《電介質(zhì)物理》課件電介質(zhì)的擊穿.ppt

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(chǎng)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(jì)算：,第二層也擊穿,第一層擊穿,If：,都不會(huì)擊穿,6,Q：那么擊穿場(chǎng)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：,此時(shí),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：脈沖電壓,電壓作用時(shí)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(shí)）,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<<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(chǎng)強(qiáng)度,當(dāng)空氣層厚度d1（68）m時(shí)，相應(yīng)的擊穿電壓U1b250V，而纖維的密度1.55103kg/m3,9,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(xiàn) 2實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn),由圖可見(jiàn)，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)诮蛔冸妷鹤饔孟拢捎诳諝庀斗峙涞捷^高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而因空氣隙先擊穿而引起紙介質(zhì)擊穿。也說(shuō)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(chǎng)：,交變電場(chǎng)：,10,2.邊緣效應(yīng)及其消除方法：,現(xiàn)象：,電場(chǎng)不均勻程度越高，UB隨d增長(zhǎng)越慢 分散性越大,只有在均勻電場(chǎng)下,此時(shí)，材料的最大擊穿場(chǎng)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：,如果未采用任何措施改善電極邊緣處的電場(chǎng)分布時(shí)，由于周?chē)劫|(zhì)的擊穿強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)分布發(fā)生強(qiáng)烈畸變。,若放電開(kāi)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(chǎng)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(chēng)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(chǎng)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(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(lèi)固體電介質(zhì)，通常采用簡(jiǎn)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)擊穿前，媒質(zhì)中所分配的電場(chǎng)強(qiáng)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(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(chǎng)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。,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(qiáng)度較低的氣體或液體中的局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到其擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，這 部分氣體或液體開(kāi)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(zhǎng)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,14,局部放電是強(qiáng)場(chǎng)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(guò)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(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氣隙放電時(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：,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(shí)放電量,因Cg、Cb、Ca等還沒(méi)有辦法實(shí)測(cè)，故Qr亦無(wú)法求得,17,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(bǔ)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(wú)法實(shí)測(cè)。,Cb<<Cg,局放消耗能量,18,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(wú)關(guān)，為恒定值。,上升部分：,下降部分：,條件為：,19,若發(fā)生放電相位的移動(dòng)，a，b均將變化，則在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)取得的平均值可表示為,略去UR,每秒內(nèi)的平均放電次數(shù)N為,每秒內(nèi)的平均放電能量,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,根據(jù)Q、N、W等量來(lái)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(shù)枝化擊穿,聚合物電介質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)電場(chǎng)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(shù)枝狀的痕跡，樹(shù)枝是充滿(mǎn) 氣體的直徑為微米以下的細(xì)微“管子”組成 的通道。,定義：,電極尖端有、無(wú)氣隙時(shí)的電樹(shù)枝,電樹(shù)枝：由于介質(zhì)中間歇性局部放電而產(chǎn)生和緩慢地?cái)U(kuò)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(chǎng)集中而產(chǎn)生 水樹(shù)枝：水分作用下，低壓運(yùn)行的200-700V的低壓電纜中產(chǎn)生 電化學(xué)樹(shù)枝：因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質(zhì)而引起,樹(shù)枝化的位置是隨機(jī)的,產(chǎn)生出來(lái)的是電樹(shù)枝、水樹(shù)枝或電化學(xué)樹(shù)枝，有賴(lài)于環(huán)境和電場(chǎng)強(qiáng)度,21,樹(shù)枝化的危害：,樹(shù)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(shù)枝化擊穿是一個(gè)很重要的擊穿因素。,如美國(guó)西海岸敷設(shè)的161根聚乙烯電纜，運(yùn)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(shù)枝化現(xiàn)象相當(dāng)普遍，運(yùn)行5年以上者，幾乎 有一半產(chǎn)生了樹(shù)枝化。,樹(shù)枝化是聚合物介質(zhì)擊穿的先導(dǎo)，但擊穿并不因樹(shù)枝化而接踵而來(lái)。,樹(shù)枝化的研究方法：,針-針電極系統(tǒng),針-板電極系統(tǒng),模擬實(shí)際絕緣中局部電場(chǎng)集中的情形,樹(shù)枝與加壓時(shí)間的關(guān)系 t1樹(shù)枝引發(fā)期 t2樹(shù)枝發(fā)展期,22,影響樹(shù)枝引發(fā)的主要因素：,尖端處（附近）有無(wú)氣體存在,高場(chǎng)強(qiáng)，,jE介質(zhì)氣化,機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用疲勞損壞裂紋樹(shù)枝的始發(fā),樹(shù)枝的發(fā)展：,樹(shù)枝管中氣壓上升放電停止 別處再發(fā)展,BRANCHED TREES,BUSH TREE,23,電樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程,引發(fā)階段,緩慢生長(zhǎng)階段,加速生長(zhǎng)階段,24,五.聚合物電介質(zhì)的電機(jī)械擊穿,彈性模量小，容易發(fā)生機(jī)械變形的聚合物固體中可能出現(xiàn)的一種擊穿機(jī)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(shí)喪失,平板電介質(zhì)擠壓變形示意圖,真空中的電場(chǎng)強(qiáng)度為,正極板受到的力,負(fù)極板受到的力,顯然，ff，并稱(chēng)之為麥克斯韋應(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(dá)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(jī)械擊穿的觀點(diǎn)。,平衡時(shí),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(guò)輻照來(lái)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(chǎng)、交變場(chǎng)、脈沖場(chǎng),邊緣效應(yīng),定義,消除方法,等效電路及過(guò)程,樹(shù)枝化擊穿：水樹(shù)、電樹(shù)、電化學(xué)樹(shù),聚合物的電-機(jī)械擊穿,局部放電量、放電能量、放電次數(shù),27,