課程電介質(zhì)物理第五章

電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment4固體電介質(zhì)的擊穿概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿有何不同：固體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)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)絕緣性能擊穿形式熱擊穿電擊穿不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿固體電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)

與電壓作用時(shí)間的關(guān)系電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過程所造成的。介質(zhì)電場fi

損耗發(fā)熱散熱條件不利fi

溫度升高fi

介質(zhì)分解、炭化fi

擊穿影響因素與材料的性能有關(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)因此熱擊穿強(qiáng)度不能看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù)（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)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment主要特性：擊穿場強(qiáng)高（大致在5～15MV/cm范圍），實(shí)用絕緣系統(tǒng)是不可能達(dá)到的在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大意義反映了固體介質(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，又稱為耐電強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度（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。擊穿往往是從耐電強(qiáng)度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment二固體電介質(zhì)的熱擊穿(一)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a、b之間，該介質(zhì)有一處或幾次的電阻比其周圍小得多，構(gòu)成電介質(zhì)中的低阻導(dǎo)電通道。設(shè)橫截面積S長度為d導(dǎo)電率γ直流電壓U單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量21U

2RSd0.24U

gQ

=

0.24

=單位時(shí)間散出的熱量Q2

=

b

t

-t0

d散熱系數(shù)0t0a

(t

-t又

g

=

g

et0g0——導(dǎo)電通道在溫度t

時(shí)的電導(dǎo)率；α——溫度系數(shù)。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipmentγ是溫度的函數(shù)，所以發(fā)熱量Q1也是溫度的函數(shù)，因此對(duì)于不同的電壓U值，Q1與t的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線（如左圖），曲線

1、2、3分別為在電壓U1、U2、U3（U1＞U2＞U3）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Q2與溫度差（t－t0）成正比，如圖中曲線4所示發(fā)熱與散熱曲線1高于4

fi

發(fā)熱量Q1

>散熱量Q2

fi

不會(huì)熱平衡fi

溫度不斷升高fi

介質(zhì)熱擊穿3與4兩個(gè)交點(diǎn)

Q1

=Q2

fi

熱平衡點(diǎn)fi

加熱到t

停留在穩(wěn)定狀態(tài)a1

2

ct

<tc

fi

Q

t>tc

fi>Q

fi

溫度上升到t2與4相切fi

c不穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)Q1

>Q2

fi

溫度繼續(xù)上升fi

擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipmentcc在切點(diǎn)t應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件Q1

(tc

=

Q2

(tc

dQ1

=

dQ2

dt

dt

t

=t

t

=t將5-54、55、56代入上式(

)(

)0c

0t2ct0c0.24Ug

ea

t

-=

b

t-

t

d(

)c

0t2ct0SdSdag

ea

t

-=

bd考慮到0t0

00.24U-atr

=

r

e2br

0

de0.24Sa

e-at0Uc＝熱擊穿臨界電壓0——ρ

是0℃時(shí)導(dǎo)電通道的電阻率電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment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 圍小得多的通道的情況，如絕緣紙、橡膠等材料對(duì)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(jì)算固體介質(zhì)的熱擊穿電壓還是困難的（二）均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓的確定U

=

U

0

U

=

U

02

2單側(cè)散熱的無限大一維平板介質(zhì)模型厚度為d的無限大平板介質(zhì)處于平行板電極之間材料結(jié)構(gòu)是完全均勻的設(shè)只有右側(cè)電極向周圍散熱導(dǎo)熱系數(shù)K單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)x處單位面積的熱量xdxQ

＝-

K

dT負(fù)號(hào)表示熱量向溫度降低方向流動(dòng)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment包括散熱、發(fā)熱和溫升在內(nèi)的熱平衡方程單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)x＋dx處單位面積的熱量2U

=

U

02U

=

U

0dx

dx

x＋dxQ

＝-

K

d

T

+

dT

dx

2vdT

d

dTdx

c

dx

-

Kdx

dx

dx＝gE

dx或2vdTd

dTc

-

Kdx

dx

dx

＝gE一般情況下，T＝T(t，x)，E＝E(t，x)，γ＝γ（E，T）,K＝K（T）因此方程的求解是困難的考慮到介質(zhì)材料通常是在長時(shí)間作用的交、直流電壓或短時(shí)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電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment電壓作用時(shí)間很短，散熱來不及進(jìn)行的情況——脈沖熱擊穿電壓長時(shí)間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況——穩(wěn)態(tài)熱擊穿1

脈沖熱擊穿電場作用時(shí)間很短，導(dǎo)熱過程忽略2vdTcdx＝gEcEt

E

=

t

c

如知道E＝E(t)及γ＝γ（E，T），即可求得臨界溫度時(shí)的熱擊穿場強(qiáng)假設(shè)脈沖電場為斜角波形電場，即Ec——熱擊穿場強(qiáng)tc——至擊穿的時(shí)間電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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EquipmentEtcdE

=

c

dt取微分電場不太強(qiáng)時(shí)00g

=

g

e-f

kT=

g

e

-b

T式中g(shù)

，f

——介質(zhì)的常數(shù)0k——玻耳茲曼常數(shù)b

=

f

kdT

t

g

E2=

c

0

e-b

T由上面幾式可得dE

Ec

cv分離變量并積分0ccTET0tcb

TEc

cng0

E

2dEe dT

=電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipmentb（

=

f

/

k

)

T0

,Tc

>

T0在環(huán)境溫度不高時(shí)，熱擊穿臨界場強(qiáng)

v

0

eb

2T0g

bt

3c

T

2

1

2E

@c

0

c

2.穩(wěn)態(tài)熱擊穿在外施電壓U0作用下，在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)dx

dx

gE

2

+

d

K

dT

＝0有電場強(qiáng)度E＝－（dφ/dx）則電流密度dxj

=

gE＝-

g

df電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment代入上式得dx

dx

dx

-

j

df

+

d

K

dT

=

0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的情況此時(shí)介質(zhì)中心x＝0處溫度最高，計(jì)為Tcd

K

dT

dxjf

=

dx

dx

x＝0處，dT/dx＝0f

=

0dxjf

=

K

dT代入5-70得gfdf

=-

K

dT電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment積分得熱擊穿臨界電壓0Tc0cTU

cK

dTg=

80

0g

=

g

e-f

kT=

g

e

-b

T有且假定介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，即K（T）＝K，得0Tc0cTU

cK

eb

T

dTg0=

8若環(huán)境溫度不高時(shí)，β>>T0，Tc＞T010cUg

8KT

2

2@

0

eb

2T0

0

由于U0c隨T0升高而增大遠(yuǎn)不如隨e1/T0降低快，所以近似為b

2TU0c

@

Ae

0A——與材料有關(guān)的常數(shù)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment分析：①熱擊穿電壓與溫度的關(guān)系：lnU0c

@

ln

A

+

b

2T0電阻率00b

T1gr

==

r

eln

r

=

ln

r0

+b

T0——熱擊穿電壓的實(shí)驗(yàn)判據(jù)1TlnU0ln

rU0r電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment②熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系：01100cUb

2Tr

eb

8KT

2

2

8KT

2

2=

A￠

r@

0

eb

2T0=

0

g

b0

rg

+

gfrg

+

g1b

8KT

2

2A￠=

0

00b

2Tr

=

r

e1r

=g

+

g(20

s

￥w

te

e

-eg

=1+

(wt)2電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment晶體巖鹽熱擊穿電壓、電阻率與溫度的關(guān)系③熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系：與厚度無關(guān)（1）熱擊穿電壓與溫度的關(guān)系對(duì)式（5－78）取對(duì)數(shù)得00c2Tlg

U

=

lg

A

+

b介質(zhì)電阻率與溫度的關(guān)系為001b

Tgr

=

r

e其對(duì)數(shù)表示式00Tlg

r

=

lg

r

+

b1－熱擊穿電壓 2－電阻率兩式比較，lgU0C～1/T0與lgρ～1/T0都是直線關(guān)系，僅兩條直線的斜率相差一倍，圖與理論相吻合常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實(shí)驗(yàn)判據(jù)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment(2)熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系式（5－77）還可以簡化為U0c

=

A￠

rA

——常數(shù)材料熱擊穿場強(qiáng)(MV/cm)直流交流云母247～8羅息鹽381.4當(dāng)所加電壓為交變電壓時(shí)，上式中的ρ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直流熱擊穿電壓。云母、羅息鹽的熱擊穿場強(qiáng)與理論一致電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment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)的價(jià)電常數(shù)εr、損耗角正切tgδ及電壓頻率f成反比熱擊穿場強(qiáng)0cBe

ftgdE

=r可見熱擊穿場強(qiáng)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)所加電壓的值相同時(shí)，電介質(zhì)的發(fā)熱隨頻率而增加，致使熱擊穿場強(qiáng)下降。玻璃熱擊穿場強(qiáng)與頻率的關(guān)系與理論結(jié)果一致電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment（3）熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度的關(guān)系熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無關(guān)。由此推知，電介質(zhì)厚度增大時(shí)，熱擊穿場強(qiáng)表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。晶體巖鹽試樣在700℃溫度下，當(dāng)厚度d≈1mm以上時(shí)，熱擊穿電壓大致不隨厚度變化，與理論結(jié)果基本相符。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment三固體電介質(zhì)的電擊穿理論基礎(chǔ)：氣體放電的碰撞電離理論ea

=

a

(E,

l

)1epr

2

Nl

=又r

=

2000r固空氣2000ell

=e氣E

=

2000Eb固b氣E

=

3·106

V/mb氣估算得E

=

6

·109

V/mb固108

109

V

/

m之間，相差不大。與實(shí)驗(yàn)值相比，表5-9中但是有不同之處：每個(gè)分子或原子堪稱一個(gè)孤立的粒點(diǎn)氣體：A

+e

A++2e固體：電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment晶格質(zhì)點(diǎn)：不能自由熱運(yùn)動(dòng)；只能在晶格平衡位置上做微小振動(dòng)；這些熱振動(dòng)相互關(guān)聯(lián)；形成一系列頻率的晶格振動(dòng)；以波的形式在固體介質(zhì)中傳播——晶格波。電子晶格波電子與晶格波的相互作用：①電子可以失去能量，而被制動(dòng)②電子從晶格波得到能量而進(jìn)一步加速，只有在電場很強(qiáng)時(shí)，電子才可以獲得引起碰撞電離的能量本世紀(jì)30年代，Hippel和Frohlich以固體物理為基礎(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電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment在強(qiáng)電場下固體導(dǎo)帶中可能因場致發(fā)射或熱發(fā)射而

存在一些導(dǎo)電電子，這些電子在外電場作用下被加

速獲得動(dòng)能，同時(shí)在其運(yùn)動(dòng)中又與晶格振動(dòng)相互作

用而激發(fā)晶格振動(dòng)，把電場的能量傳遞給晶格。當(dāng)

這兩個(gè)過程在一定的溫度和場強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介

質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場中得到能量大于損

于給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來越大，

當(dāng)電子能量大到一定值后，電子與晶格振動(dòng)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(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿開始發(fā)生。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment按擊穿判定條件不同，電擊穿理論可分為兩大類：①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)②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)結(jié)構(gòu)為擊穿判據(jù)。（一）本征電擊穿理論在電場E的作用下，電子被加速，它的平均速度為em*

m*n

=

F

t

=

eE

t電子單位時(shí)間從電場獲得的能量e2

E2tm*A

=

Fve

=e——電子電荷m*——電子有效質(zhì)量τ——電子平均自由行程時(shí)間，又稱松弛時(shí)間電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment松弛時(shí)間τ用量子力學(xué)電子與晶格振動(dòng)相互作用的微擾理論來求取t

=t(u)是電u

子能量則A

=

A(E，u晶格振動(dòng)的能量是量子化的w——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(dòng)的能量總大于它們從晶格

振動(dòng)獲得的能量。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)電子與晶格振動(dòng)相互作用為1/τ次，則電子單位時(shí)間中損失給晶格振動(dòng)的能量為B

=

Cwt電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Equipment又t

=t(u)晶格振動(dòng)與溫度有關(guān)，上式可改寫為T0——晶格溫度平衡時(shí)B

=

B

(T0，uA(E，u

=

B

(T0，uEmax使該式成立的

為擊穿場強(qiáng)

。不平衡但是不發(fā)生擊穿時(shí)B(T0

,

u)

>

A(E,

u)本征電擊穿理論又分為單電子近似和集合電子近似兩種理論。①單電子近似理論電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Insulation

and

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Equipment假設(shè)：略去電介質(zhì)中導(dǎo)電電子間的相互作用，用強(qiáng)電場下單個(gè)電子的平均特性來求取擊穿場強(qiáng)。把導(dǎo)電電子與晶格振動(dòng)的相互作用，看成是對(duì)晶格周期勢(shì)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(qiáng)。A，B0uu

IFEH

＞E＂＞

E

＞E＇A(EH)A(E＂)A(EF)A(E＇

)uc

=

4

w圖5－29

能量增益速率A、能量損失速率B與電子能量u的關(guān)系B平衡點(diǎn)平衡點(diǎn)隨著場強(qiáng)的增加向電子能量減小的方向移動(dòng)，即場強(qiáng)增大，到達(dá)平衡時(shí)電子具有的能量減小電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Insulation

and

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Equipmenta

Hippel低能電擊穿判據(jù)u

=

uc

@

4wA(EH，uc

=

B

(T0，uc2e2

Em*A=

H

tm*

Be2tEH

=u

=

uc

=

4w低能電子希伯爾電擊穿臨界條件意味著，低能電子單位時(shí)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4w

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。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)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Insulation

and

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Equipmentm*

Be2tEF

=b

Frohlich高能電擊穿判據(jù)以電子能量u＝u1時(shí)的平衡條件作為擊穿的臨界條件A(EF，uc

=

B

(T0，uIFrohlich臨界擊穿場強(qiáng) 晶格電離能得Iu

=

uFrohlich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)是高能量電子。如果加速uI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，故稱為高能判據(jù)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Insulation

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EquipmentHippel和Frohlich判據(jù)的區(qū)別：Hippel：電場開始加速4w的低能電子引起的，這電場可以加速幾乎所有的電子——充分條件，EH

高Frohlich：電場開始加速能量接近uI的高能電子引起的，這電場可以加速少部分電子——必要條件，EF

低EF

<

EH表5-10中，EF<E實(shí)驗(yàn)值<EH

→堿鹵晶體擊穿→吻合較好m*

BE

=T0

?e2tt

flE

?0

200

400

500

600t(℃)b)－200120010008006004002000Eb(MV

/m)4080-60

-40

-20

0電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment16012020

40

60

80

100

120

140160t(℃)a)Eb(MV/m)直流交流圖5－30

NaCl單晶、白云母擊穿場強(qiáng)與溫度的關(guān)系a)NaCl單晶b)白云母0由實(shí)驗(yàn)規(guī)律知：電擊穿在T較低時(shí)，dEbdT>

0這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)，含雜質(zhì)晶體或非晶態(tài)電介質(zhì)中，存在于雜質(zhì)能級(jí)上的電子很少，它們之間的相互作用可以忽略不計(jì)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment單電子近似理論適用于dEbdT>

00但是當(dāng)T

足夠高時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)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，且自相作用，形成電子系。②集合電子近似理論由Frohlich針對(duì)無定形固體電介質(zhì)的高溫?fù)舸┨岢鰜淼膶?dǎo)帶滿帶

WΔ

VD雜質(zhì)能級(jí)基態(tài)C

激發(fā)帶S以nC、nS和nD分別表示導(dǎo)帶、淺陷阱和深陷阱上的電子數(shù)假設(shè)kTe

DV

W電子系溫度則有nC

nS

nDe-DV

kTnC

=

nSgeγ——導(dǎo)帶底部和淺陷阱底部附近能級(jí)密度之比電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment單位時(shí)間自由電子獲得能量為e2

E

2me2gt

c

E2e-DV

kTemtc

=

nsA(E，Te，T0

)＝nC導(dǎo)帶自由電子的松弛時(shí)間能量損失主要是由雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格，它是由吸收和放出聲子來實(shí)現(xiàn)的。B

=

B

(Te，T0A、B都是通過雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)nS來實(shí)現(xiàn)的平衡關(guān)系A(chǔ)

(E，Te，T0

＝B

(Te，T0電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment能量增益速率A，B能量損失速率與電子系溫度Te的關(guān)系0c2kTlnE

=

C

+

DV

由圖中可以看出，電子系從電場獲得的能量隨電子系溫度升高而迅速增大，而傳遞給晶格的能量也隨電子系溫度升高而增加，但增加速率愈來愈慢。A

E，Te，T0

＝B

Te，T0Ec——集合電子近似的臨界擊穿場強(qiáng)解得上式表明，隨著晶格溫度T0的增加，擊穿場強(qiáng)Ec下降。這與固體電介質(zhì)的高溫電擊穿場強(qiáng)隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實(shí)驗(yàn)規(guī)律是一致的。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment（2）雪崩擊穿理論根據(jù)雪崩激勵(lì)的不同，分為：場致發(fā)射擊穿碰撞電離雪崩擊穿①場致發(fā)射擊穿j

=

AE2e-B

/

E價(jià)帶向?qū)鲋掳l(fā)射電子——電子雪崩j

?→向晶格注入能量→T0

?→（if

T0

=T0

'臨界溫度）導(dǎo)致?lián)舸鷪鲋掳l(fā)射擊穿Zener——用量子力學(xué)計(jì)算FranZ——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)熱電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment(

)c20

2cln

10

t4

·107

I

3

2E

@電離能（即禁帶寬度）至擊穿的時(shí)間式中I的單位為eV，tc單位為μs。對(duì)于大多數(shù)電介質(zhì)來說，I約為2～7eV，在加壓時(shí)間為μs的寬廣范圍內(nèi),上式給出的臨界擊穿場強(qiáng)為109V/m。②碰撞電離雪崩擊穿基礎(chǔ)：導(dǎo)帶中的電子E

fi

發(fā)生碰撞電離 由陰極向陽極發(fā)展形成電子雪崩當(dāng)電子雪崩區(qū)域達(dá)到某一界限時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)被破壞，固體發(fā)生擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

EquipmentSeitZ單電子理論-+1cm根據(jù)SeitZ理論，一個(gè)由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)過程中，1cm內(nèi)大致發(fā)生40次的碰撞電離，固體電介質(zhì)即可破壞E

=106

V

/

mm

=1cm2

/

V

sn

=

mEs

=nt

=

mEtt

=1mss

=1cmr

=

2Dt

@

10-3

cmV

=

pr

2

·1

=

p10-6

cm3崩頭的擴(kuò)散長度體積n

=p10-12

cm

·1029

/cm3

=1017

原子數(shù)若要破壞晶格，每個(gè)原子只需要10eV的能量。則體積V內(nèi)需要的能量為1018eV

。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

EquipmentE

=106

V/m

，走1cm后，電子獲得能量為106eV，需要的電子數(shù)為1012個(gè)。電子一代撞擊產(chǎn)生兩個(gè)電子，經(jīng)n代碰撞，共有電子數(shù)2n，由2n

=1012n＝4040代理論注意：這種擊穿的特征是擊穿場強(qiáng)具有低溫區(qū)的特性，且擊穿場強(qiáng)隨試樣厚度減薄而增加。進(jìn)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(jìn)入陽極復(fù)合了，介質(zhì)就不易擊穿，即擊穿場強(qiáng)將要

提高。工程上使用薄膜即為此理論的應(yīng)用。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment四不均勻電介質(zhì)的擊穿宏觀不均勻電介質(zhì)或復(fù)合電介質(zhì)：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(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，材料的不均勻性，含雜質(zhì)，含氣隙 等的存在也不能看作是單一均勻電介質(zhì)1復(fù)合電介質(zhì)的擊穿①雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿C1C2R2R1Udd2d1ε1γ1ε2γ2電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment穩(wěn)態(tài)：E

=U

=

Ud1

+

d2

d1g2

dg1g2

dE

=E

=E

=

C

E21

2

2

1g1d2

+

g2

d1g1dg1d2

+

g2

d1g1g2

dg2

g2E

=E

=g1

g1E

=

C

Eg1d2

+

g2

d1

g

d

+

g

difE1

=

E2

=

Eg1

=

g2g1

<

g2如果第一層E1

=E（1bE1

>

E

>

E2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。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment例：d1＝d2＝0.5mm；r1＝10－12S/m，r2＝10－11S/m；E1b＝E2b＝100MV/m，U＝55kV計(jì)算：E

=

U

=

55kV

=

55MV

/

md1

+

d20.5

+

0.5mm1

2

2

1gg

d10-12

·10-11

·1

2C

=

1

2

==

·10-12

S

/

mg

d

+

g

d0.5(10-12

+10-11

)

1.11551.11b10-12E

=

2

·10-12

·=100MV

/

m

=

E22dE

=

U

=110MV

/

m

>100MV

/

m第一層擊穿If：第二層也擊穿g1

=

g2E1

=

E2

=

55MV

/

m

<100MV

/

m都不會(huì)擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

EquipmentQ：那么擊穿場強(qiáng)與電導(dǎo)率如何配合才能使復(fù)合介質(zhì)的擊穿電壓最高？A：11gE

=

C

ECE

=

g1E1

=

g2

E222gE

=

C

EUb

=

E1b

d1

+

E2bd2此時(shí)CE

=

g1E1b

=

g2

E2b——復(fù)合介質(zhì)擊穿電壓最大值If：交變電壓11

2

12

1

2

1

2

2

111c

'

Ee

1+

tg

2d

dE

=

2

2

=(e

d

tgd

+

e

d

tgd

)2

+(e

d

+

e

d

)2e

1+

tg

2d222c

'

EEe

1+

tg

2d

d=

1

1

=(e

d

tgd

+

e

d

tgd

)2

+(e

d

+

e

d

)21

2

1

2

1

2

1

2

2

1e

1+

tg

2d雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件為E

e

1+

tg2d

=

E

e

1+

tg2d1b

1

1

2b

2

1tgd

1E1be1

=

E2be2電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Electrical

Insulation

and

Power

EquipmentIf：脈沖電壓電壓作用時(shí)間很短，按電容分配1122

2

1Ue2

e1E

=e

d

+

e

de1d2

+

e2

d1U，E

=雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件E1be1

=

E2be2例：紙質(zhì)電容器（未浸油時(shí)）d1d2dε2ε1＝1電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment求解：空氣中112

2

1Ee2

dE

=e

d

+

e

d空氣層的體積比纖維層體積比θ1＝d1/dq2

=

d2

/

d

=1-q1Ee2

dd1e2q1de2q1dU1

=

E1d1

=E

=E

=e1d2

+

e2

d1

e1q2

+

e2q1

q2

+

e2q122

2

1

2q

=m2

r

?

rr

(m

+

m

)

rρ—紙的密度ρ2

—纖維的密度分別為m1、m2

—空氣、纖維的質(zhì)量（m1<<m2）U1達(dá)到空氣擊穿電壓U1b，則紙立即發(fā)生擊穿紙的平均電場強(qiáng)度2

21bbUd

r

E

=1+e

(r

-

r

)

當(dāng)空氣層厚度d1＝（6～8）μm時(shí)，相應(yīng)的擊穿電壓U1b≈250V，而纖維的密度ρ≈1.55×103kg/m3電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment未經(jīng)浸漬的紙質(zhì)電容器復(fù)合介質(zhì)Eb

與

a）紙的密度及

b）紙的厚度的關(guān)系1－計(jì)算曲線 2－實(shí)驗(yàn)曲線由圖可見，紙的擊穿強(qiáng)度的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值很接近，它表明紙?jiān)诮蛔冸妷鹤饔孟?，由于空氣隙分配到較高的電場強(qiáng)度，從而因空氣隙先擊穿而引起紙介質(zhì)擊穿。也說明雙層復(fù)合介質(zhì)擊穿理論的正確性。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment多層復(fù)合電介質(zhì)恒定電場：inEdd

k

rkgE

=i

1交變電場：iniEdde

k

ek1E＝電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment邊緣效應(yīng)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UB

d

EB此時(shí)，材料的最大擊穿場強(qiáng)才是材料的本征物理常數(shù)，即耐電強(qiáng)度。進(jìn)一步的現(xiàn)象：電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment如果未采用任何措施改善電極邊緣處的電場分布時(shí)，由于周圍媒質(zhì)的擊穿強(qiáng)度常比固體電介質(zhì)小E1b(媒質(zhì))<E2b(固體)往往在固體電介質(zhì)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(qiáng)烈畸變?nèi)舴烹婇_始時(shí)外施電壓高于固體電介質(zhì)一定厚度下的最小擊穿電壓（電介質(zhì)在極不均勻電場作用下的擊穿電壓），則媒質(zhì)放電后立即引起固體電介質(zhì)的擊穿邊緣效應(yīng)的定義：因電極邊緣媒質(zhì)放電而引起固體電介質(zhì)在電極邊緣處較低電壓下?lián)舸┑默F(xiàn)象稱為邊緣效應(yīng)消除邊緣效應(yīng)的方法：改變電極系統(tǒng)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment圖5－36

獲得均勻電場的電極試樣系統(tǒng)把試樣制作為凹球面或凹面狀d t

>

5(5

10擊穿往往發(fā)生在足夠均勻電場的最小厚度處但并非所有的固體電介質(zhì)都能實(shí)現(xiàn)，例如云母、有機(jī)薄膜等介質(zhì)困難就

較大。對(duì)于這類固體電介質(zhì)，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(zhì)之中。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment選用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)，使在固體電介質(zhì)擊穿前，媒質(zhì)中 所分配的電場強(qiáng)度低于其擊穿值媒質(zhì)關(guān)系固體直流（DC）g1E1b>g2

E2b脈沖er

E1b1>er

E2b2交流（AC）y1E1b>y2

E2by是導(dǎo)納率，y

=g

+iwe0er,g事實(shí)上是g+g2

2be

1+

tg2d

E

>

er1

1

1b

r21+

tg2d

E電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipmenttgδ1、tgδ2均遠(yuǎn)小于1，則有12er

E1b>

er

E2b為了消除邊緣效應(yīng)，必須從兩方面考慮，即選用高擊穿強(qiáng)度的媒質(zhì)和在不同形式的電壓作用下，所選媒質(zhì)的介電常數(shù)或電導(dǎo)率或兩者均比固體電介質(zhì)為大。但采用高電導(dǎo)液體媒質(zhì)有其缺點(diǎn)，因?yàn)楦唠妼?dǎo)液體在外施電場作用下會(huì)強(qiáng)烈發(fā)熱甚至沸騰，對(duì)固體電介質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment（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(zhì)中，當(dāng)擊穿強(qiáng)度較低的氣體或液體中的局部電場強(qiáng)度達(dá)到其擊穿場強(qiáng)時(shí)，這部分氣體或液體開始放電，使電介質(zhì)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(zhì)（特別是有機(jī)電介質(zhì)）的劣化損傷逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致整個(gè)電介質(zhì)擊穿。局部放電劣化損傷機(jī)理電的作用——帶電粒子對(duì)電介質(zhì)表面的直接轟擊作用，使有機(jī)電介質(zhì)的分子主鏈斷裂熱的作用——帶電粒子的轟擊作用引起電介質(zhì)局部的溫度上升，發(fā)生熱溶解或熱降解化學(xué)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(zhì)受到的侵蝕可能比電、熱作用的危害更大電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Electrical

Insulation

and

Power

Equipment圖5－37

固體電介質(zhì)中氣隙放電及其等效電路局部放電是強(qiáng)場效應(yīng)，在電介質(zhì)介電現(xiàn)象和電氣絕緣領(lǐng)域具有重要意義。1

機(jī)理——固體電介質(zhì)中氣隙放電的等效電路及放電過程Cg為空氣隙的電容；Cb為與空氣隙串聯(lián)的電介質(zhì)的電容；

Ca為除Cb、Cg以外其余電介質(zhì)的電通常氣隙尺寸很小，有Ca>>Cg>>電極間的全部電容g

baC

CC

=

C

+?

Ca

+

CbCg

+

Cb如果ug>Ug

(氣隙放電電壓則氣隙放電rU

表示氣隙放電剩余電壓電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Power

Equipment圖5－38氣隙放電時(shí)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)域電介質(zhì)的局部放電起始電壓

Ui——?dú)庀斗烹姇r(shí)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(guān)系：g

0

rtC

=

e

e

sb

0sC

=

e

er

d

-

tCg=Ub

=

d

-

tUg

Cb

er

t電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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and

Power

Equipmentrd

-

te

tUb

=

UggUi

=Ub

+U

1

d

+ -1=Ug

1e

tr

電介質(zhì)厚度Ug

flUbCgfl

Ug

-UrCaCb氣隙厚度2.常用的描述參數(shù)——局部放電量、放電能量和放電次數(shù)RCgCbCagrUgDU

=

U

-U電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Power

Equipment經(jīng)Cg放電的全部電容(Ca

+

CbCg

+

CaCb

的放電電荷量rggrCaCb

(UQ

=

C

+-U

)C

+

C

a b

由于Ca>>Cb，Qr真實(shí)放電量=

(Cg

+

Cb

(U

g

-Ur因Cg、Cb、Ca等還沒有辦法實(shí)測，故Qr亦無法求得Ug

flUbCbCgfl

Ug

-UrCa由于氣隙放電使氣隙Cg上電壓下降DU

(DU

=

Ug

-Ur必引起Cb上的電壓增加DU電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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Power

Equipment隨著Cb上電壓的增加，需要補(bǔ)充的電荷增量為Q

=

Cb

DU

=

Cb

(U

g

-UrQr

=

(Cg

+

Cb

(U

g

-Ur視在電荷量

b

rb

gCQ

=

QC

+

C將視在電荷量作為局部放電量，Qr無法實(shí)測。Cb<<Cg2r

g

rw

=

1

Q

(U

-U

)局放消耗能量Ur

0Ug

=

Ui

CbCg

+

Cb

2iw

=

1

QU電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

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and

Power

Equipment單位時(shí)間內(nèi)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與電壓極性無關(guān)，為恒定值氣隙電壓外施電壓U

=U

Cb

=U

Kg S

C

+

C

Sb

gUS＝U

g

KU

=U

Cb

=U

Kr R

C

+

C

Rb

gUR

=Ur

K電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment圖5－38氣隙放電時(shí)氣隙上的電壓變化n

=

(U

-UR

-

a

+

(U

-US

-

bUS

-URn

=

2

(U

-UR

-(a

+

bUS

-

UR(U

-UR

-

aUS

-UR(U

-US

-

b上升部分：下降部分：US

-UR條件為：

a

<

(US

-

UR

，b

<

(US

-

UR電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment若發(fā)生放電相位的移動(dòng)，a，b均將變化，則在較長時(shí)間內(nèi)取得的平均值可表示為n

=

2

(U

-UR-1US

-

UR略去URUUSn

=

2-1每秒內(nèi)的平均放電次數(shù)N為N

=

2

fn每秒內(nèi)的平均放電能量為22i

2U

1

1

W

=

Nw

=

2

f

nw

=

2

f

-1

?

QU

=

2

fQ U

-

U

U

i

s

igK

=UCbi

C

+

CUS＝U

g

K

=UbK

=

Cb

(Cb

+

Cg電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State

Key

Laboratory

of

Electrical

Insulation

and

Power

Equipment實(shí)際電氣設(shè)備的絕緣中往往有多個(gè)大小不等的氣隙，每個(gè)氣隙具有不同的US值，每半周的放電次數(shù)是n

=2

U

-1