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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)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1工程電介質(zhì)物理學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室1上節(jié)課小結(jié)上節(jié)課小結(jié)上節(jié)課小結(jié)上節(jié)課小結(jié):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）極不均勻電場中氣體的擊穿極不均勻電場中氣體的擊穿電暈起始電壓：針為正極性時高電暈起始

2、電壓：針為正極性時高擊穿電壓：針為負(fù)極性時高擊穿電壓：針為負(fù)極性時高（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)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment判據(jù)：碰撞電離開始判據(jù)：碰撞電離發(fā)展到一定程度2上節(jié)課小結(jié):氣體介質(zhì)的擊穿（1）負(fù)電性氣體的擊穿 電力設(shè)備電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室St

3、ate Key Laboratory of Electrical 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)的擊穿場強較高固體介質(zhì)的擊穿場強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

4、擊穿 固體電介質(zhì)擊穿場強固體電介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系與電壓作用時間的關(guān)系3電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室4.固體電介質(zhì)的擊穿一.概述與電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室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)定過程所造成的。過程所造成的。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、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、環(huán)境溫度等有關(guān) 因此熱擊穿強度因此熱擊穿強度不

5、能不能看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(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，進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。控制的條件下，進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。4電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment主要特性：主要特性：擊穿場強高（大致在擊穿場強高（大致在515MV/cm范圍）范圍）在

6、一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強隨溫度升高而增大，或變化不大在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強隨溫度升高而增大，或變化不大 反映了固體介質(zhì)耐受電場作用能力的最大限度反映了固體介質(zhì)耐受電場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，又稱為耐電 強度或電氣強度強度或電氣強度 （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度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快擊穿往往是從耐電強度低的氣體中開始，表現(xiàn)

7、為局部放電，然后或快或慢地隨時間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴大，致使介質(zhì)擊穿。或慢地隨時間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴大，致使介質(zhì)擊穿。5電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室主要特性：擊穿場強高（大致在電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室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)有一之間，該介質(zhì)有一處或幾處的電阻比其周圍小得多，構(gòu)成電介質(zhì)中處或幾處的電阻比其周

8、圍小得多，構(gòu)成電介質(zhì)中的低阻導(dǎo)電通道的低阻導(dǎo)電通道。設(shè)通道的橫截面積設(shè)通道的橫截面積S 長度為長度為d導(dǎo)電率導(dǎo)電率 直流電壓直流電壓U 單位時間產(chǎn)生的熱量單位時間產(chǎn)生的熱量:單位時間散出的熱量單位時間散出的熱量:散熱系數(shù)散熱系數(shù)又又導(dǎo)電通道在溫度導(dǎo)電通道在溫度t0時的電導(dǎo)率；時的電導(dǎo)率；溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。6電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室二.固體電介質(zhì)的熱擊穿(一)瓦電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment發(fā)熱與散熱曲線 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

9、是溫度也是溫度的函數(shù)，因此對于不同的電壓的函數(shù)，因此對于不同的電壓U值，值，Q1與與t的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線，曲線的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線，曲線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，如圖中曲線如圖中曲線4所示所示 7電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室發(fā)熱與散熱曲線 是溫度的函電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equip

10、ment在切點在切點t應(yīng)滿足以下兩個條件應(yīng)滿足以下兩個條件 將將5-545-54、5555、5656代入上式代入上式考慮到考慮到熱擊穿臨界電壓熱擊穿臨界電壓 0 0是是00時導(dǎo)電通道的電阻率時導(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用于一些固體介質(zhì)中存在有電阻率比其周圍小得多的瓦格納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圍小得多的 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

11、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)，要用它來計算固體介質(zhì)的熱擊穿電壓還是困難的。未知數(shù)，要用它來計算固體介質(zhì)的熱擊穿電壓還是困難的。8電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室在切點t應(yīng)滿足以下兩個條件 將電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key 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)散熱無限大一維平板介質(zhì)模型單側(cè)散熱無限大一維平板介質(zhì)模型厚度為厚度為d的無限大平板介質(zhì)處于平行板

12、電極之間的無限大平板介質(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)電極向周圍散熱只有右側(cè)電極向周圍散熱 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)K 單位時間內(nèi)流經(jīng)單位時間內(nèi)流經(jīng)x處單位面積的熱量處單位面積的熱量 負(fù)號表示熱量向溫度降低方向流動負(fù)號表示熱量向溫度降低方向流動 單位時間內(nèi)流經(jīng)單位時間內(nèi)流經(jīng)xdx處單位面積的熱量處單位面積的熱量 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 考慮到介質(zhì)材料通常是在長時間作用的交、直流電壓或短時間的脈沖電考慮到介質(zhì)材料通常是在長時間作用的交、直流電壓或短時間的脈沖電壓下工作，可以近似化為兩種極端情況來討論方程式。壓下

13、工作，可以近似化為兩種極端情況來討論方程式。電壓作用時間很短，散熱來不及進行的情況電壓作用時間很短，散熱來不及進行的情況脈沖熱擊穿脈沖熱擊穿電壓長時間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況電壓長時間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況穩(wěn)態(tài)熱擊穿穩(wěn)態(tài)熱擊穿 9電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室（二）均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment1.脈沖熱擊穿脈沖熱擊穿 電場作用時間很短，導(dǎo)熱過程忽略電場作用時間很短，導(dǎo)熱過程忽略如知道如知道EE(t)及及 （E，T），即可求得臨

14、界溫度時的熱擊穿場強），即可求得臨界溫度時的熱擊穿場強 假設(shè)脈沖電場為斜角波形電場：假設(shè)脈沖電場為斜角波形電場：Ec熱擊穿場強熱擊穿場強tc至擊穿的時間至擊穿的時間電場不太強時電場不太強時由上面幾式可得由上面幾式可得分離變量并積分分離變量并積分 在環(huán)境溫度不高時，熱擊穿臨界場強在環(huán)境溫度不高時，熱擊穿臨界場強 tc和和T0的影響的影響10電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室1.脈沖熱擊穿 電場作用時間電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室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

15、電壓U U0 0作用下，在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時作用下，在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時 電場強度電場強度E（d/dx）則電流密度則電流密度 代入上式得代入上式得 為簡化，僅討論散熱條件極好，電極溫度始終等于周圍環(huán)境溫度為簡化，僅討論散熱條件極好，電極溫度始終等于周圍環(huán)境溫度T0的情況的情況 此時介質(zhì)中心此時介質(zhì)中心x0處溫度最高，計為處溫度最高，計為Tc x0處，處，dT/dx0代入代入11電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室2.穩(wěn)態(tài)熱擊穿 在外施電壓U電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment積

16、分得熱擊穿臨界電壓積分得熱擊穿臨界電壓 且假定介質(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，若環(huán)境溫度不高時，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 A與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù) 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：電阻率電阻率 熱擊穿電壓的實驗判據(jù)熱擊穿電壓的實驗判據(jù) 12電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室積分得熱擊穿臨界電壓 且假定介電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Ins

17、ulation 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：熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系：與厚度無關(guān)熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系：與厚度無關(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電阻率兩式比較，兩式比較，lgU0C1/T0與與lg1/T0都是直線都是直線關(guān)系，僅兩條直線的斜率相差一倍關(guān)系，僅兩條直線的斜率相差一倍，圖與理，圖與理論相吻合。論相吻合。常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實驗判據(jù)常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實驗判據(jù) 13電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系：熱電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of

18、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 A常數(shù)常數(shù) 當(dāng)所加電壓為交變電壓時，上式中的當(dāng)所加電壓為交變電壓時，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，而有根據(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)效電阻率又與電介質(zhì)的

19、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。玻璃熱擊穿場強與頻率的關(guān)系玻璃熱擊穿場強與頻率的關(guān)系 可見熱擊穿場強隨頻率升高而降低。這是由可見熱擊穿場強隨頻率升高而降低。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，電介質(zhì)的發(fā)熱隨頻率而增加，致壓的值相同時，電介質(zhì)的發(fā)熱隨頻率而增加，致使熱擊穿場強下降。使熱擊穿場強下降。熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無關(guān)。電介質(zhì)厚熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無關(guān)。電介質(zhì)厚度增大時，熱擊穿場強表現(xiàn)出降低的趨勢。度增大時，熱擊穿場強表現(xiàn)出降低的趨勢。14電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室熱擊穿電

20、壓與頻率的關(guān)系式 A電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室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 又又估算得估算得晶格質(zhì)點晶格質(zhì)點：不能自由熱運動；不能自由熱運動；只能在晶格平衡位置上做微小振動；只能在晶格平衡位置上做微小振動；這些熱振動相互關(guān)聯(lián)；這些熱振動相互關(guān)聯(lián)；形成一系列頻率的晶格振動；形成一系列頻率的晶格振動；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。電子與晶格波的相互作用

21、：電子與晶格波的相互作用：電子可以失去能量，而被制動電子可以失去能量，而被制動 電子從晶格波得到能量而進一步加速，只有在電場很強時，電子才可電子從晶格波得到能量而進一步加速，只有在電場很強時，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能量 15電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室三.固體電介質(zhì)的電擊穿理論基礎(chǔ)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment 在強電場下固體導(dǎo)帶中可能因在強電場下固體導(dǎo)帶中可能因場致發(fā)射或熱發(fā)射場致發(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

22、，這些電子在外電場作用下被加速些電子在外電場作用下被加速獲得動能獲得動能，同時在其運動中又與晶格振動相互作，同時在其運動中又與晶格振動相互作用而用而激發(fā)晶格振動激發(fā)晶格振動，把電場的能量傳遞給晶格把電場的能量傳遞給晶格：1.1.當(dāng)這兩個過程在一定的溫度和場強下平衡時，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)這兩個過程在一定的溫度和場強下平衡時，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；2.2.當(dāng)電子從電場中得到能量大于損于給晶格振動的能量時，電子的動能就當(dāng)電子從電場中得到能量大于損于給晶格振動的能量時，電子的動能就越來越大，越來越大，當(dāng)電子能量大到一定值后，電子與晶格振動的相互作用便導(dǎo)致電離產(chǎn)生新當(dāng)電子能量大到一定值后，電子與晶

23、格振動的相互作用便導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進入不穩(wěn)定階段，擊穿開始發(fā)生。電子，自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進入不穩(wěn)定階段，擊穿開始發(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始作為擊穿判據(jù)碰撞電離開始作為擊穿判據(jù)雪崩擊穿理論雪崩擊穿理論碰撞電離開始后，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：按擊穿判定條件不同，電擊穿理論可分為兩大類：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

24、固體物理為基礎(chǔ)，量子力學(xué)為工具，發(fā)展起來了固體電介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論。發(fā)展起來了固體電介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論。16電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室 在強電場下固體導(dǎo)帶中可電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（一）本征電擊穿理論（一）本征電擊穿理論 在電場在電場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，它的平均速度為電子單位時間從電場獲得的能量電子單位時間從電場獲得的能量 松弛時間松弛時間與電子能量有關(guān)與電子能量有關(guān) 晶格振動的能量是晶格振動的能量

25、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的能量總大于它們從晶格振動獲得的能量。能量總大于它們從晶格振動獲得的能量。設(shè)單位時間內(nèi)電子與晶格振動相互作用為設(shè)單位時間內(nèi)電子與晶格振動相互作用為1/次，則電子單次，則電子單位時間中損失給晶格振動的能量為位時間中損失給晶格振動的能量為 晶格振動與溫度有關(guān)，上式可改寫為晶格振動與溫度有關(guān)，上式可改寫為 使該式成立的使該式成立的 為擊穿場強。為擊穿場強。17電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室（一）本征電擊穿理論 在電場E電力設(shè)備電氣絕緣國家重點

26、實驗室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，用強電場下單個電子的平均特略去電介質(zhì)中導(dǎo)電電子間的相互作用，用強電場下單個電子的平均特性來求取擊穿場強。把導(dǎo)電電子與晶格振動的相互作用，看成是對晶格周期性來求取擊穿場強。把導(dǎo)電電子與晶格振動的相互作用，看成是對晶格周期勢場的微擾，解出相互作用概率，然后通過能量平衡方程求出臨界擊穿場

27、強。勢場的微擾，解出相互作用概率，然后通過能量平衡方程求出臨界擊穿場強。平衡點隨著場強的增加向電子能量平衡點隨著場強的增加向電子能量減小的方向移動，即場強增大，到減小的方向移動，即場強增大，到達平衡時電子具有的能量減小達平衡時電子具有的能量減小。18電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室本征電擊穿理論又分為單電子近似電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室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) 低能電子低能電子 希伯爾電擊穿臨界條件意味著，低能電子單位時間從電場獲得的能量超過最

28、希伯爾電擊穿臨界條件意味著，低能電子單位時間從電場獲得的能量超過最大的能量損耗，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，的其他電子，也一定可以從電場得到足夠的能量而引起碰撞電離。也一定可以從電場得到足夠的能量而引起碰撞電離。希伯爾認(rèn)為擊穿是由低能電子造成的，故稱為低能判據(jù)。希伯爾認(rèn)為擊穿是由低能電子造成的，故稱為低能判據(jù)。19電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室1)Hippel低能電擊穿判電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipm

29、ent2)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時的平衡條件作為時的平衡條件作為擊穿的臨界條件擊穿的臨界條件 Frohlich臨界擊穿場強臨界擊穿場強 晶格電離能晶格電離能 得得Frohlich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)是高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。Frohlich認(rèn)為擊穿是由高能電子造成的

30、，故稱為高能判據(jù)認(rèn)為擊穿是由高能電子造成的，故稱為高能判據(jù) 20電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室2)Frohlich高能電擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentHippel和和Frohlich判據(jù)的區(qū)別：判據(jù)的區(qū)別：Hippel：電場開始加速電場開始加速 的低能電子引起的，這電場可以加速幾乎所有的低能電子引起的，這電場可以加速幾乎所有充分條件，充分條件，高高 Frohlich：電場開始加速能量接近電場開始加速能量接近 的高能電子引起的，這電場可以加速少的高能電子引起的，這

31、電場可以加速少部分電子部分電子必要條件，必要條件，低低 表表5-10中，中，的電子的電子由實驗規(guī)律知：電擊穿在由實驗規(guī)律知：電擊穿在T0較低時，較低時，這是因為低溫時，含雜質(zhì)晶體這是因為低溫時，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)能級上的電子很少，它們之質(zhì)能級上的電子很少，它們之間的間的相互作用可以忽略不計。相互作用可以忽略不計。但高溫時，雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)目但高溫時，雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)目增多，不僅同導(dǎo)電電子相互作用，且自相增多，不僅同導(dǎo)電電子相互作用，且自相作用，形成作用，形成電子系電子系。21電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室Hippel和Frohlic

32、h電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment集合電子近似理論集合電子近似理論由由Frohlich針對無定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸┨岢鰜淼尼槍o定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸┨岢鰜淼?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 導(dǎo)帶底部和淺陷阱底部附近能級密度之比導(dǎo)帶底部和淺陷阱底部附近能級密度之比 單位時間自由電子獲得能量為單位時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)能級激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格由

33、雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格，它是由，它是由吸收和吸收和放出聲子放出聲子來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。A、B都是通過雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)都是通過雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)nS來實現(xiàn)的來實現(xiàn)的 平衡關(guān)系平衡關(guān)系 T0-晶格溫度，Te-電子系溫度22電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室集合電子近似理論由Frohl電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室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，電子系從電場獲得由圖中

34、可以看出，電子系從電場獲得的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，但增加速率愈來愈慢增加速率愈來愈慢。Ec集合電子近似的臨界擊穿場強集合電子近似的臨界擊穿場強 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，擊穿場強的增加，擊穿場強Ec下降下降。這與固體電介質(zhì)。這與固體電介質(zhì)的高溫電擊穿場強隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實驗規(guī)律是一致的。的高溫電擊穿場強隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實驗規(guī)律是一致的。23電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室能量增益速率A，B能量損失速率電力設(shè)

35、備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment場致發(fā)射擊穿場致發(fā)射擊穿（2）雪崩擊穿理論）雪崩擊穿理論根據(jù)雪崩激勵的不同，分為：根據(jù)雪崩激勵的不同，分為：場致發(fā)射擊穿場致發(fā)射擊穿碰撞電離雪崩擊穿碰撞電離雪崩擊穿 價帶向?qū)鲋掳l(fā)射電子價帶向?qū)鲋掳l(fā)射電子電子雪崩電子雪崩 向晶格注入能量向晶格注入能量(if 臨界溫度）導(dǎo)致?lián)舸┡R界溫度）導(dǎo)致?lián)舸﹫鲋掳l(fā)射擊穿場致發(fā)射擊穿 Zener用量子力學(xué)計算用量子力學(xué)計算FranZ再修正再修正應(yīng)用脈沖熱擊穿的標(biāo)準(zhǔn)作為臨界條件，忽略傳導(dǎo)熱應(yīng)用脈沖熱擊穿的

36、標(biāo)準(zhǔn)作為臨界條件，忽略傳導(dǎo)熱 24電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室場致發(fā)射擊穿（2）雪崩擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment電離能（即禁帶寬度）電離能（即禁帶寬度）至擊穿的時間至擊穿的時間 式中式中I 的單位為的單位為eV，tc單位為單位為s。對于大多數(shù)電介質(zhì)來說，。對于大多數(shù)電介質(zhì)來說，I約為約為27eV，在，在加壓時間為加壓時間為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強為上式給出的臨界擊穿場強為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

37、的電子導(dǎo)帶中的電子 發(fā)生碰撞電離發(fā)生碰撞電離由陰極向陽極發(fā)展由陰極向陽極發(fā)展形成電子雪崩形成電子雪崩 當(dāng)電子雪崩區(qū)域達到某一界限時，當(dāng)電子雪崩區(qū)域達到某一界限時，晶格結(jié)構(gòu)被破壞晶格結(jié)構(gòu)被破壞，固體發(fā)生擊穿。，固體發(fā)生擊穿。25電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室電離能（即禁帶寬度）至擊穿的電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentSeitZ單電子理論單電子理論根據(jù)根據(jù)SeitZ理論，一個由陰極出發(fā)的初理論，一個由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運動過程中，始電子，在其向陽極運動過程中，

38、1cm內(nèi)大致發(fā)生內(nèi)大致發(fā)生40次的碰撞電離，固體電介次的碰撞電離，固體電介質(zhì)即可破壞。質(zhì)即可破壞。崩頭的擴散長度崩頭的擴散長度 體積體積 原子數(shù)原子數(shù) 若要破壞晶格，每個原子只需要若要破壞晶格，每個原子只需要10eV的能量。則體積的能量。則體積V內(nèi)需要的能量為內(nèi)需要的能量為1018eV。n=10-6cm31023/cm3=1017D1cm2/sN1023/cm326電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室SeitZ單電子理論根據(jù)Sei電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，走，走1c

39、m后，電子獲得能量為后，電子獲得能量為106eV，需要，需要的電子數(shù)為的電子數(shù)為1012個。個。電子一代撞擊產(chǎn)生兩個電子，經(jīng)電子一代撞擊產(chǎn)生兩個電子，經(jīng)n代碰撞，共有電子數(shù)代碰撞，共有電子數(shù)2n，由，由 n40 40代理論代理論 注意：注意：這種擊穿的特征是這種擊穿的特征是擊穿場強具有低溫區(qū)的特性，且擊穿場強隨試樣擊穿場強具有低溫區(qū)的特性，且擊穿場強隨試樣厚度減薄而增加厚度減薄而增加。進行推論，當(dāng)介質(zhì)厚度很薄，碰撞電離不足以發(fā)展到四。進行推論，當(dāng)介質(zhì)厚度很薄，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電子崩已進入陽極復(fù)合了，介質(zhì)就不易擊穿，即擊穿場強將要提高。十代，電子崩已進入陽極復(fù)合了，介質(zhì)就不易擊穿，即

40、擊穿場強將要提高。工程上使用薄膜即為此理論的應(yīng)用工程上使用薄膜即為此理論的應(yīng)用 。27電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，走1cm后，電子獲得能量為1電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment小結(jié)小結(jié)固體固體介質(zhì)介質(zhì)的擊的擊穿穿熱擊穿：非本征熱擊穿：非本征電擊穿：本征電擊穿：本征 不均勻介質(zhì)的擊穿不均勻介質(zhì)的擊穿瓦格納熱擊穿：低阻通道瓦格納熱擊穿：低阻通道均勻固體熱擊穿均勻固體熱擊穿脈沖熱擊穿脈沖熱擊穿穩(wěn)態(tài)熱擊穿：穩(wěn)態(tài)熱擊穿：T、f、d的影響的影響本征電擊穿本征電擊穿雪崩電擊穿雪崩電擊穿單電子近似理論單電子近似理論集合電子近似理論集合電子近似理論低能判據(jù)低能判據(jù)高能判據(jù)高能判據(jù)場致發(fā)射擊穿場致發(fā)射擊穿碰撞電離雪崩擊穿：碰撞電離雪崩擊穿：4040代理論代理論28電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室小結(jié)固體介質(zhì)的擊穿熱擊穿：非本