高电压技术_西南交通大学5 6 1--教案3 3_W

1、2.3固体电介质的击穿22.3.1固体电介质的热击穿本节内容2.3.2固体电介质的电击穿2.3.3不均匀电介质的击穿2.3固体电介质的击穿实验表明，电介质在强电场下的电流密度按指数规律随电场强度增加而增加，当电场进一步增强 到某个临界值时，电介质的电导突然剧增，电介 质便由绝缘状态变为导电状态这一跃变现象称为电介质的击穿。强电场绝缘状态导电状态固体电介质与气体、液体电介质相比具有如下特点：击穿场强高击穿后材料中留下不能恢复的痕迹不能自行恢复绝缘性能图2-21 电介质击穿时的伏安特性42.3固体电介质的击穿热击穿：电介质内部热不稳定过程造成与材料的性能、绝缘结构、电压种类和环境温度有关不能看作是

2、电介质材料的本征特性参数常见击穿形式电击穿： 击穿场强高，一定范围内随温度升高而增大或变化不大 电击穿场强反映固体介质耐受电场作用能力的最大限度 击穿场强仅与材料的化学组成及性质有关，是材料的特性参数之一不均匀电介质击穿： 固体、液体或气体组合构成的绝缘结构的击穿形式 击穿是从耐电强度低的气体开始，表现为局部放电 固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿图2-22 固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系52.3.1 固体电介质的热击穿1.瓦格纳热击穿理论加直流电压U后：每秒钟内导电通道产生的热量U 2R= 0.24U2g Sd(2-32)Q1 = 0.24每秒钟内导电通道向周围介质散出的热量Q2

3、= b (T - T0 )d图2-23 瓦格纳热击穿模型(2-33)：散热系数：温度系数S：通道横截面积d：通道长度电介质导电通道的电导率与温度的关系g= gea (T -T0 )0：导电通道在温度T0时的电导率(2-34)t062.3.1 固体电介质的热击穿由上可知， 是温度的函数，所以发热量Q1也是温度的函数。 曲线1、2、3分别为在电压U1、U2、U3（U1U2U3）作用下，介质发热量Q1与介质导电通道温度的关系。 曲线4为散热量Q2与温度差(t-t0)的关系。Q1 Q2 ，在任何温度下都不会达到热平衡图2-24 发热与散热曲线7(1) 电压为U1时(曲线1)2.3.1 固体电介质的热击

4、穿a、b两点处，Q1=Q2 ，为热平衡点在切点c，Q1=Q2 ，为热平衡点t Q2 ，温度将上升到tct tc 时，Q1 Q2 ，温度不段上升 t Q，温度将上升到ta12a t t时，Q Q，温度回到ta12aa点为稳定热平衡点相应于切点c的热击穿临界电压：(2-35)-at0 brUc =de00.24Sae2 t tb时，Q1 tb 时，Q1 Q2 ，温度继续上升b点为不稳定热平衡点8（3）电压为U2时(曲线2)（2）电压为U3时(曲线3)2.3.1 固体电介质的热击穿2.均匀固体电介质热击穿电压的确定介质材料通常是在长时间的交、直流电压或短时间作用的脉冲电压下工作的，故可近似化为两种情

5、况：电压长时间作用，介质内温度变化极慢。稳态热击穿电压作用时间很短， 散热来不及进行。脉冲热击穿92.3.1 固体电介质的热击穿（1）脉冲热击穿一般情况下介质的电导率：g= g e= g ej-b/t-/kt(2-38)00电场作用时间很短，导热过程忽略不计。0 , ：介质的常数k：玻尔兹曼常数dT=g E热平衡方程： c2(2-36)vdt环境温度不高时，=/kt0 , tct0可得热击穿临界场强：Cv ：单位体积电介质的比热T：温度：交变电场中电介质的等效电导率1/2 3c t2eb/ 2t0 v 0E(2-39) gbtcc 0102.3.1 固体电介质的热击穿（2）稳态热击穿K dtt

6、c热击穿热临击界穿电临压界电压：t= 8U 2(2-40)goc0b(=j/ k) t0环境温度不高时, tct08Kt21b /2t0 ( 0 )2 e：U(2-41)积分可近似gb0c0112.3.1固体电介质的热击穿本节内容2.3.2固体电介质的电击穿2.3.3不均匀电介质的击穿2.3.2 固体电介质的电击穿碰撞电离理论当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导。在强电场下固体导带中可能因场致发射或热发射而存在一些导电电子，这些电子在外电场作用下被加速获得动能。同时在其运动中又与晶格振动相互作用而激发晶格振动，把电场的能量传递给晶格。当电子从电场中得到的能量大于晶格振动

7、损失的能量时，电子的动能就越来越大。电子能量大到一定值后，电子与晶格振动的相互作用便导致电离产生新电子，自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，发生击穿。132.3.2 固体电介质的电击穿击穿发生判定条件不同雪崩击穿理论以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构作为击穿判据。本征电击穿理论以碰撞电离开始作为击穿判据。142.3.2 固体电介质的电击穿本征电击穿理论A = A(E,u)B = B(T0 ,u)(2-42)电子单位时间从电场获得的能量：电子与晶格能量交换与温度有关：(2-43)两种能量平衡时：A(E,u) = B(T0 ,u)电子能量, 0晶格温度 当场强增加到使平

8、衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生。 使式（2-44）成立的最大场强就是碰撞电离开始发生的起始场强，把这一场强作为电介质的临界击穿场强。(2-44)152.3.2 固体电介质的电击穿雪崩击穿理论（2）碰撞电离雪崩击穿（1）场致发射击穿 导带中的电子被外施电场加速到具有足够的动能后，发生碰撞电离， 这一过程在电场下不断地由阴极向阳极发展，形成电子雪崩。 因量子力学隧道效应，从价带向导带场致发射电子，引起电子雪崩。 由于隧道电流的增长，对晶格能量的注入使其温度上升，在晶格温度到达临界温度时，便导致击穿发生，称这种击穿为场致发射击穿。 当这种电子雪崩区域达到某一界限时，晶格结构被破坏，固体发生击穿。1

9、62.3.1固体电介质的热击穿本节内容2.3.2固体电介质的电击穿2.3.3不均匀电介质的击穿2.3.3 不均匀电介质的击穿1.复合电介质的击穿（1）双层复合电介质的击穿d1、d2：双层介质的厚度1、2 ：双层介质的电导率1、2 ：双层介质的介电常数U：外施电压E1、E2 ：两层介质中场强引入复合电介质的宏观平均场强：(2-45)图2-25 双层复合电介质及其等效电路18E =U= U d1 + d2d2.3.3 不均匀电介质的击穿则有： gd gdE=E=1E2E(2-46)gd+ ggd+ gd12d12211221各层介质电场强度与其电导率成反比。如1=2，则E1=E2=E；如1与2相差

10、很大，其中必有一层电介质的场强大于E。例如E1E，则当E1达到第一层电介质的击穿场强E1b时，引起该 层电介质击穿。第一层击穿后，全部电压加在第二层上使E2发生畸变，通常导致第二层电介质随之击穿，即引起全部电介质击穿。192.3.3 不均匀电介质的击穿为了得到均匀电场消除边缘效应：（2）边缘效应及其消除方法法一：就是将电极试样系统做成一定的尺寸和形状，一般采用把试样制作为凹面状。为了研究固体电介质本征击穿的物理常数耐电强度，必须采用消除边缘的方法，使固体电介质能在足够均匀的电场下发生电击穿。法二：选用适当的媒质，使在固体电介质击穿之前媒质中所分配到的电场度低于其击穿值。边缘效应因电极边缘媒质放

11、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。202.3.3 不均匀电介质的击穿2.局部放电局部放电现象在含有气体或液体的固体电介质中，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。长期的局部放电，会使电介质的劣化损伤逐步扩大，导致整个电介质击穿。电的作用化学作用热的作用21局部放电引起电介质劣化损伤的机理2.3.3 不均匀电介质的击穿 交流状态下局部放电图图2-27 绝缘内部气泡的放电图形图2-29 电晕放电图形(a)放电部位(b)放电图形(c)较高电压时放电波形图2-28 表面放电图形222.3.3 不均匀电介

12、质的击穿3.聚合物电介质的树枝化击穿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形如树枝状的痕迹。树枝是充满气体的直径为皮米以下的细微“管子”组成的通道。图2-30 电极尖端有、无气隙时的电树枝23242.3.3 不均匀电介质的击穿电树枝因介质中间歇性的局部放电而缓慢地扩展； 脉冲电压作用下迅速发展；能在无任何局部放电的情况下，由于介质中局部电场集中而发生。水树枝因存在水分而缓慢发生；在水下运行的200700V低压电缆中也发 现有树枝，即直流电压下也能促进树枝化。在电化学树枝因环境污染或绝缘中存在杂质而引起； 如电缆中由于腐蚀性气体在线芯处扩散， 与铜发生反应就形成电化学树枝。树枝化的位置是随机的，即树枝引发于介质中各个高场强的