击穿场强。18电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation an
27、d Power Equipment本征电击穿理论又分为本征电击穿理论又分为单电子近似单电子近似和和集合电子近似集合电子近似两种理论两种理论 。单电子近似理论单电子近似理论假设：假设：略去电介质中导电电子间的相互作用，用强电场下单个电子的平均特略去电介质中导电电子间的相互作用，用强电场下单个电子的平均特性来求取击穿场强。把导电电子与晶格振动的相互作用，看成是对晶格周期性来求取击穿场强。把导电电子与晶格振动的相互作用，看成是对晶格周期势场的微扰，解出相互作用概率，然后通过能量平衡方程求出临界击穿场强。势场的微扰，解出相互作用概率，然后通过能量平衡方程求出临界击穿场强。平衡点随着场强的增加向电子能量
28、平衡点随着场强的增加向电子能量减小的方向移动，即场强增大，到减小的方向移动，即场强增大，到达平衡时电子具有的能量减小达平衡时电子具有的能量减小 。19电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1) Hippel低能电击穿判据低能电击穿判据 4cuu 0HccA EuB Tu，22*He EAm*2Hm BEe4cuuw 低能电子低能电子 希伯尔电击穿临界条件意味着，低能电子单位时间从电场获得的能量超过最希伯尔电击穿临界条件意味着，低能电子单位时间从电场获得的能量超过最大的能量损
29、耗，才能导致碰撞电离的发生，当然能量大于大的能量损耗，才能导致碰撞电离的发生，当然能量大于 的其他电子，的其他电子，也一定可以从电场得到足够的能量而引起碰撞电离。也一定可以从电场得到足够的能量而引起碰撞电离。 4希伯尔认为击穿是由低能电子造成的，故称为低能判据。希伯尔认为击穿是由低能电子造成的，故称为低能判据。 20电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2)Frohlich高能电击穿判据高能电击穿判据 以电子能量以电子能量uu1时的平衡条件作为时的平衡条件作为击穿的临界条件
30、击穿的临界条件 Frohlich临界击穿场强临界击穿场强 晶格电离能晶格电离能 *2Fm BEe得得IuuFrohlich认为，晶体导带中的电子是按能量以一定几率分布的，具有各认为，晶体导带中的电子是按能量以一定几率分布的，具有各种能量的电子都以一定几率存在，其中大多数电子能量较低，少数是种能量的电子都以一定几率存在，其中大多数电子能量较低，少数是高能量电子。如果加速高能量电子。如果加速 附近的电子，就能引起碰撞电离。附近的电子，就能引起碰撞电离。 IuFrohlich认为击穿是由高能电子造成的，故称为高能判据认为击穿是由高能电子造成的，故称为高能判据 ),(),(0IIFuTBuEA21电力
31、设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentHippel和和Frohlich判据的区别：判据的区别： Hippel： 电场开始加速电场开始加速 4的低能电子引起的，这电场可以加速几乎所有的低能电子引起的，这电场可以加速几乎所有充分条件，充分条件， HE高高 Frohlich：电场开始加速能量接近电场开始加速能量接近 Iu的高能电子引起的，这电场可以加速少的高能电子引起的，这电场可以加速少部分电子部分电子必要条件，必要条件， FE低低 FHEEFHEEE实验值表表5-10中，中， 的电
32、子的电子由实验规律知：电击穿在由实验规律知：电击穿在T0较低时，较低时，0bdEdT这是因为低温时，含杂质晶体这是因为低温时，含杂质晶体或非晶态电介质中，存在于杂或非晶态电介质中，存在于杂质能级上的电子很少，它们之质能级上的电子很少，它们之间的间的相互作用可以忽略不计。相互作用可以忽略不计。 但高温时，杂质能级激发态上的电子数但高温时，杂质能级激发态上的电子数目增多，不仅同导电电子相互作用，且目增多，不仅同导电电子相互作用，且自相作用，形成自相作用，形成电子系电子系。 22电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation
33、and Power Equipment集合电子近似理论集合电子近似理论由由Frohlich针对无定形固体电介质的高温击穿提出来的针对无定形固体电介质的高温击穿提出来的 以以nC、nS和和nD分别表示导带、浅陷阱和分别表示导带、浅陷阱和深陷阱上的电子数深陷阱上的电子数 假设假设 则有则有eeV kTCSnn 导带底部和浅陷阱底部附近能级密度之比导带底部和浅陷阱底部附近能级密度之比 单位时间自由电子获得能量为单位时间自由电子获得能量为 能量损失主要是能量损失主要是由杂质能级激发态上电子传给晶格由杂质能级激发态上电子传给晶格，它是由，它是由吸收吸收和放出声子和放出声子来实现的。来实现的。0eBB T
34、T，A、B都是通过杂质能级激发态上的电子数都是通过杂质能级激发态上的电子数nS来实现的来实现的 00eeA ETTTT， ，B，平衡关系平衡关系 22220eeV kTceCcsee EA ETTnnEmm， ，DSCnnnWVkTeT0-晶格温度，Te-电子系温度23电力设备电气绝缘国家重点实验室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能量损失速率能量损失速率与电子系温度与电子系温度TeTe的关系的关系由图中可以看出，电子系从电场获得由图中可以看出，电子系从电场获得
35、的能量随电子系温度升高而迅速增大，的能量随电子系温度升高而迅速增大，而传递给晶格的能量也随电子系温度而传递给晶格的能量也随电子系温度升高而增加，但升高而增加，但增加速率愈来愈慢增加速率愈来愈慢。 00eeA ETTTT， ，B， Ec集合电子近似的临界击穿场强集合电子近似的临界击穿场强 0ln2cVECkT解得解得上式表明，随着上式表明，随着晶格温度晶格温度T0的增加，击穿场强的增加，击穿场强Ec下降下降。这与固体电介质。这与固体电介质的高温电击穿场强随着电介质温度升高而下降的实验规律是一致的。的高温电击穿场强随着电介质温度升高而下降的实验规律是一致的。 24电力设备电气绝缘国家重点实验室St
36、ate Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment场致发射击穿场致发射击穿 （2）雪崩击穿理论）雪崩击穿理论根据雪崩激励的不同，分为：根据雪崩激励的不同，分为：场致发射击穿场致发射击穿碰撞电离雪崩击穿碰撞电离雪崩击穿 2/B EjAE e价带向导带场致发射电子价带向导带场致发射电子电子雪崩电子雪崩 j 向晶格注入能量向晶格注入能量 0T (if 00TT临界温度）导致击穿临界温度）导致击穿场致发射击穿场致发射击穿 Zener用量子力学计算用量子力学计算FranZ再修正再修正应用脉冲热击穿的标准作为临界条件，忽略传导热应
37、用脉冲热击穿的标准作为临界条件，忽略传导热 25电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment73 2202l4 1010nccIEt电离能（即禁带宽度）电离能（即禁带宽度） 至击穿的时间至击穿的时间 式中式中I 的单位为的单位为eV，tc单位为单位为s。对于大多数电介质来说，。对于大多数电介质来说，I约为约为27eV，在加压时间为在加压时间为s的宽广范围内的宽广范围内,上式给出的临界击穿场强为上式给出的临界击穿场强为109V/m。 碰撞电离雪崩击穿碰撞电离雪崩击穿基础基础:导带中
38、的电子导带中的电子 E 发生碰撞电离发生碰撞电离由阴极向阳极发展由阴极向阳极发展形成电子雪崩形成电子雪崩 当电子雪崩区域达到某一界限时，当电子雪崩区域达到某一界限时，晶格结构被破坏晶格结构被破坏，固体发生击穿。，固体发生击穿。 26电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentSeitZ单电子理论单电子理论根据根据SeitZ理论，一个由阴极出发的初理论，一个由阴极出发的初始电子，在其向阳极运动过程中，始电子，在其向阳极运动过程中，1cm内大致发生内大致发生40次的碰撞电离，固体电次
39、的碰撞电离，固体电介质即可破坏。介质即可破坏。 610 V/mE 21cm /V s1ts3210 cmrDt236cm110Vr 崩头的扩散长度崩头的扩散长度 体积体积 原子数原子数 若要破坏晶格，每个原子只需要若要破坏晶格，每个原子只需要10eV的能量。则体积的能量。则体积V内需要的能量为内需要的能量为1018eV 。n=10-6cm31023/cm3=1017D1cm2/sN1023/cm327电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment610 V/mE ，走，走1cm后，
40、电子获得能量为后，电子获得能量为106eV，需要，需要的电子数为的电子数为1012个。个。电子一代撞击产生两个电子，经电子一代撞击产生两个电子，经n代碰撞，共有电子数代碰撞，共有电子数2n，由，由 12210nn40 40代理论代理论 注意：注意：这种击穿的特征是这种击穿的特征是击穿场强具有低温区的特性，且击穿场强随试样击穿场强具有低温区的特性，且击穿场强随试样厚度减薄而增加厚度减薄而增加。进行推论，当介质厚度很薄，碰撞电离不足以发展到四。进行推论，当介质厚度很薄，碰撞电离不足以发展到四十代，电子崩已进入阳极复合了，介质就不易击穿，即击穿场强将要提高。十代，电子崩已进入阳极复合了，介质就不易击
41、穿，即击穿场强将要提高。工程上使用薄膜即为此理论的应用工程上使用薄膜即为此理论的应用 。28电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment小结小结固体固体介质介质的击的击穿穿热击穿：非本征热击穿：非本征电击穿：本征电击穿：本征 不均匀介质的击穿不均匀介质的击穿瓦格纳热击穿：低阻通道瓦格纳热击穿：低阻通道均匀固体热击穿均匀固体热击穿脉冲热击穿脉冲热击穿稳态热击穿：稳态热击穿：T、f、d的影响的影响本征电击穿本征电击穿雪崩电击穿雪崩电击穿单电子近似理论单电子近似理论集合电子近似理论集合电子近似理论低能判据低能判据高能判据高能判据场致发射击穿场致发射击穿碰撞电离雪崩击穿：碰撞电离雪崩击穿：4040代理论代理论