電介質物理》課件電介質的擊穿1.ppt

1、1,工程電介質物理學 電介質的擊穿（5） Breakdown of Dielectrics 李建英 2012年4月5月,2,上節(jié)課小結,固體介質的擊穿,熱擊穿：非本征,電擊穿：本征,不均勻介質的擊穿,瓦格納熱擊穿：低阻通道,均勻固體熱擊穿,脈沖熱擊穿,穩(wěn)態(tài)熱擊穿：T、f、d的影響,本征電擊穿,雪崩電擊穿,單電子近似理論,集合電子近似理論,低能判據(jù),高能判據(jù),場致發(fā)射擊穿,碰撞電離雪崩擊穿：40代理論,3,四.不均勻電介質的擊穿,宏觀不均勻電介質或復合電介質：,氣體液體、液體固體、氣體固體、固體固體的不同組合 即使為單一電介質的絕緣結構，材料的不均勻性、雜質氣隙等的存在也不能看作是單一均勻電介質

2、,1.復合電介質的擊穿,雙層復合電介質的擊穿,4,穩(wěn)態(tài)：,if,如果第一層,（引起第一層擊穿），全部電壓,加到第二層上，第二層也就隨之擊穿。,5,例：,d1d20.5mm；11012S/m， 21011S/m； E1bE2b100MV/m，U55kV,計算：,第二層也擊穿,第一層擊穿,If：,都不會擊穿,6,Q：那么擊穿場強與電導率如何配合才能使復合介質的擊穿電壓最高？,A：,此時,復合介質擊穿電壓最大值,If：交變電壓,雙層介質共有最大擊穿電壓的條件為,7,If：脈沖電壓,電壓作用時間很短，按電容分配,雙層介質共有最大擊穿電壓的條件,例：紙質電容器（未浸油時）,空氣中,空氣層的體積比,1d1

3、/d,纖維層體積比,8,求解：,紙的密度 2 纖維的密度 m1、m2 空氣、纖維的質量 （m1m2）,U1達到空氣擊穿電壓U1b，則紙立即發(fā)生擊穿,紙的平均電場強度,當空氣層厚度d1（68）m時，相應的擊穿電壓U1b250V，而纖維的密度1.55103kg/m3,9,未經(jīng)浸漬的紙質電容器復合介質Eb與a)紙的密度及b)紙的厚度的關系 1計算曲線 2實驗曲線,由圖可見，紙的擊穿強度的理論計算值與實驗值很接近，它表明紙在交變電壓作用下，由于空氣隙分配到較高的電場強度，從而因空氣隙先擊穿而引起紙介質擊穿。也說明雙層復合介質擊穿理論的正確性。,若為多層復合電介質：,恒定電場：,交變電場：,10,2.邊

4、緣效應及其消除方法：,現(xiàn)象：,電場不均勻程度越高，UB隨d增長越慢 分散性越大,只有在均勻電場下,此時，材料的最大擊穿場強才是材料的本征物理常數(shù)，即耐電強度。,進一步的現(xiàn)象：,如果未采用任何措施改善電極邊緣處的電場分布時，由于周圍媒質的擊穿強度常比固體電介質小，往往在固體電介質擊穿之前先在電場集中的電極邊緣處發(fā)生放電，放電火花可視為電極針狀般的延伸，于是電極邊緣處的電場分布發(fā)生強烈畸變。,若放電開始時外施電壓高于固體電介質一定厚度下的最小擊穿電壓（電介質在極不均勻電場作用下的擊穿電壓），則媒質放電后立即引起固體電介質的擊穿。,11,邊緣效應的定義：,因電極邊緣媒質放電而引起固體電介質在電極邊緣

5、處較低電壓下?lián)舸┑默F(xiàn)象稱為邊緣效應。,消除邊緣效應的方法：,把試樣制作為凹球面或凹面狀,擊穿往往發(fā)生在足夠均勻電場的最小厚度處,1.改變電極系統(tǒng),但并非所有的固體電介質都能實現(xiàn)，例如云母、有機薄膜等介質困難就較大。對于這類固體電介質，通常采用簡單電極試樣系統(tǒng)，諸如固體試樣置放在兩平板電極間、平板與圓球或圓球與圓球電極間的系統(tǒng)，置于液體媒質之中。,12,選用適當?shù)拿劫|，使在固體電介質擊穿前，媒質中所分配的電場強度低于其擊穿值,y是導納率,2.選用適當?shù)拿劫|,為了消除邊緣效應，必須從兩方面考慮，即選用高擊穿強度的媒質和在不同形式的電壓作用下，所選媒質的介電常數(shù)或電導率或兩者均比固體電介質為大。但采

6、用高電導液體媒質有其缺點，因為高電導液體在外施電場作用下會強烈發(fā)熱甚至沸騰，對固體電介質產(chǎn)生不良的影響。,13,（二）局部放電,定義：,在含有氣體（如氣隙或氣泡）或液體（如油膜）的固體電介質中，當 擊穿強度較低的氣體或液體中的局部電場強度達到其擊穿場強時，這 部分氣體或液體開始放電，使電介質發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿，這 就是局部放電現(xiàn)象。,危害：,這種放電雖然不立即形成貫穿性通道，但長期的局部放電，使電介質 （特別是有機電介質）的劣化損傷逐步擴大，導致整個電介質擊穿。,局部放電劣化損傷機理,電的作用帶電粒子對電介質表面的直接轟擊作用，使有機電介質 的分子主鏈斷裂 熱的作用帶電粒子的轟擊作用引起

7、電介質局部的溫度上升，發(fā)生 熱溶解或熱降解 化學作用局部放電產(chǎn)生受激分子或二次生成物的作用，使電介質 受到的侵蝕可能比電、熱作用的危害更大,14,局部放電是強場效應，在電介質介電現(xiàn)象和電氣絕緣領域具有重要意義。,1.機理固體電介質中氣隙放電的等效電路及放電過程,固體電介質中氣隙放電及其等效電路,Cg為空氣隙的電容； Cb為與空氣隙串聯(lián)的電介質的電容； Ca為除Cb、Cg以外其余電介質的電容。 通常氣隙尺寸很小，有CaCgCb。,電極間的全部電容:,如果,則氣隙放電,表示氣隙放電剩余電壓,15,氣隙放電時氣隙上的電壓變化,放電特征：,空氣隙放電電壓具有間歇性 放電集中在外放電壓上升和下降最陡的區(qū)

8、域,電介質的局部放電起始電壓Ui氣隙放電時外加在電極間的電壓。,局部放電起始電壓Ui，與氣隙放電電壓Ug的關系：,電介質厚度,氣隙厚度,16,2.常用的描述參數(shù)局部放電量、放電能量和放電次數(shù),經(jīng)Cg放電的全部電容的放電電荷量,真實放電量,因Cg、Cb、Ca等還沒有辦法實測，故Qr亦無法求得,17,由于氣隙放電使氣隙Cg上電壓下降,必引起Cb上的電壓增加,隨著Cb上電壓的增加，需要補充的電荷增量為,視在電荷量,將視在電荷量作為局部放電量，Qr無法實測。,CbCg,局放消耗能量,18,單位時間內的局部放電次數(shù)可以用圖解法求得。Ug、Ur分別為氣隙放電電壓、放電熄滅后的剩余電壓。假定Ug、Ur與電壓

9、極性無關，為恒定值。,上升部分：,下降部分：,條件為：,19,若發(fā)生放電相位的移動，a，b均將變化，則在較長時間內取得的平均值可表示為,略去UR,每秒內的平均放電次數(shù)N為,每秒內的平均放電能量,實際電氣設備的絕緣中往往有多個大小不等的氣隙，每個氣隙具有不同的US值，每半周的放電次數(shù)是,根據(jù)Q、N、W等量來判斷電氣設備絕緣局部放電的嚴重程度,20,（三）聚合物電介質的樹枝化擊穿,聚合物電介質在長時間強電場作用下發(fā)生 的一種老化破壞形式，在介質中形成具有 氣化了的儼如樹枝狀的痕跡，樹枝是充滿 氣體的直徑為微米以下的細微“管子”組成 的通道。,定義：,電極尖端有、無氣隙時的電樹枝,電樹枝：由于介質中

10、間歇性局部放電而產(chǎn)生和緩慢地擴展，在脈沖電壓 作用下迅速發(fā)展，或者是介質中局部電場集中而產(chǎn)生 水樹枝：水分作用下，低壓運行的200-700V的低壓電纜中產(chǎn)生 電化學樹枝：因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質而引起,樹枝化的位置是隨機的,產(chǎn)生出來的是電樹枝、水樹枝或電化學樹枝，有賴于環(huán)境和電場強度,21,樹枝化的危害：,樹枝化后，在其界面上可以發(fā)生或不發(fā)生完全擊穿，但是樹枝化擊穿是一個很重要的擊穿因素。,如美國西海岸敷設的161根聚乙烯電纜，運行了111年以后，檢查已損壞 和未損壞的電纜截面發(fā)現(xiàn)，樹枝化現(xiàn)象相當普遍，運行5年以上者，幾乎 有一半產(chǎn)生了樹枝化。,樹枝化是聚合物介質擊穿的先導，但擊穿并不因樹枝

11、化而接踵而來。,樹枝化的研究方法：,針-針電極系統(tǒng),針-板電極系統(tǒng),模擬實際絕緣中局部電場集中的情形,樹枝與加壓時間的關系 t1樹枝引發(fā)期 t2樹枝發(fā)展期,22,影響樹枝引發(fā)的主要因素：,尖端處（附近）有無氣體存在,高場強，,jE介質氣化,機械應力反復作用疲勞損壞裂紋樹枝的始發(fā),樹枝的發(fā)展：,樹枝管中氣壓上升放電停止 別處再發(fā)展,BRANCHED TREES,BUSH TREE,23,電樹的生長過程,引發(fā)階段,緩慢生長階段,加速生長階段,24,五.聚合物電介質的電機械擊穿,彈性模量小，容易發(fā)生機械變形的聚合物固體中可能出現(xiàn)的一種擊穿機制。,靜電引力作用變形d0d靜電引力更大 靜電引力作用如此循環(huán)，電介質同時喪失,平板電介質擠壓變形示意圖,真空中的電場強度為,正極板受到的力,負極板受到的力,顯然，ff，并稱之為麥克斯韋應力,25,如果有介質在其中,以PE為例，E107V/m，r2.2，可得f 9.7102N/m2,若E108V/m，則可達49。,蓋同（Garton）于1955年提出了熱塑性高聚合材