《电介质物理》课件 电介质的击穿5

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工程电介质物理学,电介质的击穿（5）,Breakdown of Dielectrics,2012年4月5月,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,1,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,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,2,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,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,双层复合电介质的击穿,3,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,稳态：,if,如果第一层,（,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,。,4,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,例：,d,1,d,2,0.5mm；,1,10,12,S/m，,2,10,11,S/m；,E,1b,E,2b,100MV/m，U55kV,计算：,第二层也击穿,第一层击穿,If：,都不会击穿,5,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,Q：,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：,此时,复合介质击穿电压最大值,If：交变电压,双层介质共有最大击穿电压的条件为,6,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,If：脉冲电压,电压作用时间很短，按电容分配,双层介质共有最大击穿电压的条件,例：,纸质电容器（未浸油时）,空气中,空气层的体积比,1,d,1,/,d,纤维层体积比,7,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,求解：,纸的密度,2,纤维的密度,m1、m2 空气、纤维的质量,（m1,脉冲,交流（AC）,y是导纳率,2.选用适当的媒质,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。,12,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,（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,13,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,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,C,g,为空气隙的电容；,C,b,为与空气隙串联的电介质的电容；,C,a,为除,C,b,、,C,g,以外其余电介质的电容。,通常气隙尺寸很小，有,C,a,C,g,C,b,。,电极间的全部电容:,如果,则气隙放电,表示气隙放电剩余电压,14,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,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U,i,气隙放电时外加在电极间的电压。,局部放电起始电压U,i,，与气隙放电电压U,g,的关系：,电介质厚度,气隙厚度,15,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,2.常用的描述参数局部放电量、放电能量和放电次数,经C,g,放电的全部电容的放电电荷量,真实放电量,因C,g,、C,b,、C,a,等还没有办法实测，故Q,r,亦无法求得,16,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,由于气隙放电使气隙Cg上电压下降,必引起C,b,上的,电压增加,随着C,b,上电压的增加，需要补充的电荷增量为,视在电荷量,将视在电荷量作为局部放电量，Q,r,无法实测。,C,b,C,g,局放消耗能量,17,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,单位时间内的局部放电次数可以,用图解法,求得。U,g,、U,r,分别为气隙放电电压、放电熄灭后的剩余电压。假定U,g,、U,r,与,电压极性无关，为恒定值。,气隙电压,外施电压,上升部分：,下降部分：,条件为：,18,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,若发生放电相位的移动，a，b均将变化，则在较长时间内取得的平均值可表示为,略去U,R,每秒内的平均放电次数N为,每秒内的平均放电能量,实际电气设备的绝缘中往往有多个大小不等的气隙，每个气隙具有不同的U,S,值，每半周的放电次数是,根据Q、N、W等量来判断电气设备绝缘局部放电的严重程度,19,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,（三）聚合物电介质的树枝化击穿,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,气化了的俨如树枝状的痕迹，树枝是充满,气体的直径为微米以下的细微“管子”组成,的通道。,定义：,电极尖端有、无气隙时的电树枝,电树枝：由于介质中间歇性局部放电而产生和缓慢地扩展，在脉冲电压,作用下迅速发展，或者是介质中局部电场集中而产生,水树枝：水分作用下，低压运行的,200-700V,的低压电缆中产生,电化学树枝：因环境污染或绝缘中存在杂质而引起,树枝化的位置是,随机,的,产生出来的是电树枝、水树枝或电化学树枝，,有赖于环境和电场强度,20,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,树枝化的危害：,树枝化后，在其界面上可以发生或不发生完全击穿，但是树枝化击穿是一个,很重要的击穿因素。,如美国西海岸敷设的161根聚乙烯电缆，运行了111年以后，检查已损坏,和未损坏的电缆截面发现，树枝化现象相当普遍，运行5年以上者，几乎,有一半产生了树枝化。,树枝化是聚合物介质击穿的先导，但击穿并不因树枝化而接踵而来。,树枝化的研究方法,：,针-针电极系统,针-板电极系统,模拟实际绝缘中局部电场集中的情形,树枝与加压时间的关系 t1树枝引发期 t2树枝发展期,21,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,影响树枝引发的主要因素：,尖端处（附近）有无气体存在,高场强，,jE介质气化,机械应力反复作用疲劳损坏裂纹树枝的始发,树枝的发展：,树枝管中气压上升放电停止,别处再发展,BRANCHED TREES,BUSH TREE,22,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,电树的生长过程,LENGTH,TIME,引发阶段,缓慢生长阶段,加速生长阶段,23,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,五.聚合物电介质的电机械击穿,弹性模量小，容易发生机械变形,的聚合物固体中可能出现的一种击穿机制。,静电引力作用变形d0d静电引力更大,静电引力作用如此循环，电介质同时丧失,平板电介质挤压变形示意图,真空中的电场强度为,正极板受到的力,负极板受到的力,显然，f,f,，并称之为,麦克斯韦应力,24,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,如果有介质在其中,以PE为例，E10,7,V/m，,r,2.2，可得,f,9.710,2,N/m,2,若E10,8,V/m，则可达49。,盖同（Garton）于1955年提出了热塑性高聚合材料（玻化温度以上）存在有电机械击穿的观点。,平衡时,电介质弹性模量,考虑到变形后EU/d,令,提高E,Y,可以提高E,b,，可以通过辐照来提高E,Y,。,25,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulation,and,Po,wer,Eq,uip,ment,小结,局部放电,不均匀介质的击穿,复合电介质的击穿：恒定场、交变场、脉冲场,边缘效应,定义,消除方法,等效电路及过程,树枝化击穿：水树、电树、电化学树,聚合物的电-机械击穿,局部放电量、放电能量、放电次数,26,电力设备电气绝缘国家重点实验室,State Key,Laboratory of Electrical Insulatio