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1、第2节 固体电介质的击穿特性第1页，本讲稿共28页电过程（电击穿）电过程（电击穿）热过程（热击穿）热过程（热击穿）电化学过程（电化学击穿）电化学过程（电化学击穿）介质本身的特性；介质本身的特性；绝缘结构形式；绝缘结构形式；电场均匀性；电场均匀性；实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于以下多种因素：取决于以下多种因素：在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：第2页，本讲稿共28页外加电压波形；外加电压波形；外加电压时间；外加电压时间；工作环境（周围媒质的温度及散热条件）工作环境（周
2、围媒质的温度及散热条件）常用的有机绝缘材料，如纤维材料常用的有机绝缘材料，如纤维材料(纸、纸、布和纤维板布和纤维板)以及聚乙烯塑料等，其短时电以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但在工作电压的长期作用下，气强度很高，但在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过程，从而使其电气强会产生电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。度大幅度下降。所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。长期工作电压下的耐电性能。第3页，本讲稿共28页一、固体介质的击穿理论一、固体
3、介质的击穿理论(一一)电击穿理论电击穿理论1、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。现象。2、在介质的电导很小，又有良好的散热条、在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强可达可达105-106kV/m。第4页，本讲稿共28页3、电击穿的主要特征：与周围环境温度有关；除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；介质发热不显著；电场均匀程度对击穿有显著
4、影响。第5页，本讲稿共28页(二二)热击穿理论热击穿理论 固体介质会因介质损耗而发热，如果周固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散热条件不好，介质温度围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。第6页，本讲稿共28页 为简单起见，以图3-21中的平板状固体介质为例，对热平衡问题进行讨论。设平板电极和介质的面积都足够大，介质以及介质中的电场都是均匀的 ，于是介质发热均匀;介质损耗产生的热量主要沿垂直于电极的方向（x轴方向）流向介质表面和平板电极。
5、在这种条件下，固体介质沿厚度2h的双向散热可看作是沿厚度h的单向散热。第7页，本讲稿共28页电介质的损耗率（单位体积的功率损耗）（W/cm3）式中：-电介质的电导率，S/cm E-电介质的电场强度，V/cm f-外加电场的频率，Hz 设在1cm介质中单位时间内产生的热量为Q0，Q0可直接由上式求得。于是在x轴方向厚度为h、横截面为1cm的一条状介质中，单位时间产生的热量为：第8页，本讲稿共28页（J/s）另:单位时间内电极上1cm面积所逸出的热量为：（J/s）式中：散热系数，J/(scmC);电极表面温度，C；周围媒质温度，C；如图所示，在三个电压下(U1U2U3)有发热曲线1、2、3，4为散
6、热曲线。第9页，本讲稿共28页曲线1，Q1Q2，介质一定击穿；曲线2，与散热曲线4交于k点，它是不稳定的平衡点，ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。曲线3和曲线4有a、b两个交点，a为稳定的热平衡点，b为不稳定的热平衡点，ttb 时，介质发生击穿。第10页，本讲稿共28页可达到以下几点结论：热击穿电压会随着周围媒质温度t0的上升而下降，这时直线4会向右移动；热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质的击穿场强随h的增大而降低；如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升；f 或 增大时都会造成Q1增加，使曲线1、2、3向上移动。曲线2上
7、移表示临界击穿电压下降。第11页，本讲稿共28页(三三)电化学击穿电化学击穿 固体介质在长期工作电压作用下，由于介质固体介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿电化学击穿。局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：度下降的主要原因为：1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；产生活性气体对介质
8、氧化、腐蚀；2)温升使局部介质损耗增加；温升使局部介质损耗增加；3)切断分子结构，导致介质破坏。切断分子结构，导致介质破坏。第12页，本讲稿共28页 电化学击穿电压的大小与施加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。图323是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：第13页，本讲稿共28页曲线l、2下降较快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放电的性能差；曲线3接近水平，表示硅有机玻璃云母带的击穿场强随加电压时间的增加下降很少。可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。第14页，本讲稿共28页 在电化学击穿中，还有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材料的场合。当有机绝缘材料
9、中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝化放电劣化。第15页，本讲稿共28页在交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所造成的结果。第16页，本讲稿共28页二、影响固体介质击穿电压的主要因素二、影响固体介质击穿电压的主要因素(一一)电压作用时间电压作用时间 如果电压作用时间很短如果电压作用时间很短(例如例如0.1s以下以下)，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电，固体介质的击穿往往是电击
10、穿，击穿电压当然也较高。压当然也较高。第17页，本讲稿共28页 不过二者有时很难分清，例如在工频交流不过二者有时很难分清，例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。于电化学击穿的范畴。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。起击穿，则热击穿往往起主要作用。
11、第18页，本讲稿共28页 在图324中，以常用的油浸电工纸板为例，以lmin工频击穿电压(峰值)作为基准值，纵坐标以标么值来表示。电击穿与热击穿的分界点时间约在105106us之间，作用时间大于此值后，热过程和电化学作用使得击穿电压明显下降。第19页，本讲稿共28页 不过不过lmin击穿电压与更长时间击穿电压与更长时间(图中达数百小时图中达数百小时)的击的击穿电压相差已不太大，所以通常可将穿电压相差已不太大，所以通常可将lmin工频试验电工频试验电压作为基础来估计固体介质在工频电压作用下长期工压作为基础来估计固体介质在工频电压作用下长期工作时的热击穿电压。作时的热击穿电压。许多有机绝缘材料的短
12、时间电气强度很高，但它许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低，这一点必须予以重视。度很低，这一点必须予以重视。在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中结构中(例如旋转电机例如旋转电机)，就必须采用云母等耐局部放，就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料。电性能好的无机绝缘材料。第20页，本讲稿共28页(二二)电场均匀程度电场均匀程度处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成
13、往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。小了。第21页，本讲稿共28页 如果经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。第22页，本讲稿共28页
14、(三)温度 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不同的。第23页，本讲稿共28页(四四)受潮受潮受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，对不易吸潮的材料，如聚乙烯
15、、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。第24页，本讲稿共28页(五五)累积效应累积效应 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不固体介质在不均匀
16、电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。第25页，本讲稿共28页 在幅值不高的内部过电压下以及幅值虽高、但作用时间很短的雷电过电压下，由于加电压时间短，可能来不及形成贯穿性的击穿通道，但可能在介质内部引起强烈的局部放电，从而引起局部损伤。第26页，本讲稿共28页 主要以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着施加冲击或工频试验电压次数的增多，很可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此，对这些电气设备进行耐压试验，加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保证一定的绝缘裕度。第27页，本讲稿共28页（本节完）小 结在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿、热击穿和电化学击穿；实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于介质本身的特性、绝缘结构形式和电场均匀性。第28页，本讲稿共28页