《电介质物理》课件电介质的击穿.ppt

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1、1,工程电介质物理学 电介质的击穿（5） Breakdown of Dielectrics 李建英 2012年4月5月,2,上节课小结,固体介质的击穿,热击穿：非本征,电击穿：本征,不均匀介质的击穿,瓦格纳热击穿：低阻通道,均匀固体热击穿,脉冲热击穿,稳态热击穿：T、f、d的影响,本征电击穿,雪崩电击穿,单电子近似理论,集合电子近似理论,低能判据,高能判据,场致发射击穿,碰撞电离雪崩击穿：40代理论,3,四.不均匀电介质的击穿,宏观不均匀电介质或复合电介质：,气体液体、液体固体、气体固体、固体固体的不同组合 即使为单一电介质的绝缘结构，材料的不均匀性、杂质气隙等的存在也不能看作是单一均匀电介质

2、,1.复合电介质的击穿,双层复合电介质的击穿,4,稳态：,if,如果第一层,（引起第一层击穿），全部电压,加到第二层上，第二层也就随之击穿。,5,例：,d1d20.5mm；11012S/m， 21011S/m； E1bE2b100MV/m，U55kV,计算：,第二层也击穿,第一层击穿,If：,都不会击穿,6,Q：那么击穿场强与电导率如何配合才能使复合介质的击穿电压最高？,A：,此时,复合介质击穿电压最大值,If：交变电压,双层介质共有最大击穿电压的条件为,7,If：脉冲电压,电压作用时间很短，按电容分配,双层介质共有最大击穿电压的条件,例：纸质电容器（未浸油时）,空气中,空气层的体积比,1d1

3、/d,纤维层体积比,8,求解：,纸的密度 2 纤维的密度 m1、m2 空气、纤维的质量 （m1m2）,U1达到空气击穿电压U1b，则纸立即发生击穿,纸的平均电场强度,当空气层厚度d1（68）m时，相应的击穿电压U1b250V，而纤维的密度1.55103kg/m3,9,未经浸渍的纸质电容器复合介质Eb与a)纸的密度及b)纸的厚度的关系 1计算曲线 2实验曲线,由图可见，纸的击穿强度的理论计算值与实验值很接近，它表明纸在交变电压作用下，由于空气隙分配到较高的电场强度，从而因空气隙先击穿而引起纸介质击穿。也说明双层复合介质击穿理论的正确性。,若为多层复合电介质：,恒定电场：,交变电场：,10,2.边

4、缘效应及其消除方法：,现象：,电场不均匀程度越高，UB随d增长越慢 分散性越大,只有在均匀电场下,此时，材料的最大击穿场强才是材料的本征物理常数，即耐电强度。,进一步的现象：,如果未采用任何措施改善电极边缘处的电场分布时，由于周围媒质的击穿强度常比固体电介质小，往往在固体电介质击穿之前先在电场集中的电极边缘处发生放电，放电火花可视为电极针状般的延伸，于是电极边缘处的电场分布发生强烈畸变。,若放电开始时外施电压高于固体电介质一定厚度下的最小击穿电压（电介质在极不均匀电场作用下的击穿电压），则媒质放电后立即引起固体电介质的击穿。,11,边缘效应的定义：,因电极边缘媒质放电而引起固体电介质在电极边缘

5、处较低电压下击穿的现象称为边缘效应。,消除边缘效应的方法：,把试样制作为凹球面或凹面状,击穿往往发生在足够均匀电场的最小厚度处,1.改变电极系统,但并非所有的固体电介质都能实现，例如云母、有机薄膜等介质困难就较大。对于这类固体电介质，通常采用简单电极试样系统，诸如固体试样置放在两平板电极间、平板与圆球或圆球与圆球电极间的系统，置于液体媒质之中。,12,选用适当的媒质，使在固体电介质击穿前，媒质中所分配的电场强度低于其击穿值,y是导纳率,2.选用适当的媒质,为了消除边缘效应，必须从两方面考虑，即选用高击穿强度的媒质和在不同形式的电压作用下，所选媒质的介电常数或电导率或两者均比固体电介质为大。但采

6、用高电导液体媒质有其缺点，因为高电导液体在外施电场作用下会强烈发热甚至沸腾，对固体电介质产生不良的影响。,13,（二）局部放电,定义：,在含有气体（如气隙或气泡）或液体（如油膜）的固体电介质中，当 击穿强度较低的气体或液体中的局部电场强度达到其击穿场强时，这 部分气体或液体开始放电，使电介质发生不贯穿电极的局部击穿，这 就是局部放电现象。,危害：,这种放电虽然不立即形成贯穿性通道，但长期的局部放电，使电介质 （特别是有机电介质）的劣化损伤逐步扩大，导致整个电介质击穿。,局部放电劣化损伤机理,电的作用带电粒子对电介质表面的直接轰击作用，使有机电介质 的分子主链断裂 热的作用带电粒子的轰击作用引起

7、电介质局部的温度上升，发生 热溶解或热降解 化学作用局部放电产生受激分子或二次生成物的作用，使电介质 受到的侵蚀可能比电、热作用的危害更大,14,局部放电是强场效应，在电介质介电现象和电气绝缘领域具有重要意义。,1.机理固体电介质中气隙放电的等效电路及放电过程,固体电介质中气隙放电及其等效电路,Cg为空气隙的电容； Cb为与空气隙串联的电介质的电容； Ca为除Cb、Cg以外其余电介质的电容。 通常气隙尺寸很小，有CaCgCb。,电极间的全部电容:,如果,则气隙放电,表示气隙放电剩余电压,15,气隙放电时气隙上的电压变化,放电特征：,空气隙放电电压具有间歇性 放电集中在外放电压上升和下降最陡的区

8、域,电介质的局部放电起始电压Ui气隙放电时外加在电极间的电压。,局部放电起始电压Ui，与气隙放电电压Ug的关系：,电介质厚度,气隙厚度,16,2.常用的描述参数局部放电量、放电能量和放电次数,经Cg放电的全部电容的放电电荷量,真实放电量,因Cg、Cb、Ca等还没有办法实测，故Qr亦无法求得,17,由于气隙放电使气隙Cg上电压下降,必引起Cb上的电压增加,随着Cb上电压的增加，需要补充的电荷增量为,视在电荷量,将视在电荷量作为局部放电量，Qr无法实测。,CbCg,局放消耗能量,18,单位时间内的局部放电次数可以用图解法求得。Ug、Ur分别为气隙放电电压、放电熄灭后的剩余电压。假定Ug、Ur与电压

9、极性无关，为恒定值。,上升部分：,下降部分：,条件为：,19,若发生放电相位的移动，a，b均将变化，则在较长时间内取得的平均值可表示为,略去UR,每秒内的平均放电次数N为,每秒内的平均放电能量,实际电气设备的绝缘中往往有多个大小不等的气隙，每个气隙具有不同的US值，每半周的放电次数是,根据Q、N、W等量来判断电气设备绝缘局部放电的严重程度,20,（三）聚合物电介质的树枝化击穿,聚合物电介质在长时间强电场作用下发生 的一种老化破坏形式，在介质中形成具有 气化了的俨如树枝状的痕迹，树枝是充满 气体的直径为微米以下的细微“管子”组成 的通道。,定义：,电极尖端有、无气隙时的电树枝,电树枝：由于介质中

10、间歇性局部放电而产生和缓慢地扩展，在脉冲电压 作用下迅速发展，或者是介质中局部电场集中而产生 水树枝：水分作用下，低压运行的200-700V的低压电缆中产生 电化学树枝：因环境污染或绝缘中存在杂质而引起,树枝化的位置是随机的,产生出来的是电树枝、水树枝或电化学树枝，有赖于环境和电场强度,21,树枝化的危害：,树枝化后，在其界面上可以发生或不发生完全击穿，但是树枝化击穿是一个很重要的击穿因素。,如美国西海岸敷设的161根聚乙烯电缆，运行了111年以后，检查已损坏 和未损坏的电缆截面发现，树枝化现象相当普遍，运行5年以上者，几乎 有一半产生了树枝化。,树枝化是聚合物介质击穿的先导，但击穿并不因树枝

11、化而接踵而来。,树枝化的研究方法：,针-针电极系统,针-板电极系统,模拟实际绝缘中局部电场集中的情形,树枝与加压时间的关系 t1树枝引发期 t2树枝发展期,22,影响树枝引发的主要因素：,尖端处（附近）有无气体存在,高场强，,jE介质气化,机械应力反复作用疲劳损坏裂纹树枝的始发,树枝的发展：,树枝管中气压上升放电停止 别处再发展,BRANCHED TREES,BUSH TREE,23,电树的生长过程,引发阶段,缓慢生长阶段,加速生长阶段,24,五.聚合物电介质的电机械击穿,弹性模量小，容易发生机械变形的聚合物固体中可能出现的一种击穿机制。,静电引力作用变形d0d静电引力更大 静电引力作用如此循

12、环，电介质同时丧失,平板电介质挤压变形示意图,真空中的电场强度为,正极板受到的力,负极板受到的力,显然，ff，并称之为麦克斯韦应力,25,如果有介质在其中,以PE为例，E107V/m，r2.2，可得f 9.7102N/m2,若E108V/m，则可达49。,盖同（Garton）于1955年提出了热塑性高聚合材料（玻化温度以上）存在有电机械击穿的观点。,平衡时,电介质弹性模量,考虑到变形后EU/d,令,提高EY可以提高Eb，可以通过辐照来提高EY 。,26,小结,局部放电,不均匀介质的击穿,复合电介质的击穿：恒定场、交变场、脉冲场,边缘效应,定义,消除方法,等效电路及过程,树枝化击穿：水树、电树、电化学树,聚合物的电-机械击穿,局部放电量、放电能量、放电次数,27,