華北電力大學(xué)高電壓技術(shù)第5講固體電介質(zhì)的擊穿特性

1、2007-3-24李衛(wèi)國李衛(wèi)國 +601050522007-3-24第第5 5講固體電介質(zhì)的擊穿講固體電介質(zhì)的擊穿 高電壓與電磁兼容研究所高電壓與電磁兼容研究所 +601050522007-3-24一、固體電介質(zhì)的擊穿過程一、固體電介質(zhì)的擊穿過程1. 1. 固體電介質(zhì)擊穿特性固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分的劃分區(qū) 域 a ： 擊 穿 時 間 小 于10s 的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓隨擊穿時間的縮短而提高。類似于氣體介質(zhì)擊穿的伏秒特性區(qū)域b：擊穿時間在1.0 0.2 s范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時間無關(guān)這兩個區(qū)域內(nèi)的擊穿都具有電擊穿的性質(zhì)區(qū)域

2、b區(qū)域a區(qū)域cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012時間（s）500450400350300250200150100500擊穿電壓為一分鐘耐壓的百分比數(shù) （）電工紙板的擊穿電壓電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)系與電壓作用時間的關(guān)系 2007-3-24區(qū)域區(qū)域c：擊穿電壓隨擊穿前時間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點區(qū)域區(qū)域d ：c區(qū)以外區(qū)域b區(qū)域a區(qū)域cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 101

3、0 1011 1012時間（s）500450400350300250200150100500擊穿電壓為一分鐘耐壓的百分比數(shù) （）電工紙板的擊穿電壓電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)系與電壓作用時間的關(guān)系 電化學(xué)擊穿、電老化，擊電化學(xué)擊穿、電老化，擊穿時間在幾十個小時以上，甚穿時間在幾十個小時以上，甚至幾年至幾年 2007-3-24（1 1）電擊穿）電擊穿電擊穿理論建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎(chǔ)上，固體電介質(zhì)中存在少量傳導(dǎo)電子，在電場加速下與晶格結(jié)點上的原子碰撞，從而擊穿。電擊穿的特點：電擊穿的特點：時間影響。時間影響。電壓作用時間短，擊穿電壓高；介質(zhì)特性。介質(zhì)特性。如果介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其它

4、缺陷，對電場造成畸變，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低 電場均勻度。電場均勻度。電場的均勻程度影響極大 累積效應(yīng)。累積效應(yīng)。在極不均勻電場及沖擊電壓作用下，介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降，稱為累積效應(yīng)。介質(zhì)擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降無關(guān)因素。無關(guān)因素。擊穿電壓和介質(zhì)溫度、散熱條件、頻率等因素都無關(guān)2.2.固體擊穿理論固體擊穿理論 2007-3-24熱擊穿的概念：熱擊穿的概念：由于介質(zhì)損耗的存在，固體電介質(zhì)在電場中會逐漸發(fā)熱升溫，溫度的升高又會導(dǎo)致固體電介質(zhì)電阻的下降，使電流進一步增大，損耗發(fā)熱也隨之增大。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時，也存在一個通過電極及其它介質(zhì)向外不斷散熱的

5、過程。如果同一時間內(nèi)發(fā)熱超過散熱，則介質(zhì)溫度會不斷上升，以致引起電介質(zhì)分解炭化，最終擊穿，這一過程稱電介質(zhì)的熱擊穿過程 （2 2） 熱擊穿熱擊穿2007-3-24a范圍：擊穿電壓和介質(zhì)溫度無關(guān)，屬于電擊穿性質(zhì)b范圍：溫度超過某臨界值后，擊穿電壓隨介質(zhì)溫度的增加而下降，表明擊穿已涉及到明顯的熱過程a ab b504030201000 20 40 60 80 100 120 140 160crcr()()ub（kv）（有效值）交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系 2007-3-24熱擊穿的理論分析熱擊穿的理論分析電 壓： u1u2u3曲線1,2,3 ： 電介質(zhì)發(fā)

6、熱量q與介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系直線 4： 表示固體介質(zhì)中最高溫度大于周圍環(huán)境溫度t0時，散出的熱量q與介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系 不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系 2007-3-24曲線曲線 1 1：發(fā)熱永遠(yuǎn)大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷升高，在電壓u1下最終必定發(fā)生熱擊穿不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系 2007-3-24曲線曲線 2 2：與直線4相切，u2為臨界熱擊穿電壓；tk為臨界熱擊穿溫度不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系 2007-3-2

7、4曲線曲線 3 3：t ta 時：曲線在直線4之下，不發(fā)生熱擊穿，介質(zhì)溫度逐漸升高并穩(wěn)定在ta，稱ta為穩(wěn)定熱平衡點t tb 時：情況類似曲線1，最終發(fā)生熱擊穿t = tb 時：發(fā)熱等于散熱，但因擾動使t大于tb，則介質(zhì)溫度上升，回不到tb，直至熱擊穿。稱tb為不穩(wěn)定熱平衡點 ta t 18090 105 120 130 155 180 180根據(jù)這個絕緣耐熱等級可以進行設(shè)備運行負(fù)荷的最佳經(jīng)濟性設(shè)計。電介質(zhì)的耐寒性：電介質(zhì)的耐寒性：耐寒性是絕緣材料在低溫下保證安全運行的最低許可溫度，否則，固體可能變脆、開裂，液體可能凝固。如10、25、40號變壓器油分別表示其凝固溫度為-10、-25、-402007-3-242. 2. 機械性能機械性能有脆性、塑性和彈性三種。3. 3. 吸潮性能吸潮性能在潮濕地區(qū)要選用吸濕性小、憎水性強的材料。一般而言，非極性電介質(zhì)吸濕性低，極性電介質(zhì)吸濕性較強。 4. 4. 化學(xué)性能及抗生物性化學(xué)性能及抗生物性化學(xué)性能指材料的化學(xué)穩(wěn)定性如耐腐蝕性氣體、液體溶劑等；抗生物性指材料抗霉菌、昆蟲的性能，在濕熱地區(qū)尤為重要。2007-3-24四、提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法四、提高固體電介質(zhì)擊穿電壓