《电介质物理》课件-电介质的击穿-(1)

1《工程电介质物理学》电介质的击穿（5）BreakdownofDielectrics李建英2012年4月~5月电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment2电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment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电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment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.复合电介质的击穿①双层复合电介质的击穿C1C2R2R1Udd2d1ε1γ1ε2γ2R2R1图5－33双层复合电介质及其等效电路4电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment稳态：12UUEddd21211221122111ddEEEECdddd11221221122122ddEEEECddddif1212EEE1212EEE如果第一层11bEE（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电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment例：d1＝d2＝0.5mm；1＝10－12S/m，2＝10－11S/m；E1b＝E2b＝100MV/m，U＝55kV计算：125555/0.50.5UkVEMVmddmm121112121211122110101210/0.5(1010)1.1dCSmdd12111225510100/1.110bEMVmE22110/100/UEMVmMVmd第二层也击穿第一层击穿If：121255100EEMV/mMV/m都不会击穿6电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipmentQ：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：11EEC1122CEEE22EEC1122bbCEEE1122bbbUEdEd此时——复合介质击穿电压最大值If：交变电压22212221212121221111'()()1tgdcEEdtgdtgddtg21122221212121221221'()()1tgdcEEdtgdtgddtg双层介质共有最大击穿电压的条件为1tg1122bbEE2222121111tgEtgEbb7电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipmentIf：脉冲电压电压作用时间很短，按电容分配121122211221EUEUdddd，双层介质共有最大击穿电压的条件1122bbEE例：纸质电容器（未浸油时）ε2d1d2dε1＝1纤维空气图5－34未经浸的纸质电容器复合介质空气中121221dEEdd空气层的体积比θ1＝d1/d纤维层体积比221/1dd8电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment求解：21212111112211221221ddddUEdEEEdd222212mmmρ—纸的密度ρ2—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1221bbUEd当空气层厚度d1＝（6～8）μm时，相应的击穿电压U1b≈250V，而纤维的密度ρ≈1.55×103kg/m39电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipmenta）Eb(M/Vm)50210.50.70.91.11.3203040ρ(×103kg/m3)(d＝10-5m)b）21403020102015105d(×10-6m)(ρ＝103kg/m3)Eb(M/Vm)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：1inkikEdEdr交变电场：1inkikEdEd＝10电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment2.边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BBUdE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：试样（固体）电极电极媒质（气体、液体）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电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment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φdt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。5dt12电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment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媒质关系固体直流（DC）脉冲交流（AC）11bE11rbE11byE22bE22rbE22byEy是导纳率0ryi,事实上是+g122211221tg1tgrbrbEE2.选用适当的媒质1212rbrbEE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电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment（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电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment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:gbaabgbCCCCCCCC如果gguU气隙放电电压则气隙放电rU表示气隙放电剩余电压CbCgCaUa15电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipmentU00ugttUUgUrUb)a)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：0grsCt0brsCdtgbgbrCUdtUCtbgrdtUUt111ibggrdUUUUt电介质厚度气隙厚度16电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment2.常用的描述参数——局部放电量、放电能量和放电次数ACgUbUgCbCgrUUaCR电源内阻（阻抗）较大gCbCaCggrUUUU经Cg放电的全部电容的放电电荷量gababCCCCCabrggrabCCQCUUCCrgbgrQCCUU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电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipmentgUbUgCbCgrUUaC由于气隙放电使气隙Cg上电压下降grUUUU必引起Cb上的电压增加U随着Cb上电压的增加，需要补充的电荷增量为bbgrQCUCUUrgbgrQCCUU视在电荷量brbgCQQCC将视在电荷量作为局部放电量，Qr无法实测。CbCg12rgrQUU局放消耗能量0rU12iQUbgbigCCCUU18电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment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