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,1.复合

2、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/d,纤维层体

3、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.边缘效应及其消除方法：

4、,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处较低电压下击穿的现象

5、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。但采用高电导液体媒质有其缺

6、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电介质局部的温度上升，发生 热溶

7、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域,电介质的局部放电起始电压Ui气隙放电

8、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与电压极性无关，为恒定值。,上升部分：,下降部

9、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：由于介质中间歇性局部放电而产生和缓慢地扩展，在脉冲电压 作

10、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，但击穿并不因树枝化而接踵而来。,树枝化的研究方法：,针-针电极系统,针

11、-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

12、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,