0 引言
绝缘子在各种电力设备和许多现代真空器件中被大量采用，同时也在大型尖端设备中得到应用。例如：X射线管、高功率微波管、高功率速调管、中子束二级管、脉冲功率开关、粒子加速器等。在真空中应用绝缘子，存在一个特殊的现象：当在一真空间隙中加入一绝缘子支撑后，该绝缘体系在一个较低的电压下就会被击穿，即绝缘子表面闪络击穿。
由于真空中绝缘子沿面闪络现象严重制约了电真空器件的性能，影响尖端设备的正常运行而造成巨大的经济损失，因此许多专家学者对真空中绝缘子沿面闪络现象的特性、影响因素及形成机理进行研究，并寻求防止绝缘子沿面闪络、提高沿面闪络电压的方法。特别是从70年代开始，美、英、日、法等国家投入了大量研究经费对这一现象进行研究，企图弄清真空中绝缘子沿面闪络现象的形成原因及其机理，用以改善和提高电真空器件的性能，防止影响尖端设备的正常运行。通过研究，得到了大量实验结果，找出了许多影响真空中沿面闪络现象的因素，提出了多种关于真空中绝缘子沿面闪络机理的假说及一些改善和提高沿面闪络电压的方法［1］。
1 影响沿面闪络的主要因素
1.1电压的影响
大家知道，对于同一绝缘材料施加不同类型的电压，材料所表现出的电性能也不相同。对于真空中绝缘子所构成的绝缘体系，其沿面闪络特性也和被施加的电压有关。
试验中分别应用了脉冲、雷电冲击、交流和直流等形式电压，其中脉冲电压有矩形、梯形、双极性脉冲等，脉冲持续时间从ns级到ms级，交流电压的频率范围从工频到射频。研究结果表明，在大多数情况下，真空中施加了脉冲电压的绝缘子的沿面闪络电压值是随脉冲电压持续时间(脉冲宽度)的增加而下降的，这一规律在脉冲电源的脉冲宽度为ns～ms区间时最为明显。此外还发现，很多情况下施加工频(50/60Hz)电压时的绝缘子沿面闪络电压最低。
1.2真空度的影响
A.S.Pillai和R.Hackam等研究了不同真空度(气体压力范围在10－6～105Pa之间)下绝缘子的沿面闪络现象［3］。用不锈钢电极，聚四氟乙烯绝缘子，分别施加了交流、直流和脉冲电压，其结果见图1。从图1可见，在1×10－6～6×10－1Pa的压力范围内，气体压力的变化几乎不影响沿面闪络电压发生，即在上述气压范围内绝缘子的沿面闪络电压与气体压力(或真空度)无关；随着真空度的下降(或气体压力提高)，沿面闪络电压也下降。 来源:高压开关网
图1气体压力与闪络电压的关系
1.3预放电的影响
在研究真空中绝缘子沿面闪络现象时，经常发现当体系施加电压产生一次沿面闪络后，紧接着发生的第二次沿面闪络的电压要比第一次高［3～5］。
图2是A.S.Pillai和R.Hackam的研究结果。图2表明，随着预放电次数的增加，表面闪络电压提高，在一定次数后趋向一个稳定值。图中两条曲线是在不同气体压力情况下作出的。
图2预放电次数与闪络电压的关系
众多的研究表明，预放电过程能够提高体系的沿面闪络电压，但这只是对于一个预放电后马上施加电压的体系而言，也就是说该效应的作用是有一定时间限制的。人们发现，当某绝缘体系经预放电处理，体系沿面闪络电压稳定后，如果放置一段时间后再施加电压，则该体系的沿面闪络电压有所降低，但比第一次沿面闪络电压高，再次进行预放电处理时也更容易达到稳定值。此外，若将已经预放电处理后的绝缘子暴露在大气下或把真空度降低，然后再提高真空度，则同样发生上述现象。
另外，并不是所有的预放电处理都能提高体系的沿面闪络电压。如果预放电处理时的放电较强烈，可能产生不可恢复性损坏(如在绝缘子表面形成放电通道、电极因剧烈放电而局部熔化变形等)，此时不但达不到预放电处理的效果，反而降低了体系的沿面闪络电压。
有研究人员发现，预放电处理并不需要真正让体系放电［6］。如果给真空中的绝缘子持续施加一个低于沿面闪络电压值的电压，虽然此时并不发生沿面闪络，但同样可以提高该绝缘体系的沿面闪络电压值。实验发现，在正式施加电压前若先加一较小的电压，则对沿面闪络电压有很大的影响。一般情况下，如果在施加冲击电压前先施加一同极性的直流电压，则可以提高闪络电压；相反若施加一相反极性的直流电压，则可以降低闪络电压。这个效应持续时间很短，一般在50μs以内，作用时间的长短与材料的绝缘电阻有关。
1.4绝缘子外形的影响
大量试验研究还发现，绝缘子的外形和尺寸大小都能影响闪络电压［7～9］。图3是曾经用来做过研究的部分绝缘子的外形示意图。一般说来，平常应用较多的圆柱形绝缘子形状最简单，但是研究结果表明具有这种外形的绝缘子所能承担的沿面闪络电压并不是最高，而是比较低。通常情况下，绝缘子外形结构越复杂，其沿面闪络电压也越高。
图3试验研究用的部分绝缘子外形示意图
R.A.Anderson、O.Milton等研究了具有不同圆锥角的圆锥形绝缘子的沿面闪络现象［8～9］。图4是他们的研究结果的综合表示。研究发现，当圆锥角θ(见图4)从+15°到+70°之间变化时，绝缘子的沿面闪络电压增加比较大；当圆锥角从-5°到-20°之间变化时，绝缘子的沿面闪络电压增加并不是很大。从研究结果可发现，圆柱形绝缘子的沿面闪络电压较低。
除了绝缘子外形影响外，绝缘子与电极之间的接触面大小也对沿面闪络有影响。一般情况下，无论施加的是冲击、直流还是交流电压，绝缘子与电极的接触面积越大，闪络电压越低。此外，沿面闪络电压与绝缘子的长度之间并不是简单的线性关系，通常表现为指数的关系［3］［8］。
图4锥形绝缘子圆锥角与击穿场强的关系
1.5绝缘子表面特性的影响
绝缘子表面状态的不同，即表面特性(表面粗糙度、表面能、表面缺陷、表面残余应力等)的不同，对于真空中绝缘子沿面闪络现象的影响十分明显。T.S.Sudarshan等对这一问题进行了系统的研究［10～11］。他们深入细致地研究了单晶体和多晶体三氧化二铝陶瓷(99.9%Al2O3)这种在真空系统中得到广泛应用的材料的沿面闪络现象。利用不同的机械、化学和热处理手段，获得了绝缘子不同的表面状态，也就是说，获得了表面特性不同的绝缘子。他们的研究是采用0.5/1.5μs冲击电压进行的。表1为3种不同表面(采用不同处理方法后获得的)情况下的试验结果。结果表明，在对绝缘子表面进行机械研磨和抛光后，绝缘子的沿面闪络特性发生了较大的改变。
表1表面抛光后的绝缘子沿面闪络击穿电压
*0.8μm(原始表面)，0.25μm(原始表面在有金刚石研磨料的平台上用砂轮研磨，认为是一种高温、高压的处理方法)，0.05μm(此时用的是研磨剂研磨，认为是一种低温、低压的处理方法)。
除了对表面特性和沿面闪络电压之间的关系进行了研究外，还研究了不同状态下与沿面闪络有关的其它一些现象，如闪络时的电流、光学、发射X射线等情况，分别获得了相应的结果［12～13］。
总之，表面特性对真空中绝缘子沿面闪络的影响很大，其表现规律很复杂，是目前各国学者重点研究的内容之一［14～15］。
1.6绝缘子材料的影响
许多试验结果表明，无论是用冲击、直流还是交流电压，绝缘子材料对真空中绝缘子沿面闪络的影响十分显著［8］［10］［16］。不管是有机材料还是无机材料，材料的均匀性很重要，如果均匀性好，则相应的绝缘子性能也更好。此外，对于在真空中应用的绝缘子，所用绝缘材料的介电常数越低，其对应的闪络电压较高。
1.7其它因素的影响
运行温度、外加磁尝表面残余气体、电极结构形式等都对真空中绝缘子的沿面闪络特性有影响［17～20］。
2 关于真空中绝缘子沿面闪络机理的假说
经过众多的试验研究，人们对真空中绝缘子沿面闪络有了比较全面的认识。一般地，人们把绝缘子表面的沿面闪络过程分3个阶段：(1)起始—初始电子的形成；(2)发展形成—电子倍增过程；(3)闪络击穿—形成贯穿性导电通道(见图5)。基于大量试验研究的基础，对于起始阶段，绝大多数人的观点都相同，即绝缘子的沿面闪络是由绝缘子—电极—真空三者交界区的电子发射(场致发射或热电子发射等)引发的；对于最后的闪络击穿阶段，看法大都一致，认为最后的闪络击穿是在绝缘子表面附近脱附气体层或固体介质气化层中完成的；但是，对于闪络的第二阶段，即电子倍增的形成过程，有各种不同的观点，先后形成了不同的关于绝缘子沿面闪络机理的假说。
图5真空中绝缘子沿面闪络过程
就目前整个情况来看，占主导地位的、较为容易被人们认同的有两种主要假说：
2.1SEEA(Secondary Electron EmissionAvalanche)假说［21］
这种假说名称的由来主要是因为它认为二次电子发射不但是沿面闪络形成过程中电子倍增的原因，而且还是使绝缘子表面吸附气体层脱附成为脱附气体的原因，以上两个过程是完成沿面闪络的必要条件。简要叙述为：
a) 当高压施加到真空绝缘体系上时，绝缘子—电极—真空的交界区的局部电场强度较高，引起场致发射，形成初始电子。
b) 初始电子在电场作用下被加速，获得能量并撞击绝缘子表面，如果其在与表面碰撞前获得的能量足够大，则该碰撞将产生二次电子发射。
c) 绝缘子表面二次电子发射后留下了正电荷，即表面带正电，不断进行的电子与绝缘子表面的碰撞和二次电子发射的结果使绝缘子表面积累大量正电荷。
d) 在绝缘子表面积累正电荷的同时，也形成电子崩，即二次电子发射崩，并且电子崩在电场作用下向阳极移动。
e) 与此同时，电子对绝缘子表面的不断撞击还使被吸附在绝缘子表面的部分气体分子获得能量，在获得的能量达到一定值时，这些气体分子可以克服绝缘子表面分子的吸附力而被释放出来，如果能量足够大，其中一些气体分子甚至还能够被电离，这些被释放的和被电离的气体分子就形成了脱附气体。脱附气体也随着电子崩向阳极移动，在移动的同时，脱附气体还有被电离的可能。 来源:www.hvsi
f) 当电子崩和脱附气体向阳极移动时，靠近阴极的绝缘子表面所积累的正电荷形成的空间电场使该区域的电场强度增强，结果使原先的场致发射效应加强，同样，也提高加强了二次电子发射、气体分子的脱附电离过程。这个结果使前述过程得以维持，从而可能持续下去，形成沿面闪络。
特别应注意的是，所说的二次电子发射崩并不是单纯意义上的由电子碰撞绝缘子表面产生的二次电子和表面正电荷积累的电子倍增过程，而是广义的指由所有能够产生电子的途径(场致发射、二次电子发射、电离等)所产生的电子受绝缘子表面积累的正电荷形成的空间电场作用而约束在绝缘子表面附近区域的电子群。
利用这个假说能较好的解释一些试验结果和现象，例如能够预测施加脉冲电压后产生沿面闪络的时间间隔(沿面闪络多数并不是一加电压就同时发生的)，可以推测绝缘子长度与沿面闪络电压的关系等。
2.2ETPR(Electron Triggered Polarity Relaxation)假说［22～23］
ETPR假说是G.Blaise和Le Gressue等用电子扫描显微镜(SEM)研究绝缘子在电子轰击下带电现象后提出的。在研究中发现，虽然用电子轰击使绝缘子带了电，但是在一定条件下，即使绝缘子上没有施加电压，绝缘子也能发生表面闪络现象。这种现象促使他们重新考虑绝缘子沿面闪络的机理，最终形成了这个基于极化能量松弛的假说。
首先，任何极化的介质在电尝机械应力的作用下都会有所响应。这个响应包括介质中的极化松弛效应、电荷与偶极子的移动、光子发射以及物质晶相的改变。
其次，绝缘子的带电现象是由于介质本身缺陷、介质中极化电荷的存在从而使绝缘子在局部区域形成陷阱俘获电荷而产生的。介质中极化电荷是由于介质的介电常数不均匀产生的。这种带电使绝缘子在各个不同的局部区域中分别形成正的或负的电荷聚集点(取决于介质中分布的陷阱势垒)，这些电荷可以产生一个较强的静电场，以维持状态的平衡。上述平衡是一个极不稳定的状态，任何外界的扰动(如温度变化、机械应力的改变、外加电场的变动等)都可能使平衡破坏。他们认为上述状态(极化平衡态)存贮了巨大的能量。例如，在带10－4C电荷的SiO2晶体中所具有的极化能量可达到约3×1015eV，这个能量的释放足以使20cm2的表面吸附气体被解放。
最后，闪络现象的发生是由于在外界扰动后极化平衡状态被破坏后介质的极化松弛引起的。被陷阱捕获的电荷在受到外来电子、热、射线等扰动作用获得足够能量后快速逃逸，破坏了原来建立的极化平衡态，引起极化能量的释放。大量捕获电荷的逃逸引发大量的能量释放，这个过程伴随着大量的高能电子和光子的发射，从而使电子激增，最终导致闪络击穿。他们也认为存在二次电子发射崩，但是二次电子发射崩不是电子激增的主要原因，它在电子激增的形成过程中所起的作用很校
利用ETPR假说也能用来解释许多试验结果和现象，例如闪络发生的迟滞现象等。
虽然以上两种假说认同的人比较多，但是到目前为止，还没有任何一种假说能够较好地、全面的解释各种沿面闪络现象。对于各种特定情况下的沿面闪络，只能用相应的特定的假说去解释。因此，还有待人们去探索发现一种较为成功的理论。
3 国内外沿面闪络机理研究的现状及其展望
由于真空中绝缘子沿面闪络涉及到多学科的知识(表面科学、材料科学等)，因此真空中绝缘子沿面闪络机理的研究是跨学科的，具有较高的难度。由于目前对气体、固体绝缘材料的击穿机理还没有完全弄清，对界面电击穿现象的研究还很不成熟，再加上涉及到其它领域的问题，所以对这一问题的研究具有挑战性。
目前，美、日、法等国继续投入大量的资金进行这方面的研究工作。他们的主要研究方向是：日本人企图从材料表面的二次电子发射出发，探索其机理；美国人企图从材料表面气体释放出发，探索放电与气体之间的关系进而研究其机理；法国人企图从材料电极化的角度出发，探索表面带电对放电发展的作用。
就国内情况看，目前还未发现有关这一专题的研究报告、学术论文。由于这一问题的重要性，我们已经获得了国家自然科学基金的资助并正在开展这方面的研究工作。打算从绝缘子表面微观结构对表面电导、表面带电等的影响出发，试验观察沿面闪络击穿时电压、电流、沿面闪络击穿伴随的光学现象以及材料表面带电情况，探索材料表面物理、化学特性与沿面闪络现象之间的关系；利用固体能带理论，研究表面带电与表面二次电子发射的关系，从而进一步探索沿面闪络的机理；在此基础上，寻找一种有效的、实用的材料处理方法，以提高真空中绝缘子的沿面闪络电压，从而提高电真空器件、设备和系统的性能及可靠
作者单位：华北电力大学(北京100085)丁立健李成榕
作者简介：丁立健1970年生，华北电力大学博士生，电话：(010)62912227转228。
李成榕1957年生，博士，教授，从事高压绝缘技术的研究，电话：(010)62912227转228。
参考文献
1Miller H C. Flashover of insulators in vacuum. IEEE Trans Electr Insul 1993,28:512
2Sudarshan T S et al. Breakdown processes associated with surface flashover of solid dielectric in vacuum. IEEE Trans Electr Insul 1977, 12:200
3Pillai A S et al. Surface flashover of solid insulator in atmospheric air and in vacuum. Appl Phys, 1985, 58:146
4Kuffel E et al. Flashover across polythlene and tetrafluoroeth line surface in vacuum under direct, alternating and surge voltage of various waveshapes. Phys D, 1972, 5:575
5Hawley R et al. Surface flashover in vacuum: a review. Vacuum, 1968, 18:383
6Pillai A S et al. Effect of pre-stress on ac and dc surface flashover of solid insulators in vacuum. IEEE Trans Electr Insul 1983, 18:292
7Pillai A S et al. Surface flashover of conical insulators in vacuum. Appl Phys 1984, 56:1374
8Milton O. Pulsed flashover of insulators in vacuum. IEEE Trans Electr Insul, 1972, 7:9
9Anderson R A. Study of surface flashover of conical insulators using 3 ns risetime pulses. Proc Ⅶ Int Symp Disch Electr Insul Vac, Novosibirsk, 1976,252
10Hatfield L L et al. A treatment which improves surface withstand voltage in vacuum. IEEE Trans Electr Insul, 1985, 23:57
11Brettschneider H. Improving the high voltage quality of alumina insulators in vacuum by surface doping. IEEE Trans Electr Insul, 1988, 23:33
12Li C R et al. Spectroscopic observations of light emission from surface flashover of insulators under HV stress. IEEE Trans Plasma Science， 1993, 21:598
13Sudarshan T S et al. Experimental design issues dielectric surface flashover in vacuum. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 1997, 4:657
14Kirkici H. Optical emission characteristics of polycrystalline diamond during surface flashover in vacuum. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 1997, 4:822
15Tumiran M et al. Flashover from surface charge distribution on alumina insulators in vacuum. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 1997, 4:400
16Takahashi H et al. Effect of dielectric materials on surface breakdown in vacuum and analysis by electron trajectory simulation. IEEE Trans Electr Insul, 1985, 20:769
17Ohki Y et al. Temperature dependence of surface flashover voltage of polyethylene in vacuum. Appl Phys 1975, 46:3696
18Korzekwa R et al. The influence of magnetic fields on dielectric surface flashover. IEEE Trans Electron Dev, 1991, 38:745
19Miller H C et al. Gases released by surface flashover of insulators. Appl Phys， 1988, 63:668
20Sudarshan T S. Electrode architecture related to surface flashover of solid dielectrics in vacuum. IEEE Trans Dielectr Insul, 1997, 4:374
21Anderson R A et al. Mechanism of pulsed surface flashover involving electron-stimulated desorption. Appl Phys， 1980, 51:1414
22Blaise G et al. Charging and flashover induced by surface polarization relaxation process. Appl Phys， 1991, 69:6334
23Gressus C Le et al. Breakdown phenomena related to trapping/detrapping processes in wide band gap insulators. IEEE Trans Electr Insul， 1992, 27:472
0 引言
绝缘子在各种电力设备和许多现代真空器件中被大量采用，同时也在大型尖端设备中得到应用。例如：X射线管、高功率微波管、高功率速调管、中子束二级管、脉冲功率开关、粒子加速器等。在真空中应用绝缘子，存在一个特殊的现象：当在一真空间隙中加入一绝缘子支撑后，该绝缘体系在一个较低的电压下就会被击穿，即绝缘子表面闪络击穿。
由于真空中绝缘子沿面闪络现象严重制约了电真空器件的性能，影响尖端设备的正常运行而造成巨大的经济损失，因此许多专家学者对真空中绝缘子沿面闪络现象的特性、影响因素及形成机理进行研究，并寻求防止绝缘子沿面闪络、提高沿面闪络电压的方法。特别是从70年代开始，美、英、日、法等国家投入了大量研究经费对这一现象进行研究，企图弄清真空中绝缘子沿面闪络现象的形成原因及其机理，用以改善和提高电真空器件的性能，防止影响尖端设备的正常运行。通过研究，得到了大量实验结果，找出了许多影响真空中沿面闪络现象的因素，提出了多种关于真空中绝缘子沿面闪络机理的假说及一些改善和提高沿面闪络电压的方法［1］。
1 影响沿面闪络的主要因素
1.1电压的影响
大家知道，对于同一绝缘材料施加不同类型的电压，材料所表现出的电性能也不相同。对于真空中绝缘子所构成的绝缘体系，其沿面闪络特性也和被施加的电压有关。
试验中分别应用了脉冲、雷电冲击、交流和直流等形式电压，其中脉冲电压有矩形、梯形、双极性脉冲等，脉冲持续时间从ns级到ms级，交流电压的频率范围从工频到射频。研究结果表明，在大多数情况下，真空中施加了脉冲电压的绝缘子的沿面闪络电压值是随脉冲电压持续时间(脉冲宽度)的增加而下降的，这一规律在脉冲电源的脉冲宽度为ns～ms区间时最为明显。此外还发现，很多情况下施加工频(50/60Hz)电压时的绝缘子沿面闪络电压最低。
1.2真空度的影响
A.S.Pillai和R.Hackam等研究了不同真空度(气体压力范围在10－6～105Pa之间)下绝缘子的沿面闪络现象［3］。用不锈钢电极，聚四氟乙烯绝缘子，分别施加了交流、直流和脉冲电压，其结果见图1。从图1可见，在1×10－6～6×10－1Pa的压力范围内，气体压力的变化几乎不影响沿面闪络电压发生，即在上述气压范围内绝缘子的沿面闪络电压与气体压力(或真空度)无关；随着真空度的下降(或气体压力提高)，沿面闪络电压也下降。 来源:高压开关网
图1气体压力与闪络电压的关系
1.3预放电的影响
在研究真空中绝缘子沿面闪络现象时，经常发现当体系施加电压产生一次沿面闪络后，紧接着发生的第二次沿面闪络的电压要比第一次高［3～5］。
图2是A.S.Pillai和R.Hackam的研究结果。图2表明，随着预放电次数的增加，表面闪络电压提高，在一定次数后趋向一个稳定值。图中两条曲线是在不同气体压力情况下作出的。
图2预放电次数与闪络电压的关系
众多的研究表明，预放电过程能够提高体系的沿面闪络电压，但这只是对于一个预放电后马上施加电压的体系而言，也就是说该效应的作用是有一定时间限制的。人们发现，当某绝缘体系经预放电处理，体系沿面闪络电压稳定后，如果放置一段时间后再施加电压，则该体系的沿面闪络电压有所降低，但比第一次沿面闪络电压高，再次进行预放电处理时也更容易达到稳定值。此外，若将已经预放电处理后的绝缘子暴露在大气下或把真空度降低，然后再提高真空度，则同样发生上述现象。
另外，并不是所有的预放电处理都能提高体系的沿面闪络电压。如果预放电处理时的放电较强烈，可能产生不可恢复性损坏(如在绝缘子表面形成放电通道、电极因剧烈放电而局部熔化变形等)，此时不但达不到预放电处理的效果，反而降低了体系的沿面闪络电压。
有研究人员发现，预放电处理并不需要真正让体系放电［6］。如果给真空中的绝缘子持续施加一个低于沿面闪络电压值的电压，虽然此时并不发生沿面闪络，但同样可以提高该绝缘体系的沿面闪络电压值。实验发现，在正式施加电压前若先加一较小的电压，则对沿面闪络电压有很大的影响。一般情况下，如果在施加冲击电压前先施加一同极性的直流电压，则可以提高闪络电压；相反若施加一相反极性的直流电压，则可以降低闪络电压。这个效应持续时间很短，一般在50μs以内，作用时间的长短与材料的绝缘电阻有关。
1.4绝缘子外形的影响
大量试验研究还发现，绝缘子的外形和尺寸大小都能影响闪络电压［7～9］。图3是曾经用来做过研究的部分绝缘子的外形示意图。一般说来，平常应用较多的圆柱形绝缘子形状最简单，但是研究结果表明具有这种外形的绝缘子所能承担的沿面闪络电压并不是最高，而是比较低。通常情况下，绝缘子外形结构越复杂，其沿面闪络电压也越高。
图3试验研究用的部分绝缘子外形示意图
R.A.Anderson、O.Milton等研究了具有不同圆锥角的圆锥形绝缘子的沿面闪络现象［8～9］。图4是他们的研究结果的综合表示。研究发现，当圆锥角θ(见图4)从+15°到+70°之间变化时，绝缘子的沿面闪络电压增加比较大；当圆锥角从-5°到-20°之间变化时，绝缘子的沿面闪络电压增加并不是很大。从研究结果可发现，圆柱形绝缘子的沿面闪络电压较低。
除了绝缘子外形影响外，绝缘子与电极之间的接触面大小也对沿面闪络有影响。一般情况下，无论施加的是冲击、直流还是交流电压，绝缘子与电极的接触面积越大，闪络电压越低。此外，沿面闪络电压与绝缘子的长度之间并不是简单的线性关系，通常表现为指数的关系［3］［8］。
图4锥形绝缘子圆锥角与击穿场强的关系
1.5绝缘子表面特性的影响
绝缘子表面状态的不同，即表面特性(表面粗糙度、表面能、表面缺陷、表面残余应力等)的不同，对于真空中绝缘子沿面闪络现象的影响十分明显。T.S.Sudarshan等对这一问题进行了系统的研究［10～11］。他们深入细致地研究了单晶体和多晶体三氧化二铝陶瓷(99.9%Al2O3)这种在真空系统中得到广泛应用的材料的沿面闪络现象。利用不同的机械、化学和热处理手段，获得了绝缘子不同的表面状态，也就是说，获得了表面特性不同的绝缘子。他们的研究是采用0.5/1.5μs冲击电压进行的。表1为3种不同表面(采用不同处理方法后获得的)情况下的试验结果。结果表明，在对绝缘子表面进行机械研磨和抛光后，绝缘子的沿面闪络特性发生了较大的改变。
表1表面抛光后的绝缘子沿面闪络击穿电压
*0.8μm(原始表面)，0.25μm(原始表面在有金刚石研磨料的平台上用砂轮研磨，认为是一种高温、高压的处理方法)，0.05μm(此时用的是研磨剂研磨，认为是一种低温、低压的处理方法)。
除了对表面特性和沿面闪络电压之间的关系进行了研究外，还研究了不同状态下与沿面闪络有关的其它一些现象，如闪络时的电流、光学、发射X射线等情况，分别获得了相应的结果［12～13］。
总之，表面特性对真空中绝缘子沿面闪络的影响很大，其表现规律很复杂，是目前各国学者重点研究的内容之一［14～15］。
1.6绝缘子材料的影响
许多试验结果表明，无论是用冲击、直流还是交流电压，绝缘子材料对真空中绝缘子沿面闪络的影响十分显著［8］［10］［16］。不管是有机材料还是无机材料，材料的均匀性很重要，如果均匀性好，则相应的绝缘子性能也更好。此外，对于在真空中应用的绝缘子，所用绝缘材料的介电常数越低，其对应的闪络电压较高。
1.7其它因素的影响
运行温度、外加磁尝表面残余气体、电极结构形式等都对真空中绝缘子的沿面闪络特性有影响［17～20］。
2 关于真空中绝缘子沿面闪络机理的假说
经过众多的试验研究，人们对真空中绝缘子沿面闪络有了比较全面的认识。一般地，人们把绝缘子表面的沿面闪络过程分3个阶段：(1)起始—初始电子的形成；(2)发展形成—电子倍增过程；(3)闪络击穿—形成贯穿性导电通道(见图5)。基于大量试验研究的基础，对于起始阶段，绝大多数人的观点都相同，即绝缘子的沿面闪络是由绝缘子—电极—真空三者交界区的电子发射(场致发射或热电子发射等)引发的；对于最后的闪络击穿阶段，看法大都一致，认为最后的闪络击穿是在绝缘子表面附近脱附气体层或固体介质气化层中完成的；但是，对于闪络的第二阶段，即电子倍增的形成过程，有各种不同的观点，先后形成了不同的关于绝缘子沿面闪络机理的假说。
图5真空中绝缘子沿面闪络过程
就目前整个情况来看，占主导地位的、较为容易被人们认同的有两种主要假说：
2.1SEEA(Secondary Electron EmissionAvalanche)假说［21］
这种假说名称的由来主要是因为它认为二次电子发射不但是沿面闪络形成过程中电子倍增的原因，而且还是使绝缘子表面吸附气体层脱附成为脱附气体的原因，以上两个过程是完成沿面闪络的必要条件。简要叙述为：
a) 当高压施加到真空绝缘体系上时，绝缘子—电极—真空的交界区的局部电场强度较高，引起场致发射，形成初始电子。
b) 初始电子在电场作用下被加速，获得能量并撞击绝缘子表面，如果其在与表面碰撞前获得的能量足够大，则该碰撞将产生二次电子发射。
c) 绝缘子表面二次电子发射后留下了正电荷，即表面带正电，不断进行的电子与绝缘子表面的碰撞和二次电子发射的结果使绝缘子表面积累大量正电荷。
d) 在绝缘子表面积累正电荷的同时，也形成电子崩，即二次电子发射崩，并且电子崩在电场作用下向阳极移动。
e) 与此同时，电子对绝缘子表面的不断撞击还使被吸附在绝缘子表面的部分气体分子获得能量，在获得的能量达到一定值时，这些气体分子可以克服绝缘子表面分子的吸附力而被释放出来，如果能量足够大，其中一些气体分子甚至还能够被电离，这些被释放的和被电离的气体分子就形成了脱附气体。脱附气体也随着电子崩向阳极移动，在移动的同时，脱附气体还有被电离的可能。 来源:www.hvsi
f) 当电子崩和脱附气体向阳极移动时，靠近阴极的绝缘子表面所积累的正电荷形成的空间电场使该区域的电场强度增强，结果使原先的场致发射效应加强，同样，也提高加强了二次电子发射、气体分子的脱附电离过程。这个结果使前述过程得以维持，从而可能持续下去，形成沿面闪络。
特别应注意的是，所说的二次电子发射崩并不是单纯意义上的由电子碰撞绝缘子表面产生的二次电子和表面正电荷积累的电子倍增过程，而是广义的指由所有能够产生电子的途径(场致发射、二次电子发射、电离等)所产生的电子受绝缘子表面积累的正电荷形成的空间电场作用而约束在绝缘子表面附近区域的电子群。
利用这个假说能较好的解释一些试验结果和现象，例如能够预测施加脉冲电压后产生沿面闪络的时间间隔(沿面闪络多数并不是一加电压就同时发生的)，可以推测绝缘子长度与沿面闪络电压的关系等。
2.2ETPR(Electron Triggered Polarity Relaxation)假说［22～23］
ETPR假说是G.Blaise和Le Gressue等用电子扫描显微镜(SEM)研究绝缘子在电子轰击下带电现象后提出的。在研究中发现，虽然用电子轰击使绝缘子带了电，但是在一定条件下，即使绝缘子上没有施加电压，绝缘子也能发生表面闪络现象。这种现象促使他们重新考虑绝缘子沿面闪络的机理，最终形成了这个基于极化能量松弛的假说。
首先，任何极化的介质在电尝机械应力的作用下都会有所响应。这个响应包括介质中的极化松弛效应、电荷与偶极子的移动、光子发射以及物质晶相的改变。
其次，绝缘子的带电现象是由于介质本身缺陷、介质中极化电荷的存在从而使绝缘子在局部区域形成陷阱俘获电荷而产生的。介质中极化电荷是由于介质的介电常数不均匀产生的。这种带电使绝缘子在各个不同的局部区域中分别形成正的或负的电荷聚集点(取决于介质中分布的陷阱势垒)，这些电荷可以产生一个较强的静电场，以维持状态的平衡。上述平衡是一个极不稳定的状态，任何外界的扰动(如温度变化、机械应力的改变、外加电场的变动等)都可能使平衡破坏。他们认为上述状态(极化平衡态)存贮了巨大的能量。例如，在带10－4C电荷的SiO2晶体中所具有的极化能量可达到约3×1015eV，这个能量的释放足以使20cm2的表面吸附气体被解放。
最后，闪络现象的发生是由于在外界扰动后极化平衡状态被破坏后介质的极化松弛引起的。被陷阱捕获的电荷在受到外来电子、热、射线等扰动作用获得足够能量后快速逃逸，破坏了原来建立的极化平衡态，引起极化能量的释放。大量捕获电荷的逃逸引发大量的能量释放，这个过程伴随着大量的高能电子和光子的发射，从而使电子激增，最终导致闪络击穿。他们也认为存在二次电子发射崩，但是二次电子发射崩不是电子激增的主要原因，它在电子激增的形成过程中所起的作用很校
利用ETPR假说也能用来解释许多试验结果和现象，例如闪络发生的迟滞现象等。
虽然以上两种假说认同的人比较多，但是到目前为止，还没有任何一种假说能够较好地、全面的解释各种沿面闪络现象。对于各种特定情况下的沿面闪络，只能用相应的特定的假说去解释。因此，还有待人们去探索发现一种较为成功的理论。
3 国内外沿面闪络机理研究的现状及其展望
由于真空中绝缘子沿面闪络涉及到多学科的知识(表面科学、材料科学等)，因此真空中绝缘子沿面闪络机理的研究是跨学科的，具有较高的难度。由于目前对气体、固体绝缘材料的击穿机理还没有完全弄清，对界面电击穿现象的研究还很不成熟，再加上涉及到其它领域的问题，所以对这一问题的研究具有挑战性。
目前，美、日、法等国继续投入大量的资金进行这方面的研究工作。他们的主要研究方向是：日本人企图从材料表面的二次电子发射出发，探索其机理；美国人企图从材料表面气体释放出发，探索放电与气体之间的关系进而研究其机理；法国人企图从材料电极化的角度出发，探索表面带电对放电发展的作用。
就国内情况看，目前还未发现有关这一专题的研究报告、学术论文。由于这一问题的重要性，我们已经获得了国家自然科学基金的资助并正在开展这方面的研究工作。打算从绝缘子表面微观结构对表面电导、表面带电等的影响出发，试验观察沿面闪络击穿时电压、电流、沿面闪络击穿伴随的光学现象以及材料表面带电情况，探索材料表面物理、化学特性与沿面闪络现象之间的关系；利用固体能带理论，研究表面带电与表面二次电子发射的关系，从而进一步探索沿面闪络的机理；在此基础上，寻找一种有效的、实用的材料处理方法，以提高真空中绝缘子的沿面闪络电压，从而提高电真空器件、设备和系统的性能及可靠
作者单位：华北电力大学(北京100085)丁立健李成榕
作者简介：丁立健1970年生，华北电力大学博士生，电话：(010)62912227转228。
李成榕1957年生，博士，教授，从事高压绝缘技术的研究，电话：(010)62912227转228。
参考文献
1Miller H C. Flashover of insulators in vacuum. IEEE Trans Electr Insul 1993,28:512
2Sudarshan T S et al. Breakdown processes associated with surface flashover of solid dielectric in vacuum. IEEE Trans Electr Insul 1977, 12:200
3Pillai A S et al. Surface flashover of solid insulator in atmospheric air and in vacuum. Appl Phys, 1985, 58:146
4Kuffel E et al. Flashover across polythlene and tetrafluoroeth line surface in vacuum under direct, alternating and surge voltage of various waveshapes. Phys D, 1972, 5:575
5Hawley R et al. Surface flashover in vacuum: a review. Vacuum, 1968, 18:383
6Pillai A S et al. Effect of pre-stress on ac and dc surface flashover of solid insulators in vacuum. IEEE Trans Electr Insul 1983, 18:292
7Pillai A S et al. Surface flashover of conical insulators in vacuum. Appl Phys 1984, 56:1374
8Milton O. Pulsed flashover of insulators in vacuum. IEEE Trans Electr Insul, 1972, 7:9
9Anderson R A. Study of surface flashover of conical insulators using 3 ns risetime pulses. Proc Ⅶ Int Symp Disch Electr Insul Vac, Novosibirsk, 1976,252
10Hatfield L L et al. A treatment which improves surface withstand voltage in vacuum. IEEE Trans Electr Insul, 1985, 23:57
11Brettschneider H. Improving the high voltage quality of alumina insulators in vacuum by surface doping. IEEE Trans Electr Insul, 1988, 23:33
12Li C R et al. Spectroscopic observations of light emission from surface flashover of insulators under HV stress. IEEE Trans Plasma Science， 1993, 21:598
13Sudarshan T S et al. Experimental design issues dielectric surface flashover in vacuum. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 1997, 4:657
14Kirkici H. Optical emission characteristics of polycrystalline diamond during surface flashover in vacuum. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 1997, 4:822
15Tumiran M et al. Flashover from surface charge distribution on alumina insulators in vacuum. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 1997, 4:400
16Takahashi H et al. Effect of dielectric materials on surface breakdown in vacuum and analysis by electron trajectory simulation. IEEE Trans Electr Insul, 1985, 20:769
17Ohki Y et al. Temperature dependence of surface flashover voltage of polyethylene in vacuum. Appl Phys 1975, 46:3696
18Korzekwa R et al. The influence of magnetic fields on dielectric surface flashover. IEEE Trans Electron Dev, 1991, 38:745
19Miller H C et al. Gases released by surface flashover of insulators. Appl Phys， 1988, 63:668
20Sudarshan T S. Electrode architecture related to surface flashover of solid dielectrics in vacuum. IEEE Trans Dielectr Insul, 1997, 4:374
21Anderson R A et al. Mechanism of pulsed surface flashover involving electron-stimulated desorption. Appl Phys， 1980, 51:1414
22Blaise G et al. Charging and flashover induced by surface polarization relaxation process. Appl Phys， 1991, 69:6334
23Gressus C Le et al. Breakdown phenomena related to trapping/detrapping processes in wide band gap insulators. IEEE Trans Electr Insul， 1992, 27:472