高電壓技術(shù)_西南交通大學(xué)5 6 1--教案3 3_W

1、2.3固體電介質(zhì)的擊穿22.3.1固體電介質(zhì)的熱擊穿本節(jié)內(nèi)容2.3.2固體電介質(zhì)的電擊穿2.3.3不均勻電介質(zhì)的擊穿2.3固體電介質(zhì)的擊穿實驗表明，電介質(zhì)在強電場下的電流密度按指數(shù)規(guī)律隨電場強度增加而增加，當(dāng)電場進一步增強 到某個臨界值時，電介質(zhì)的電導(dǎo)突然劇增，電介 質(zhì)便由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)這一躍變現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。強電場絕緣狀態(tài)導(dǎo)電狀態(tài)固體電介質(zhì)與氣體、液體電介質(zhì)相比具有如下特點：擊穿場強高擊穿后材料中留下不能恢復(fù)的痕跡不能自行恢復(fù)絕緣性能圖2-21 電介質(zhì)擊穿時的伏安特性42.3固體電介質(zhì)的擊穿熱擊穿：電介質(zhì)內(nèi)部熱不穩(wěn)定過程造成與材料的性能、絕緣結(jié)構(gòu)、電壓種類和環(huán)境溫度有關(guān)不能看作是

2、電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù)常見擊穿形式電擊穿： 擊穿場強高，一定范圍內(nèi)隨溫度升高而增大或變化不大 電擊穿場強反映固體介質(zhì)耐受電場作用能力的最大限度 擊穿場強僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，是材料的特性參數(shù)之一不均勻電介質(zhì)擊穿： 固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿形式 擊穿是從耐電強度低的氣體開始，表現(xiàn)為局部放電 固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴大，致使介質(zhì)擊穿圖2-22 固體電介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系52.3.1 固體電介質(zhì)的熱擊穿1.瓦格納熱擊穿理論加直流電壓U后：每秒鐘內(nèi)導(dǎo)電通道產(chǎn)生的熱量U 2R= 0.24U2g Sd(2-32)Q1 = 0.24每秒鐘內(nèi)導(dǎo)電通道向周圍介質(zhì)散出的熱量Q2

3、= b (T - T0 )d圖2-23 瓦格納熱擊穿模型(2-33)：散熱系數(shù)：溫度系數(shù)S：通道橫截面積d：通道長度電介質(zhì)導(dǎo)電通道的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系g= gea (T -T0 )0：導(dǎo)電通道在溫度T0時的電導(dǎo)率(2-34)t062.3.1 固體電介質(zhì)的熱擊穿由上可知， 是溫度的函數(shù)，所以發(fā)熱量Q1也是溫度的函數(shù)。 曲線1、2、3分別為在電壓U1、U2、U3（U1U2U3）作用下，介質(zhì)發(fā)熱量Q1與介質(zhì)導(dǎo)電通道溫度的關(guān)系。 曲線4為散熱量Q2與溫度差(t-t0)的關(guān)系。Q1 Q2 ，在任何溫度下都不會達到熱平衡圖2-24 發(fā)熱與散熱曲線7(1) 電壓為U1時(曲線1)2.3.1 固體電介質(zhì)的熱擊

4、穿a、b兩點處，Q1=Q2 ，為熱平衡點在切點c，Q1=Q2 ，為熱平衡點t Q2 ，溫度將上升到tct tc 時，Q1 Q2 ，溫度不段上升 t Q，溫度將上升到ta12a t t時，Q Q，溫度回到ta12aa點為穩(wěn)定熱平衡點相應(yīng)于切點c的熱擊穿臨界電壓：(2-35)-at0 brUc =de00.24Sae2 t tb時，Q1 tb 時，Q1 Q2 ，溫度繼續(xù)上升b點為不穩(wěn)定熱平衡點8（3）電壓為U2時(曲線2)（2）電壓為U3時(曲線3)2.3.1 固體電介質(zhì)的熱擊穿2.均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓的確定介質(zhì)材料通常是在長時間的交、直流電壓或短時間作用的脈沖電壓下工作的，故可近似化為兩種情

5、況：電壓長時間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢。穩(wěn)態(tài)熱擊穿電壓作用時間很短， 散熱來不及進行。脈沖熱擊穿92.3.1 固體電介質(zhì)的熱擊穿（1）脈沖熱擊穿一般情況下介質(zhì)的電導(dǎo)率：g= g e= g ej-b/t-/kt(2-38)00電場作用時間很短，導(dǎo)熱過程忽略不計。0 , ：介質(zhì)的常數(shù)k：玻爾茲曼常數(shù)dT=g E熱平衡方程： c2(2-36)vdt環(huán)境溫度不高時，=/kt0 , tct0可得熱擊穿臨界場強：Cv ：單位體積電介質(zhì)的比熱T：溫度：交變電場中電介質(zhì)的等效電導(dǎo)率1/2 3c t2eb/ 2t0 v 0E(2-39) gbtcc 0102.3.1 固體電介質(zhì)的熱擊穿（2）穩(wěn)態(tài)熱擊穿K dtt

6、c熱擊穿熱臨擊界穿電臨壓界電壓：t= 8U 2(2-40)goc0b(=j/ k) t0環(huán)境溫度不高時, tct08Kt21b /2t0 ( 0 )2 e：U(2-41)積分可近似gb0c0112.3.1固體電介質(zhì)的熱擊穿本節(jié)內(nèi)容2.3.2固體電介質(zhì)的電擊穿2.3.3不均勻電介質(zhì)的擊穿2.3.2 固體電介質(zhì)的電擊穿碰撞電離理論當(dāng)這兩個過程在一定的溫度和場強下平衡時，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)。在強電場下固體導(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能。同時在其運動中又與晶格振動相互作用而激發(fā)晶格振動，把電場的能量傳遞給晶格。當(dāng)電子從電場中得到的能量大于晶格振動

7、損失的能量時，電子的動能就越來越大。電子能量大到一定值后，電子與晶格振動的相互作用便導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進入不穩(wěn)定階段，發(fā)生擊穿。132.3.2 固體電介質(zhì)的電擊穿擊穿發(fā)生判定條件不同雪崩擊穿理論以碰撞電離開始后，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以破壞電介質(zhì)結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。本征電擊穿理論以碰撞電離開始作為擊穿判據(jù)。142.3.2 固體電介質(zhì)的電擊穿本征電擊穿理論A = A(E,u)B = B(T0 ,u)(2-42)電子單位時間從電場獲得的能量：電子與晶格能量交換與溫度有關(guān)：(2-43)兩種能量平衡時：A(E,u) = B(T0 ,u)電子能量, 0晶格溫度 當(dāng)場強增加到使平

8、衡破壞時，碰撞電離過程便立即發(fā)生。 使式（2-44）成立的最大場強就是碰撞電離開始發(fā)生的起始場強，把這一場強作為電介質(zhì)的臨界擊穿場強。(2-44)152.3.2 固體電介質(zhì)的電擊穿雪崩擊穿理論（2）碰撞電離雪崩擊穿（1）場致發(fā)射擊穿 導(dǎo)帶中的電子被外施電場加速到具有足夠的動能后，發(fā)生碰撞電離， 這一過程在電場下不斷地由陰極向陽極發(fā)展，形成電子雪崩。 因量子力學(xué)隧道效應(yīng)，從價帶向?qū)鲋掳l(fā)射電子，引起電子雪崩。 由于隧道電流的增長，對晶格能量的注入使其溫度上升，在晶格溫度到達臨界溫度時，便導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生，稱這種擊穿為場致發(fā)射擊穿。 當(dāng)這種電子雪崩區(qū)域達到某一界限時，晶格結(jié)構(gòu)被破壞，固體發(fā)生擊穿。1

9、62.3.1固體電介質(zhì)的熱擊穿本節(jié)內(nèi)容2.3.2固體電介質(zhì)的電擊穿2.3.3不均勻電介質(zhì)的擊穿2.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿1.復(fù)合電介質(zhì)的擊穿（1）雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿d1、d2：雙層介質(zhì)的厚度1、2 ：雙層介質(zhì)的電導(dǎo)率1、2 ：雙層介質(zhì)的介電常數(shù)U：外施電壓E1、E2 ：兩層介質(zhì)中場強引入復(fù)合電介質(zhì)的宏觀平均場強：(2-45)圖2-25 雙層復(fù)合電介質(zhì)及其等效電路18E =U= U d1 + d2d2.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿則有： gd gdE=E=1E2E(2-46)gd+ ggd+ gd12d12211221各層介質(zhì)電場強度與其電導(dǎo)率成反比。如1=2，則E1=E2=E；如1與2相差

10、很大，其中必有一層電介質(zhì)的場強大于E。例如E1E，則當(dāng)E1達到第一層電介質(zhì)的擊穿場強E1b時，引起該 層電介質(zhì)擊穿。第一層擊穿后，全部電壓加在第二層上使E2發(fā)生畸變，通常導(dǎo)致第二層電介質(zhì)隨之擊穿，即引起全部電介質(zhì)擊穿。192.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿為了得到均勻電場消除邊緣效應(yīng)：（2）邊緣效應(yīng)及其消除方法法一：就是將電極試樣系統(tǒng)做成一定的尺寸和形狀，一般采用把試樣制作為凹面狀。為了研究固體電介質(zhì)本征擊穿的物理常數(shù)耐電強度，必須采用消除邊緣的方法，使固體電介質(zhì)能在足夠均勻的電場下發(fā)生電擊穿。法二：選用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)，使在固體電介質(zhì)擊穿之前媒質(zhì)中所分配到的電場度低于其擊穿值。邊緣效應(yīng)因電極邊緣媒質(zhì)放

11、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。202.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿2.局部放電局部放電現(xiàn)象在含有氣體或液體的固體電介質(zhì)中，當(dāng)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(zhì)發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿。長期的局部放電，會使電介質(zhì)的劣化損傷逐步擴大，導(dǎo)致整個電介質(zhì)擊穿。電的作用化學(xué)作用熱的作用21局部放電引起電介質(zhì)劣化損傷的機理2.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿 交流狀態(tài)下局部放電圖圖2-27 絕緣內(nèi)部氣泡的放電圖形圖2-29 電暈放電圖形(a)放電部位(b)放電圖形(c)較高電壓時放電波形圖2-28 表面放電圖形222.3.3 不均勻電介

12、質(zhì)的擊穿3.聚合物電介質(zhì)的樹枝化擊穿樹枝化擊穿聚合物電介質(zhì)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(zhì)中形成具有氣化了的形如樹枝狀的痕跡。樹枝是充滿氣體的直徑為皮米以下的細微“管子”組成的通道。圖2-30 電極尖端有、無氣隙時的電樹枝23242.3.3 不均勻電介質(zhì)的擊穿電樹枝因介質(zhì)中間歇性的局部放電而緩慢地擴展； 脈沖電壓作用下迅速發(fā)展；能在無任何局部放電的情況下，由于介質(zhì)中局部電場集中而發(fā)生。水樹枝因存在水分而緩慢發(fā)生；在水下運行的200700V低壓電纜中也發(fā) 現(xiàn)有樹枝，即直流電壓下也能促進樹枝化。在電化學(xué)樹枝因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質(zhì)而引起； 如電纜中由于腐蝕性氣體在線芯處擴散， 與銅發(fā)生反應(yīng)就形成電化學(xué)樹枝。樹枝化的位置是隨機的，即樹枝引發(fā)于介質(zhì)中各個高場強的