《電介質(zhì)物理》課件電介質(zhì)的擊穿.ppt

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1、1,工程電介質(zhì)物理學(xué) 電介質(zhì)的擊穿（5） Breakdown of Dielectrics 李建英 2012年4月5月,2,,,,,,,上節(jié)課小結(jié),固體介質(zhì)的擊穿,熱擊穿：非本征,電擊穿：本征,不均勻介質(zhì)的擊穿,瓦格納熱擊穿：低阻通道,均勻固體熱擊穿,脈沖熱擊穿,穩(wěn)態(tài)熱擊穿：T、f、d的影響,本征電擊穿,雪崩電擊穿,單電子近似理論,集合電子近似理論,低能判據(jù),高能判據(jù),,,,,,,場致發(fā)射擊穿,碰撞電離雪崩擊穿：40代理論,,3,,,,,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、雜質(zhì)氣隙

2、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,雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿,,4,,,,,穩(wěn)態(tài)：,,,,,,if,,,,,,,如果第一層,（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。,5,,,,,例：,d1d20.5mm；11012S/m， 21011S/m； E1bE2b100MV/m，U55kV,計算：,,,,,,第二層也擊穿,第一層擊穿,If：,都不會擊穿,,6,,,,,Q：那么擊穿場強與電導(dǎo)率如何配合才能使復(fù)合介質(zhì)的擊穿電壓最高？,A：,,,,,,,,此時,復(fù)合介質(zhì)擊穿電壓最大值,If：交變電壓,,,,雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件為,,,7,,,,,If：脈沖

3、電壓,電壓作用時間很短，按電容分配,,,,雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件,,例：紙質(zhì)電容器（未浸油時）,,空氣中,空氣層的體積比,1d1/d,纖維層體積比,8,,,,,求解：,,,,,,,紙的密度 2 纖維的密度 m1、m2 空氣、纖維的質(zhì)量 （m1<

4、作用下，由于空氣隙分配到較高的電場強度，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。,若為多層復(fù)合電介質(zhì)：,恒定電場：,交變電場：,10,,,,,,2.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,,此時，材料的最大擊穿場強才是材料的本征物理常數(shù)，即耐電強度。,進一步的現(xiàn)象：,如果未采用任何措施改善電極邊緣處的電場分布時，由于周圍媒質(zhì)的擊穿強度常比固體電介質(zhì)小，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)生強烈畸變。,若放電開始時外施電壓高于

5、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。,11,,,,,,,,,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：,把試樣制作為凹球面或凹面狀,擊穿往往發(fā)生在足夠均勻電場的最小厚度處,1.改變電極系統(tǒng),但并非所有的固體電介質(zhì)都能實現(xiàn)，例如云母、有機薄膜等介質(zhì)困難就較大。對于這類固體電介質(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。,,12,,,,,,,選用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)，使在固體電介質(zhì)擊

6、穿前，媒質(zhì)中所分配的電場強度低于其擊穿值,,,,,,,y是導(dǎo)納率,,,,2.選用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì),為了消除邊緣效應(yīng)，必須從兩方面考慮，即選用高擊穿強度的媒質(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，因為高電導(dǎo)液體在外施電場作用下會強烈發(fā)熱甚至沸騰，對固體電介質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。,13,,,,,,,（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，這 就是局部放電現(xiàn)象。,危害：,這種放

7、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) （特別是有機電介質(zhì)）的劣化損傷逐步擴大，導(dǎo)致整個電介質(zhì)擊穿。,局部放電劣化損傷機理,電的作用帶電粒子對電介質(zhì)表面的直接轟擊作用，使有機電介質(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,14,,,,,,局部放電是強場效應(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.機理固體電介質(zhì)中氣隙放電的等效電路及放電過程,固體電介質(zhì)中氣隙放電及其等效電路,Cg為空氣隙的電容； Cb為與空氣隙串聯(lián)的電介質(zhì)的

8、電容； Ca為除Cb、Cg以外其余電介質(zhì)的電容。 通常氣隙尺寸很小，有CaCgCb。,電極間的全部電容:,,如果,,則氣隙放電,表示氣隙放電剩余電壓,15,,,,,,,氣隙放電時氣隙上的電壓變化,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氣隙放電時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：,,,,,電介質(zhì)厚度,氣隙厚度,16,,,,,,,,,2.常用的描述參數(shù)局部放電量、放電能量和放電次數(shù),,,經(jīng)Cg放電的全部電容的放電電荷量,真實放電量,因Cg、Cb、Ca等還沒有辦法實測，故Qr亦無法求得,17,,,

9、,,,,,,,由于氣隙放電使氣隙Cg上電壓下降,,必引起Cb上的電壓增加,,隨著Cb上電壓的增加，需要補充的電荷增量為,視在電荷量,將視在電荷量作為局部放電量，Qr無法實測。,Cb<

10、不等的氣隙，每個氣隙具有不同的US值，每半周的放電次數(shù)是,根據(jù)Q、N、W等量來判斷電氣設(shè)備絕緣局部放電的嚴(yán)重程度,20,,,,,,,,（三）聚合物電介質(zhì)的樹枝化擊穿,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 氣化了的儼如樹枝狀的痕跡，樹枝是充滿 氣體的直徑為微米以下的細微“管子”組成 的通道。,定義：,電極尖端有、無氣隙時的電樹枝,電樹枝：由于介質(zhì)中間歇性局部放電而產(chǎn)生和緩慢地擴展，在脈沖電壓 作用下迅速發(fā)展，或者是介質(zhì)中局部電場集中而產(chǎn)生 水樹枝：水分作用下，低壓運行的200-700V的低壓電纜中產(chǎn)生 電化學(xué)樹枝：因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質(zhì)而引起,樹枝化的

11、位置是隨機的,產(chǎn)生出來的是電樹枝、水樹枝或電化學(xué)樹枝，有賴于環(huán)境和電場強度,,21,,,,,,,樹枝化的危害：,樹枝化后，在其界面上可以發(fā)生或不發(fā)生完全擊穿，但是樹枝化擊穿是一個很重要的擊穿因素。,如美國西海岸敷設(shè)的161根聚乙烯電纜，運行了111年以后，檢查已損壞 和未損壞的電纜截面發(fā)現(xiàn)，樹枝化現(xiàn)象相當(dāng)普遍，運行5年以上者，幾乎 有一半產(chǎn)生了樹枝化。,樹枝化是聚合物介質(zhì)擊穿的先導(dǎo)，但擊穿并不因樹枝化而接踵而來。,樹枝化的研究方法：,針-針電極系統(tǒng),針-板電極系統(tǒng),模擬實際絕緣中局部電場集中的情形,,樹枝與加壓時間的關(guān)系 t1樹枝引發(fā)期 t2樹枝發(fā)展期,22,,,,,,,影響樹枝引發(fā)的主要因素

12、：,尖端處（附近）有無氣體存在,高場強，,,jE介質(zhì)氣化,機械應(yīng)力反復(fù)作用疲勞損壞裂紋樹枝的始發(fā),樹枝的發(fā)展：,樹枝管中氣壓上升放電停止 別處再發(fā)展,BRANCHED TREES,BUSH TREE,23,,,,,,,,,,,電樹的生長過程,,引發(fā)階段,,緩慢生長階段,,,加速生長階段,,,,,,,24,,,,,五.聚合物電介質(zhì)的電機械擊穿,彈性模量小，容易發(fā)生機械變形的聚合物固體中可能出現(xiàn)的一種擊穿機制。,,靜電引力作用變形d0d靜電引力更大 靜電引力作用如此循環(huán)，電介質(zhì)同時喪失,,,平板電介質(zhì)擠壓變形示意圖,真空中的電場強度為,,正極板受到的力,負極板受到的力,顯然，ff，并稱之為麥克斯韋

13、應(yīng)力,25,,,,,,,,,如果有介質(zhì)在其中,,,以PE為例，E107V/m，r2.2，可得f 9.7102N/m2,若E108V/m，則可達49。,蓋同（Garton）于1955年提出了熱塑性高聚合材料（?；瘻囟纫陨希┐嬖谟须姍C械擊穿的觀點。,平衡時,電介質(zhì)彈性模量,考慮到變形后EU/d,,令,,提高EY可以提高Eb，可以通過輻照來提高EY 。,,26,,,,,,,小結(jié),局部放電,不均勻介質(zhì)的擊穿,復(fù)合電介質(zhì)的擊穿：恒定場、交變場、脈沖場,邊緣效應(yīng),定義,消除方法,等效電路及過程,樹枝化擊穿：水樹、電樹、電化學(xué)樹,,,,,聚合物的電-機械擊穿,局部放電量、放電能量、放電次數(shù),,27,,,,,,,,,,,