电介质的击穿.
第四章 近代电介质击穿理论
邓宏李波2015《近代电介质理论》DIELECTRIC STRENGTH AND INSULATION BREAKDOWN一、电介质击穿（Dielectric Breakdown ）UIOU bU b 为击穿电压（击穿电场E b =U b /d，d为介质厚度）导体电介质由绝缘体击穿时，当常数在低电压区满足：→⇒⇒∞→==Ubb dUdI U U dUdI击穿的分类：•本征击穿（Intrinsic Breakdown ）：电击穿；•非本征击穿：热击穿（Thermal Breakdown ）；•放电击穿（Discharge Breakdown ）•击穿是一种原子或分子聚集体的集体现象。
•“自愈现象”（Self-Healing ）：气体（包括一些液体介质），在电场的作用下被击穿，当外电场撤除后，气体介质又恢复其绝缘性能。
•固体介质的击穿是永久性的。
二、气体介质的击穿)/(2m A j )/(m V E IIIIII1E iE Sj bE 如电场很高，例如E>108V/m ，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N 随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大。
1002003004001010 1010 10 10 10 1010100 HGFEV Vs与初始引发有关着火电压VDCA常见的放电形式：AC 段属于非自持放电-火花放电自持放电正常辉光放电区EF 段-辉光放电欠正常的辉光放电区CD 段-电晕放电起辉电压异常辉光放电FG 段弧光放电GH 段放电维持电压辉光放电发光区域及光强分布图当辉光放电时，在放电管内形成明暗交替的辉光放电区。
其中包括II 负辉区、III 法拉弟暗区、IV 正柱区（等离子区）、I 阴极光膜和V 阳极辉区五个发光区。
其中前两者发光较强，以负辉区发光最强，是作为PDP 的主要发光源，等离子体显示板工作在II 、III 、IV 形成的负阻区。
汤申特(Townsend) 碰撞游离理论1. 碰撞游离的必要条件：EVE q W L L L E q W E W W ii i =⋅≥∴⋅⋅=≥ 电荷的运动距离—为：的作用下所积累的能量一个电荷在电场（分子的游离能量）（电子的积累能量），且满足：金属电极表面逸出电子∵•多级碰撞，如果碰撞能量较小但之间间隔周期很短，可能使分子游离；•电子与受激的中性分子碰撞，中性分子回到零位状态，而电子被加速能量增大，可使下一个中性分子游离；•两个受激的分子碰撞，一个交出能量，而另一个获得能量而游离。
两层电介质的击穿原理
两层电介质的击穿原理
两层电介质的击穿原理是指在两个电介质材料之间施加高电压时，当电压达到一定临界值时，电介质失去绝缘性能，电流迅速增加，形成击穿现象。
具体来说，两层电介质的击穿原理可以分为以下几个步骤：
1. 初始电离阶段：当施加电压时，两层电介质之间的电场强度逐渐增加，电场会将电介质中的原子或分子电离成正负电荷。
这些电离产生的自由电子和离子将形成电流，但电介质仍具有良好的绝缘性能。
2. 自由电子增多阶段：随着电场强度的继续增加，电介质中的电离现象逐渐增加，产生的自由电子的数量也随之增加。
自由电子能够在电场中自由移动，导致电介质的电导率增加。
3. 冲击离子产生阶段：当电场强度进一步增加，电离现象会继续增强，产生更多的离子。
这些离子可以与电介质中其他离子相互碰撞，产生冲击离子。
冲击离子的运动具有高的动能，可以撞击和激发电介质中的原子或分子，形成更多的自由电子和离子。
4. 雪崩阶段：当电场强度达到一定临界值时，电介质中的冲击离子和自由电子数量急剧增加，形成电离雪崩效应。
电离雪崩效应导致电流迅速增加，电介质失去了绝缘性能，形成击穿现象。
总结来说，两层电介质的击穿原理是在施加电压的作用下，电介质中的电离现象不断增加，导致电介质失去绝缘性能，电流迅速增加，形成击穿现象。
举出电介质中热击穿在生活中的例子
举出电介质中热击穿在生活中的例子电介质是一种在电场作用下具有绝缘性能的材料，在高电场下，电介质中可能发生热击穿现象，即电介质由于电场强度过大而导致局部区域温度升高，从而引发击穿现象。
以下是生活中常见的电介质热击穿的例子：1. 电线绝缘层击穿：在家庭用电中，电线绝缘层的材料通常为电介质，如塑料。
如果电线绝缘层老化或损坏，电场强度可能会超过电介质的击穿强度，导致绝缘层发生热击穿，甚至引发火灾。
2. 电器内部击穿：在电器中，如电视、冰箱等，电路板上也会存在电介质。
如果电路板设计不合理或电介质质量不好，电场可能会集中在某个位置，导致该位置的电介质发生热击穿，可能会损坏电器或引发安全隐患。
3. 电容器击穿：电容器是一种常见的电子元件，它由两个导体之间夹带电介质而成。
如果电容器电场强度过大，电介质可能发生热击穿，导致电容器损坏或产生火花。
4. 绝缘子击穿：在高压输电线路中，绝缘子起到支持导线和隔离电力的作用。
如果绝缘子的表面被污秽物覆盖或损坏，电场可能会集中在某些位置，导致电介质发生热击穿，引发绝缘子损坏或导线短路。
5. 电池热击穿：电池是一种常见的电源装置，内部也包含电介质。
如果电池内部发生故障或短路，电池可能会发生热击穿，导致电池变形、泄漏，甚至爆炸。
6. 电子元件击穿：在电子设备中，电子元件如二极管、晶体管等也会存在电介质。
如果电子元件内部电场强度过大，电介质可能会发生热击穿，导致元件损坏或失效。
7. 电力设备击穿：在电力系统中，如变压器、开关设备等也使用了电介质。
如果设备设计不合理或电介质质量不好，电场可能会在设备内部集中，导致电介质发生热击穿，引发设备故障或火灾。
8. 电线穿孔：在家庭装修中，如果电线直接穿过墙体或隔板，由于电场强度集中在穿孔位置，电介质可能会发生热击穿，引发短路或火灾。
9. 电力线路击穿：在高压输电线路中，如果电线间距过小或绝缘层破损，电场强度可能会超过电介质的击穿强度，导致电线之间发生热击穿，引发线路故障。
举出电介质中热击穿在生活中的例子
举出电介质中热击穿在生活中的例子电介质是指在电场作用下能够发生极化的物质，常见的电介质有空气、玻璃、橡胶等。
在生活中，电介质的热击穿现象是指电介质在电场作用下，由于电场强度过高导致电介质发生局部击穿，导致电流突然增大，产生大量热量，引发火灾或设备损坏等危险。
下面是几个电介质中热击穿在生活中的例子：1. 家用电器中的电击穿：在家用电器中，电介质的热击穿现象可能导致电器短路、电线熔断甚至引发火灾。
例如，在使用电熨斗时，如果电熨斗的电线绝缘层损坏，电流就会通过绝缘层发生热击穿，造成火灾。
2. 电力变压器中的热击穿：电力变压器中使用的绝缘材料通常是油纸绝缘，如果绝缘材料老化或受潮，电场强度就会增大，导致绝缘材料发生热击穿，造成变压器故障，甚至引发火灾。
3. 高压输电线路中的电击穿：在高压输电线路中，空气作为电介质，当电场强度高到一定程度时，空气中的分子会发生电离，产生电流，导致电介质的热击穿。
这种热击穿现象可能导致输电线路短路，造成停电或引发火灾。
4. 电容器中的电击穿：电容器中的电场强度过高时，电介质容易发生热击穿。
例如，电子设备中使用的电解电容器，如果电压过高或电容器质量不合格，可能发生电击穿，导致设备损坏或爆炸。
5. 火花塞中的电击穿：火花塞是内燃机中的重要部件，用于点火。
在工作过程中，火花塞中的电场强度会很高，如果电介质发生热击穿，可能导致点火不正常，引发发动机故障。
6. 绝缘子中的电击穿：在高压设备中，绝缘子用于支撑导线，防止电流通过。
当电场强度过高时，绝缘子中的电介质可能发生热击穿，导致设备故障或火灾。
7. 电子元器件中的电击穿：在电子设备中，电介质的热击穿可能导致电子元器件的损坏，影响设备的正常运行。
例如，电子电路中使用的电容器、继电器等元件，如果电介质发生热击穿，可能导致元件烧毁。
8. 充电宝中的电击穿：充电宝是现代生活中常见的便携式充电设备，其中使用的电池通常是锂电池。
如果充电宝的电路设计不合理或电池质量不过关，可能导致电介质的热击穿，引发充电宝爆炸或起火。
第三章固体电介质和液体电介质的击穿特性
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同
工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件 电子崩发展至一定大小为击穿条件
液体电介质
纯净的液体电介质
击穿机理
电击穿过程
工程用液体电介质（含杂质）
电击穿过程 气泡击穿过程
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
1.杂质
2.温度 3.电场的均匀程度 4.电压作用时间 5.压力
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
油中含有杂质，击穿电压就会显著降低!
通过标准油杯中 变压器油的工频击 穿电压来衡量油的 品质
引言
空气的耐电强度 液体介质的耐电强度 固体介质的耐电强度
10 — 30kV/cm左右； 100 — 200 kV/cm； 一百多 — 几千kV/cm
液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料。
液体、固体电介质的电气强度高，用它们作为绝缘介质，可以大 大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积。
二、影响液体介质击穿电压的主要因素 2.温度
①干燥的油 温度对有的击穿电压影响很小 ②受潮的油 冰－溶解－汽化＝击穿电压“N”形变化
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
3.电场均匀程度
电场愈均匀，杂质越易形成“小桥”， 杂质对油在工频电压下的击穿电压的影响愈大。
优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电 压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。
绝缘油的试验项目及标准
电介质的击穿
✓ 绝缘层：当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称为绝缘层。 ✓ 屏障：在油间隙中放置的尺寸较大的(与电极形状相适应)、厚度在
1~3mm的层压纸板或层压布板。
B.对固体电介质
✓ 改进制造工艺：如尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、 水分等，使介质尽可能均匀致密。这可以通过精选材料、改善工 艺、真空干燥、加强浸渍(油、胶、漆)等方法来达到。
调节电抗器的电感L或改变试 验电压的频率，达到谐振：
串联谐振回路原理图
L 1 CX
U X QU0
Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。
C.电压的波形
工频电压的波形：正弦波。
波形畸变影响介电强度试验结果：
✓ 高次谐波会降低击穿场强； ✓ 击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则
✓ 发生表面闪络； ✓ 边缘电场集中导致试样击穿发生在电极的边缘。
消除措施：
✓ 将电极边缘做成圆角； ✓ 将试样和电极浸入相对介电常数（或电导率）大、击穿场
强较高的液体媒质中。
常用液体媒质有变压器油，温度较高时采用硅油。 不能选用相对介电常数或电导率太大的媒质，以免 造成测量误差和设备损坏。
如引起媒质本身发热严重、保护电阻上电压降增大、以及试验变压器过载等问题。
聚异丁烯的EB与温度关系
B.湿度的影响
湿度增大，会使击穿场强下降。 （对液体电介质尤为明显，因为水分 的电导和介质损耗较大，会改变电场 分布。）
变压器油的击穿电压与含有 水分的关系
C.气压的影响
巴申定律：
U B f ( pS ) （p为气压，S为电极间距离）
S固定，改变p时：
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。
电介质击穿的例子
电介质击穿的例子电介质是一种具有较高电阻性质的物质，一般情况下不导电。
然而，在特定条件下，电介质也会发生击穿现象，即在电场强度达到一定值时，电介质内部会出现电流的瞬时放电现象。
下面列举了十个常见的电介质击穿的例子。
1. 空气击穿：空气是最常见的电介质之一，当电场强度达到约30 kV/cm时，空气中的分子会离子化并形成电流通路，导致电介质击穿。
这种击穿现象在雷电中尤其常见。
2. 水击穿：水也是一种常见的电介质，当电场强度达到一定值时，水中的离子会发生移动并形成电流通路，导致电介质击穿。
这种现象在高电压设备中可能会发生。
3. 油击穿：油是一种常用的绝缘介质，在高压设备中起着绝缘和散热的作用。
然而，当电场强度超过油的击穿强度时，油会发生击穿现象。
4. 绝缘纸击穿：绝缘纸是一种常用的绝缘材料，用于电力设备的绝缘保护。
然而，在高电压下，绝缘纸也会发生击穿现象，导致设备故障。
5. 绝缘胶击穿：绝缘胶是一种常见的绝缘材料，广泛应用于电线电缆的绝缘保护。
然而，在高电场强度下，绝缘胶也会发生击穿现象。
6. 陶瓷击穿：陶瓷是一种常见的绝缘材料，具有优良的耐高温和耐磨损性能。
然而，在极端条件下，如高温和高电压下，陶瓷也会发生击穿现象。
7. 陶瓷电容器击穿：陶瓷电容器是电子电路中常用的电子元件，具有良好的电介质特性。
然而，在过高的电场强度下，陶瓷电容器也会发生击穿现象。
8. 电缆击穿：电缆是电力传输和通信领域中常用的设备，具有良好的绝缘性能。
然而，在极端条件下，如高温和高电压下，电缆也会发生击穿现象。
9. 电力变压器击穿：电力变压器是电力系统中常用的设备，用于升降电压。
然而，在过高的电场强度下，电力变压器也会发生击穿现象。
10. 玻璃击穿：玻璃是一种常见的绝缘材料，广泛应用于建筑和家居装饰中。
然而，在极端条件下，玻璃也会发生击穿现象。
以上是十个常见的电介质击穿的例子。
电介质的击穿现象会导致设备故障和电击危险，因此在设计和使用电力设备时，需要合理选择和使用绝缘材料，以防止电介质的击穿现象的发生。
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移圈调压器原理图
（3）控制线路
满足要求：
✓ 只有在试验人员撤离高压试验区，并关好安全门之后，才 能加上电压进行试验。
✓ 升压必须从零开始，以一定方式和速度上升。 ✓ 在试样发生击穿时，能自动切断电源；在自动控制线路中，
能自动是电压下降到零。
了解：非自动和自动调压介电强度试验原理（见P79~80）
计算机在介电强度试验的控制系统中应用：采用单片机或微机控制 步进电动机带动调压器实现升压、降压过程。
S UI U 2Cx
绝缘材料击穿试验通常选取容量为10kV·A的变压器。 对与大电容试样的耐压试验，采用超低频正弦电压，可以大大 降低变压器的容量。（如采用0.1Hz超低频电压，变压器容量可 减小到50Hz时的1/500。）
B.变压器的电压
额定电压等级是根据试样的试验电压等级来选定，通常选取 50~100kV。采用多台变压器串接可获得更高的试验电压。
缺点：输出电流较大时，触点在移动 过程中因接触不好会产生火花。
自耦调压器原理
B.移圈调压器（容量较大）
原理：靠移动短路线圈改变其他两个 线圈的漏磁通，从而改变在这两个线 圈上的电压分配来实现调节输出电压。
优点：调压过程靠电磁耦合，不会出 现火花，容量可做得很大。 缺点：漏抗较大，波形易产生畸变。
移圈调压器结构图
（因直流下只有电导损耗）
✓ 冲击电压下因作用时间短，热的积累效应 和局部放电造成的破坏还来不及形成，其 EB高于直流和和工频交流下的EB。
✓ 电压频率越高，介质损耗越大， EB越低。
击穿场强与频率的关系
工程上绝缘材料的击穿场强通常是指工频电压下的击穿场强。
（2）Байду номын сангаас压作用时间
电击穿的时间很短，可以在10-7~10-9s 内发生。热击穿因热的累积需要较长 时间，随着时间增长，EB明显下降。
电子材料测量技术
第三章 介电强度试验
❖电介质的击穿 ❖试样和电极 ❖工频电压下的介电强度试验 ❖直流电压下的介电强度试验 ❖冲击电压下的介电强度试验 ❖叠加电压下的介电强度试验 ❖高电压试验室
本节课内容
➢工频电压下的介电强度试验 ❖试验设备与装置 ❖工频高电压的测量
➢直流电压下的介电强度试验 ❖直流高电压试验装置 ❖直流高电压的测量
k为调压器的电压比； Us为电源电压； U2为激磁电流流经调压器产生的电压降。
调压器的漏抗越大，波形畸变越严重。在调压器和试验变压 器之间接入滤波器可改善电压波形。
（2）调压器
用来调节电压上升的方式和速度，接在试验变压器和电源之间。
常用调压器：自耦调压器和移圈调压器。
A.自耦调压器
原理：借助于一个滑动触点沿着绕组 移动来改变输出电压。 优点：结构简单、体积小、漏抗小、 价格便宜。
（要求测量误差不超过3%，测量用仪表一般要求为0.5级）
固体电介质击穿的形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。
（1）电击穿：
由碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏介质晶格结 构导致击穿。 主要特征：击穿电压高、击穿过程极快、击穿前发热不显著、击 穿场强与电场均匀程度密切相关而与周围环境温度无关。
本节课内容
一、试验设备与装置
试验设备与装置：高压试验变压器、调压器以及控制线 路和保护装置。 （1）高压试验变压器：
要求：具有足够的额定电压和容量，且输出电压的波形没有畸变。
A.变压器的容量
指变压器在额定电压电流的情况下的视在功率。 （视在功率：交流电路中，电压和电流的乘积，或者说有功功率 和无功功率的矢量和，单位为V·A或KV·A。)
➢概述 ➢气体电介质的击穿 ➢液体电介质的击穿 ➢固体电介质的击穿 ➢影响介电强度的因素 ➢试样、电极和升压方式的选择
影响介电强度的因素
影响因素：电压波形及频率、电压作用时间、电场的均匀 性及电压的极性、试样的厚度与不均匀性、环境条件等。
（1）电压波形及频率
✓ 直流电压下的EB高于工频交流电压下的EB。
同一峰值电压测得的有效值就不同了。
波形因素：正弦波电压的峰值与有效值之比。
U幅值 2U有效
通常要求波形因素不超过： （2 1 5%）
波形畸变的原因：变压器的非线性激磁电流造成的。
试验变压器的输入电压为：
U1 k(Us U2 )
变压器的磁化曲线：a)磁通与激磁电流 的关系；b)磁通及激磁电流的波形
（4）保护和接地
✓ 在试验回路的低压部分可能出现高电压的地方接上放电间隙。 ✓ 在高压测试回路中应接保护电阻。 ✓ 接地点和接地体的连接线应采用尽量短的多股线，以减小电
阻和电感。 ✓ 高压试验区应装有保护围栏，并备有接地棒。
二、工频高电压的测量
测量方法：静电电压表法、球隙测量法、互感器测量法、 分压器法、测量绕组法。
Et
E (1
a 4t
)
聚乙烯的击穿场强与电 压作用时间的关系
E∞为加压时间足够长击穿电压达到稳定时的最小击穿场强 a为常数，t为加压时间， Et为加压时间t时的击穿场强。
（3）电场的均匀性及电压的极性
不均匀电场下的击穿场强低于均匀电场下的本征击穿场强。 在不均匀电场下，直流和冲击电压的极性对击穿电压有明显影响。
串接变压器原理图
两台变压器串接输出的视在功率：
S 2UI
设备容量的利用率： 2UI / 3UI 2 / 3
注意：串接的级数增加，输出的电压增高，但设备容量的
利用率降低。
我国目前最高工频试验电压达2250kV（采用三台变压器串接）
对于电容量较大的试样，可以通过串联谐振回路获得比试验变 压器更高的电压。
调节电抗器的电感L或改变试 验电压的频率，达到谐振：
串联谐振回路原理图
L 1 CX
U X QU0
Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。
C.电压的波形
工频电压的波形：正弦波。
波形畸变影响介电强度试验结果：
✓ 高次谐波会降低击穿场强； ✓ 击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则
正极性
负极性
针尖对平板电极系统
当针尖电极为正极性时，击穿电压要比针尖电极为负极性时低。
（4）试样的厚度与不均匀性
试样的厚度增加，会增加材料散热的困难， 也会增加电场的不均匀度，试样内部含有缺 陷的几率增大，从而使EB下降。
EB
UB d
Ad n1
绝缘纸的EB与厚度的关系
A为常数，d为试样厚度，n随材料性质、电压波形、及厚度范围在0.3~1.0范围内取值。