第5讲 固体电介质的击穿特性

2007-3-24高电压技术李卫国+60105052，13240310258[e-mail]2007-3-24第5讲固体电介质的击穿李卫国高电压与电磁兼容研究所+60105052，13240310258[e-mail]2007-3-24一、固体电介质的击穿过程1.固体电介质击穿特性的划分区域A：击穿时间小于10s的区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性区域B：击穿时间在1.00.2s范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关这两个区域内的击穿都具有电击穿的性质区域B区域A区域Cμssmin278hΦ5015.3Φ10010-11101102103104105106107108109101010111012时间（μs）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％）电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系2007-3-24区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点区域D：C区以外区域B区域A区域Cμssmin278hΦ5015.3Φ10010-11101102103104105106107108109101010111012时间（μs）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％）电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系电化学击穿、电老化，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年2007-3-24（1）电击穿电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿。电击穿的特点：时间影响。电压作用时间短，击穿电压高；介质特性。如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导致介质击穿电压降低电场均匀度。电场的均匀程度影响极大累积效应。在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降无关因素。击穿电压和介质温度、散热条件、频率等因素都无关2.固体击穿理论2007-3-24热击穿的概念：由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。如果同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称电介质的热击穿过程（2）热击穿2007-3-24A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程AB50403020100020406080100120140160θcrθ(℃)Ub（kV）（有效值）交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系2007-3-24热击穿的理论分析电压：U1＞U2＞U3曲线1,2,3：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系直线4：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系2007-3-24曲线1：发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1下最终必定发生热击穿不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系2007-3-24曲线2：与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系2007-3-24曲线3：tta时：曲线在直线4之下，不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在ta，称ta为稳定热平衡点ttb时：情况类似曲线1，最终发生热击穿t=tb时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点tattb：不会发生热击穿，介质温度将稳定在ta不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系2007-3-24Ub=0.342×当发热因素f，r，t0，tg0上升或增加时，Ub将下降；当散热因素σ，λ上升时，热击穿电压Ub将上升在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不一定能起到提高电介质击穿电压的作用，因而是不经济的)2+h(tg)(000rkftth热击穿电压Ub与各种发、散热因素的关系2007-3-24概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生。电离性老化：在介质内部如果存在气泡，在气泡中发生电离，造成邻近绝缘物分解、破坏（变酥、碳化）并沿着电场方向逐渐向绝缘深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称为“电树枝”。（3）电化学击穿（电老化）2007-3-24电导性老化：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质(例如水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝”。2007-3-24Tree-like树枝状Bush-like灌木丛状chestnut-like栗子状树枝老化的一般形状2007-3-24电介质中的树枝老化2007-3-24二、影响固体介质击穿电压主要因素①电压作用时间：很短——电击穿；较长—热击穿、电热联合；很长时间—电化学击穿。②电场均匀程度：均匀电场击穿电压与厚度成正比；不均匀电场中出现热击穿后厚度的增加击穿电压增加不大。③温度：环境温度越高，散热越差，热击穿电压越低。④电压种类：冲击击穿电压远大于工频击穿电压。⑤累积效应：局部损伤积累。⑥受潮：易受潮的极性介质受潮后击穿电压大幅降低。⑦机械负荷：出现微观裂缝后击穿电压显著下降。2007-3-24三、固体电介质的其它性能1.热性能耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度热劣化：电介质在较高的温度下，长时间后发生绝缘性能的不可逆变化寿命：在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命短时耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度2007-3-24电介质的耐热等级：介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐热等级。如YAEBFHC90105120130155180180℃根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计。电介质的耐寒性：耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40℃2007-3-242.机械性能有脆性、塑性和弹性三种。3.吸潮性能在潮湿地区要选用吸湿性小、憎水性强的材料。一般而言，非极性电介质吸湿性低，极性电介质吸湿性较强。4.化学性能及抗生物性化学性能指材料的化学稳定性如耐腐蚀性气体、液体溶剂等；抗生物性指材料抗霉菌、昆虫的性能，在湿热地区尤为重要。2007-3-24四、提高固体电介质击穿电压的方法1.改进制造工艺：尽量消除固体介质中的杂质。2.改进绝缘设计：尽量使电场均匀。3.改进运行条件：保持良好的通风散热条件。2007-3-24谢谢!Q&A