電介質(zhì)物理》電介質(zhì)的擊穿(1)ppt課件

1、電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)的擊穿5Breakdown of Dielectrics李建英李建英2021年年4月月5月月 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment上節(jié)課小結(jié)上節(jié)課小結(jié)固體固體介質(zhì)介質(zhì)的擊的擊穿穿熱擊穿：非本征熱擊穿：非本征電擊穿：本征電擊穿：本征 不均勻介質(zhì)的擊穿不均勻介質(zhì)的擊穿瓦格納熱擊穿：低阻通道瓦格納熱擊穿

2、：低阻通道均勻固體熱擊穿均勻固體熱擊穿脈沖熱擊穿脈沖熱擊穿穩(wěn)態(tài)熱擊穿：穩(wěn)態(tài)熱擊穿：T T、f f、d d的影響的影響本征電擊穿本征電擊穿雪崩電擊穿雪崩電擊穿單電子近似實際單電子近似實際集合電子近似實際集合電子近似實際低能判據(jù)低能判據(jù)高能判據(jù)高能判據(jù)場致發(fā)射擊穿場致發(fā)射擊穿碰撞電離雪崩擊穿：碰撞電離雪崩擊穿：4040代實際代實際電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment四四.不均勻電介質(zhì)的擊穿不均勻電介質(zhì)的擊穿 宏觀不均勻電介質(zhì)或復(fù)合電介質(zhì)：宏觀不均勻電介質(zhì)或復(fù)合電介質(zhì)： 氣體氣

3、體液體、液體液體、液體固體、氣體固體、氣體固體、固體固體、固體固體的不同組合固體的不同組合即使為單一電介質(zhì)的絕緣構(gòu)造，資料的不均勻性、雜質(zhì)氣隙等的存在即使為單一電介質(zhì)的絕緣構(gòu)造，資料的不均勻性、雜質(zhì)氣隙等的存在也不能看作是單一均勻電介質(zhì)也不能看作是單一均勻電介質(zhì) 1.復(fù)合電介質(zhì)的擊穿復(fù)合電介質(zhì)的擊穿雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿雙層復(fù)合電介質(zhì)的擊穿電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)： 12UUEddd21211221122111ddEEEECdddd 112212211

4、22122ddEEEECdddd if1212EEE1212EEE假設(shè)第一層假設(shè)第一層11bEE引起第一層擊穿，全部電壓引起第一層擊穿，全部電壓加到第二層上，第二層也就隨之擊穿。加到第二層上，第二層也就隨之擊穿。電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment例：例： d1d20.5mm；11012S/m， 21011S/m；E1bE2b100MV/m，U55kV 計算：計算： 125555/0.50.5UkVEMV mddmm121112121211122110101210/0.5

5、(1010)1.1dCS mdd 12111225510100/1.110bEMV mE22110/100/UEMV mMV md第二層也擊穿第二層也擊穿 第一層擊穿第一層擊穿 If： 121255100EEMV / mMV / m都不會擊穿都不會擊穿 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentQ：那么擊穿場強(qiáng)與電導(dǎo)率如何配合才干使復(fù)合介質(zhì)：那么擊穿場強(qiáng)與電導(dǎo)率如何配合才干使復(fù)合介質(zhì)的擊穿電壓最高？的擊穿電壓最高？A：11EEC1122CEEE22EEC1122bbCEEE11

6、22bbbUE dE d此時此時復(fù)合介質(zhì)擊穿電壓最大值復(fù)合介質(zhì)擊穿電壓最大值 If：交變電壓：交變電壓 22212221212121221111()()1tgdc EEd tgd tgddtg21122221212121221221()()1tgdc EEd tgd tgddtg雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件為雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件為 1tg1122bbEE2222121111tgEtgEbb電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentIf：脈沖電壓：脈沖電壓電壓作用時間

7、很短，按電容分配電壓作用時間很短，按電容分配 121122211221EUEUdddd，雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件雙層介質(zhì)共有最大擊穿電壓的條件 1122bbEE例：紙質(zhì)電容器未浸油時例：紙質(zhì)電容器未浸油時 空氣中空氣中 121221dEEdd空氣層的體積比空氣層的體積比 1d1/d 纖維層體積比纖維層體積比 221/1dd 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment求解：21212111112211221221ddddUE dEEEdd 222212mmm紙的密度紙的密度

8、2 纖維的密度纖維的密度 m1、m2 空氣、纖維的質(zhì)量空氣、纖維的質(zhì)量m1脈沖脈沖 交流交流AC 11bE11rbE11by E22bE22rbE22by Ey y是導(dǎo)納率是導(dǎo)納率0ryi ,事實上是 +g122211221tg1tgrbrbEE2.選用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)選用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì) 1212rbrbEE為了消除邊緣效應(yīng)，必需從兩方面思索，即選用高擊穿強(qiáng)度的媒質(zhì)和在為了消除邊緣效應(yīng)，必需從兩方面思索，即選用高擊穿強(qiáng)度的媒質(zhì)和在不同方式的電壓作用下，所選媒質(zhì)的介電常數(shù)或電導(dǎo)率或兩者均比固體不同方式的電壓作用下，所選媒質(zhì)的介電常數(shù)或電導(dǎo)率或兩者均比固體電介質(zhì)為大。但采用高電導(dǎo)液體媒質(zhì)有其缺陷，由于高電導(dǎo)

9、液體在外施電介質(zhì)為大。但采用高電導(dǎo)液體媒質(zhì)有其缺陷，由于高電導(dǎo)液體在外施電場作用下會劇烈發(fā)熱甚至沸騰，對固體電介質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。電場作用下會劇烈發(fā)熱甚至沸騰，對固體電介質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment二部分放電二部分放電定義：定義： 在含有氣體如氣隙或氣泡或液體如油膜的固體電介質(zhì)中，當(dāng)在含有氣體如氣隙或氣泡或液體如油膜的固體電介質(zhì)中，當(dāng)擊穿強(qiáng)度較低的氣體或液體中的部分電場強(qiáng)度到達(dá)其擊穿場強(qiáng)時，這擊穿強(qiáng)度較低的氣體或液體中的部分電場強(qiáng)度到達(dá)其擊穿場

10、強(qiáng)時，這部分氣體或液體開場放電，使電介質(zhì)發(fā)生不貫穿電極的部分擊穿，這部分氣體或液體開場放電，使電介質(zhì)發(fā)生不貫穿電極的部分擊穿，這就是部分放電景象。就是部分放電景象。 危害：危害： 這種放電雖然不立刻構(gòu)成貫穿性通道，但長期的部分放電，使電介質(zhì)這種放電雖然不立刻構(gòu)成貫穿性通道，但長期的部分放電，使電介質(zhì)特別是有機(jī)電介質(zhì)的劣化損傷逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致整個電介質(zhì)擊穿。特別是有機(jī)電介質(zhì)的劣化損傷逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致整個電介質(zhì)擊穿。部分放電劣化損傷機(jī)理部分放電劣化損傷機(jī)理 電的作用電的作用帶電粒子對電介質(zhì)外表的直接轟擊作用，使有機(jī)電介質(zhì)帶電粒子對電介質(zhì)外表的直接轟擊作用，使有機(jī)電介質(zhì) 的分子主鏈斷裂的分子主鏈斷裂熱的

11、作用熱的作用帶電粒子的轟擊作用引起電介質(zhì)部分的溫度上升，發(fā)生帶電粒子的轟擊作用引起電介質(zhì)部分的溫度上升，發(fā)生 熱溶解或熱降解熱溶解或熱降解 化學(xué)作用化學(xué)作用部分放電產(chǎn)生受激分子或二次生成物的作用，使電介質(zhì)部分放電產(chǎn)生受激分子或二次生成物的作用，使電介質(zhì) 遭到的侵蝕能夠比電、熱作用的危害更大遭到的侵蝕能夠比電、熱作用的危害更大 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment部分放電是強(qiáng)場效應(yīng)，在電介質(zhì)介電景象和電氣絕緣領(lǐng)域具有重要意義。部分放電是強(qiáng)場效應(yīng)，在電介質(zhì)介電景象和電氣絕緣領(lǐng)

12、域具有重要意義。 1.機(jī)理機(jī)理固體電介質(zhì)中氣隙放電的等效電路及放電過程固體電介質(zhì)中氣隙放電的等效電路及放電過程固體電介質(zhì)中氣隙放電及其等效電路固體電介質(zhì)中氣隙放電及其等效電路Cg為空氣隙的電容；Cb為與空氣隙串聯(lián)的電介質(zhì)的電容；Ca為除Cb、Cg以外其他電介質(zhì)的電容。通常氣隙尺寸很小，有CaCgCb。電極間的全部電容電極間的全部電容: gbaabgbC CCCCCCC假設(shè)假設(shè) gguU氣隙放電電壓那么氣隙放電那么氣隙放電 rU表示氣隙放電剩余電壓表示氣隙放電剩余電壓 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and

13、 Power Equipment氣隙放電時氣隙上的電壓變化氣隙放電時氣隙上的電壓變化放電特征：放電特征： 空氣隙放電電壓具有間歇性空氣隙放電電壓具有間歇性放電集中在外放電壓上升和下降最陡的區(qū)域放電集中在外放電壓上升和下降最陡的區(qū)域 電介質(zhì)的部分放電起始電壓電介質(zhì)的部分放電起始電壓Ui氣隙氣隙放電時外加在電極間的電壓。放電時外加在電極間的電壓。部分放電起始電壓部分放電起始電壓Ui，與氣隙放電電壓，與氣隙放電電壓Ug的關(guān)系：的關(guān)系：0grsCt 0brsCdt gbgbrCUdtUCtbgrdtUUt111ibggrdUUUUt電介質(zhì)厚度 氣隙厚度電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key

14、Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2.常用的描畫參數(shù)常用的描畫參數(shù)部分放電量、放電能量和放電次數(shù)部分放電量、放電能量和放電次數(shù)經(jīng)經(jīng)Cg放電的全部電容的放電電荷量放電的全部電容的放電電荷量 gababCC CCCabrggrabC CQCUUCCrgbgrQCCUU真實放電量因因Cg、Cb、Ca等還沒有方法實測，等還沒有方法實測，故故Qr亦無法求得亦無法求得 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment由于

15、氣隙放電使氣隙由于氣隙放電使氣隙Cg上電壓下降上電壓下降 grUUUU必引起必引起Cb上的電壓添加上的電壓添加 U隨著隨著Cb上電壓的添加，需求補(bǔ)充的電荷增量為上電壓的添加，需求補(bǔ)充的電荷增量為bbgrQCUCUUrgbgrQCCUU視在電荷量視在電荷量 brbgCQQCC將視在電荷量作為部分放電量，將視在電荷量作為部分放電量，Qr無法實測。無法實測。 CbCg 12rgrQ UU局放耗費(fèi)能量0rU 12iQUbgbigCCCUU電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment單位時

16、間內(nèi)的部分放電次數(shù)可以用圖解法求得。單位時間內(nèi)的部分放電次數(shù)可以用圖解法求得。Ug、Ur分別為氣隙放電分別為氣隙放電電壓、放電熄滅后的剩余電壓。假定電壓、放電熄滅后的剩余電壓。假定Ug、Ur與電壓極性無關(guān)，為恒定值。與電壓極性無關(guān)，為恒定值。 氣隙電壓氣隙電壓 外施電壓外施電壓 bgSSbgCUUU KCCSgUUKbrRRbgCUUU KCCRrUUK 2RSRUUabnUU-RSRUUaUU-上升部分：上升部分： 下降部分：下降部分： 條件為：條件為： SRSRaUUbUU-，- RSRRUUbUUaUUnRSRUUbUU）（電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laborat

17、ory of Electrical Insulation and Power Equipment假設(shè)發(fā)生放電相位的挪動，假設(shè)發(fā)生放電相位的挪動，a，b均將變化，那么在較長時間內(nèi)獲得的平均值均將變化，那么在較長時間內(nèi)獲得的平均值可表示為可表示為21RSRUUnUU-略去略去UR 21SUnU每秒內(nèi)的平均放電次數(shù)每秒內(nèi)的平均放電次數(shù)N為為2Nfn每秒內(nèi)的平均放電能量每秒內(nèi)的平均放電能量211221222iisUWNf nfQUfQ UUUbSgiibgCUUKUKUCCbbgKCCC實踐電氣設(shè)備的絕緣中往往有多個大小不等的氣隙，每個氣隙具有不同的實踐電氣設(shè)備的絕緣中往往有多個大小不等的氣隙，每個氣

18、隙具有不同的US值，每半周的放電次數(shù)是值，每半周的放電次數(shù)是 21SUnU根據(jù)根據(jù)Q、N、W等量來判別電氣設(shè)備絕緣部分放電的嚴(yán)重程度等量來判別電氣設(shè)備絕緣部分放電的嚴(yán)重程度 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment三聚合物電介質(zhì)的樹枝化擊穿三聚合物電介質(zhì)的樹枝化擊穿聚合物電介質(zhì)在長時間強(qiáng)電場作用下發(fā)生聚合物電介質(zhì)在長時間強(qiáng)電場作用下發(fā)生的一種老化破壞方式，在介質(zhì)中構(gòu)成具有的一種老化破壞方式，在介質(zhì)中構(gòu)成具有氣化了的儼如樹枝狀的痕跡，樹枝是充溢氣化了的儼如樹枝狀的痕跡，樹枝是充

19、溢氣體的直徑為微米以下的細(xì)微氣體的直徑為微米以下的細(xì)微“管子組成管子組成的通道。的通道。 定義：定義：電極尖端有、無氣隙時的電樹枝電樹枝：由于介質(zhì)中間歇性部分放電而產(chǎn)生和緩慢地擴(kuò)展，在脈沖電壓電樹枝：由于介質(zhì)中間歇性部分放電而產(chǎn)生和緩慢地擴(kuò)展，在脈沖電壓 作用下迅速開展，或者是介質(zhì)中部分電場集中而產(chǎn)生作用下迅速開展，或者是介質(zhì)中部分電場集中而產(chǎn)生水樹枝：水分作用下，低壓運(yùn)轉(zhuǎn)的水樹枝：水分作用下，低壓運(yùn)轉(zhuǎn)的200-700V的低壓電纜中產(chǎn)生的低壓電纜中產(chǎn)生 電化學(xué)樹枝：因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質(zhì)而引起電化學(xué)樹枝：因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質(zhì)而引起 樹枝化的位置是隨機(jī)的樹枝化的位置是隨機(jī)的 產(chǎn)生出來的

20、是電樹枝、水樹枝或電化學(xué)樹枝，有賴于環(huán)境和電場強(qiáng)度產(chǎn)生出來的是電樹枝、水樹枝或電化學(xué)樹枝，有賴于環(huán)境和電場強(qiáng)度電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment樹枝化的危害：樹枝化的危害：樹枝化后，在其界面上可以發(fā)生或不發(fā)生完全擊穿，但是樹枝化擊穿是一樹枝化后，在其界面上可以發(fā)生或不發(fā)生完全擊穿，但是樹枝化擊穿是一個很重要的擊穿要素。個很重要的擊穿要素。如美國西海岸敷設(shè)的161根聚乙烯電纜，運(yùn)轉(zhuǎn)了111年以后，檢查已損壞和未損壞的電纜截面發(fā)現(xiàn)，樹枝化景象相當(dāng)普遍，運(yùn)轉(zhuǎn)5年以上者，幾乎有

21、一半產(chǎn)生了樹枝化。 樹枝化是聚合物介質(zhì)擊穿的先導(dǎo)，但擊穿并不因樹枝化而接踵而來。樹枝化是聚合物介質(zhì)擊穿的先導(dǎo)，但擊穿并不因樹枝化而接踵而來。樹枝化的研討方法：樹枝化的研討方法：針針- -針電極系統(tǒng)針電極系統(tǒng)針針- -板電極系統(tǒng)板電極系統(tǒng)模擬實踐絕緣中部分電場集中的情形模擬實踐絕緣中部分電場集中的情形 樹枝與加壓時間的關(guān)系 t1樹枝引發(fā)期 t2樹枝開展期 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment影響樹枝引發(fā)的主要要素：影響樹枝引發(fā)的主要要素： 尖端處附近有無氣體存在尖端處附近有

22、無氣體存在 高場強(qiáng)，高場強(qiáng)， /2B EjAE ejE介質(zhì)氣化介質(zhì)氣化 機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用疲勞損壞疲勞損壞裂紋裂紋樹枝的始發(fā)樹枝的始發(fā) 樹枝的開展：樹枝的開展：樹枝管中樹枝管中氣壓上升氣壓上升放電停頓放電停頓 別處再開展別處再開展 BRANCHED TREESBUSH TREE電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment電樹的生長過程電樹的生長過程LENGTHTIME引發(fā)階段引發(fā)階段緩慢生長階段加速生長階段加速生長階段電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key

23、 Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment五五.聚合物電介質(zhì)的電聚合物電介質(zhì)的電機(jī)械擊穿機(jī)械擊穿彈性模量小，容易發(fā)活力械變形的聚合物固體中能夠出現(xiàn)的一種擊穿機(jī)制。彈性模量小，容易發(fā)活力械變形的聚合物固體中能夠出現(xiàn)的一種擊穿機(jī)制。靜電引力作用靜電引力作用變形變形d0d靜電引力更大靜電引力更大靜電引力作用靜電引力作用如此循環(huán)，電介質(zhì)同時喪失如此循環(huán)，電介質(zhì)同時喪失 00022E00022E平板電介質(zhì)擠壓變形表示圖真空中的電場強(qiáng)度為真空中的電場強(qiáng)度為00EEE正極板遭到的力正極板遭到的力 22000122fEE負(fù)極板遭到的力負(fù)極板遭到的力 22000122fEE顯然，顯然，ff，并稱之為麥克斯韋應(yīng)力，并稱之為麥克斯韋應(yīng)力 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室State Key Laboratory of