《电介质物理》课件电介质的击穿-5

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：
Cg
0r
s t
Cb
0 r
d
s t
Ub Cg d t
U g Cb rt
Ug Ur
U
U
a)
ug
0
t
U
b)
0
t
气隙放电时气隙上的电压变化
电介质厚度
Ub
Ug
d t
rt
Ui
Ub
Ug
Ug
C2
图 5－33 双层复合电介质及其等效电路
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稳态：
E U U d1 d2 d
E1
2d 1d2 2d1
E
1 2d 1d2 2d1
50
40
Eb(M/Vm) Eb(M/Vm)
40
12 30
30
2 20
1
20 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3
ρ(×103kg/m3) (d＝10-5m) a）
10 5 10 15 20
d(×10-6m) (ρ＝103kg/m3)
b）
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
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：
E1
C
E 1
CE 1E1 2E2
此时
E2
C
E 2
CE 1E1b 2E2b
Ub E1bd1 E2bd2 ——复合介质击穿电压最大值
If：交变电压
E1
2 1 tg 22 d
(1d2tg1 2d1tg2 )2 (1d2 2d1)2 1
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（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。
E
1
C
E
1
E2
1d 1d2 2d1
E
1 2d 1d2 2d1
E
2
C E
2
if 1 2
E1 E2 E
1 2
E1 E E2
如果第一层 E1 E1（b 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。
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Ug Ub
Cg U g Ur
Ca Cb
由于气隙放电使气隙Cg上电压下降 U U Ug Ur
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 Q CbU Cb Ug Ur
上节课小结
瓦格纳热击穿：低阻通道
固体 介质 的击 穿
热击穿：非本征
均匀固体热击穿
脉冲热击穿
稳态热击穿：T、f、d的影响
低能判据
单电子近似理论
本征电击穿
高能判据
电击穿：本征
集合电子近似理论 场致发射击穿
雪崩电击穿 碰撞电离雪崩击穿：40代理论
不均匀介质的击穿
2来自百度文库
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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
d d2 d1
U
ε1γ1 ε2γ2
RR22
C1
RR11
例：d1＝d2＝0.5mm；1＝10－12S/m， 2＝10－11S/m；
E1b＝E2b＝100MV/m，U＝55kV
计算：
E U 55kV 55MV / m d1 d2 0.5 0.5mm
C
1 2d 1d2 2d1
1012 1011 1 0.5(1012 1011)
2 1012 S 1.1
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《工程电介质物理学》
电介质的击穿（5） Breakdown of Dielectrics
李建英
2012年4月~5月
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➢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。
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/m
E1
2 1.1
1012
55 1012
100MV
/m
E1b
第一层击穿
E2
U d2
110MV
/m
100MV
/m
第二层也击穿
If： 1 2
E1 E2 55MV / m 100MV / m 都不会击穿
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求解：
U1
E1d1
2 dd1 1d2 2d1
E
21d 12 21
E
21d 2 21
E
2
2
m2
m2 m1
2
ρ—纸的密度 ρ2 —纤维的密度 m1、m2 —空气、纤维的质量 （m1<<m2）
1.机理——固体电介质中气隙放电的等效电路及放电过程
Cg Cb
固体电介质中气隙放电及其等效电路
Ua
Cg为空气隙的电容；
Ca
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Ca>>Cg>>Cb。
电极间的全部电容:
C
Ca
CgCb Cg Cb
Ca
Cb
➢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
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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。
If：脉冲电压
电压作用时间很短，按电容分配
E1
2 1d2 2d1
U，E2
1 1d2 2d1
U
双层介质共有最大击穿电压的条件
E1b1 E2b 2
例：纸质电容器（未浸油时）
d d1 d2
ε 2
ε1＝1
图 5－34 未经浸的纸质 电容器复合介质
纤维 空气
空气中
E1
2d 1 d2 2d1
E
空气层的体积比 θ1＝d1/d 纤维层体积比 2 d2 / d 11
2.边缘效应及其消除方法：
现象：
电极
媒质（气体、液体）
➢ 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 U B d EB
试样（固体） 电极
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：
➢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。
如果 ug Ug 气隙放电电压
则气隙放电
U r表示气隙放电剩余电压
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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
1
1
r
d t
1
气隙厚度
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2.常用的描述参数——局部放电量、放电能量和放电次数
R
电源内阻（阻抗）较大
Ug Ub
Cg U g Ur
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2.选用适当的媒质
➢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
直流（DC） 1E1b
>
脉冲
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：
Ed
Ei
i
n 1
dk rk
交变电场：
Ei＝
i
Ed n dk
1 k
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E r1 1b
>
交流（AC） y1E1b
>
固体
2 E2b E r2 2b
y2 E2b
y i0r
y是导纳率, 事实上是 +g
r1 1 tg21 E1b r2 1 tg22 E2b
E r1 1b r2 E2b
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。
Ca Cb
Ug
Ca
Cg
AC
U U g Ur
Cb
经Cg放电的全部电容的放电电荷量
Qr
Cg
CaCb Ca Cb
Ug
Ur
Qr Cg Cb Ug Ur
真实放电量
Cg CaCb Ca Cb
因Cg、Cb、Ca等还没有办法实测， 故Qr亦无法求得
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c'E 1 tg 21
E2
1 1 tg 21d
c'E
(1d2tg1 2d1tg2 )2 (1d2 2d1)2 2 1 tg 22
双层介质共有最大击穿电压的条件为
tg 1
E1b1 1 tg21 E2b2 1 tg22
E1b1 E2b 2
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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
Eb
U1b d
1
2
2
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/m3
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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：
1.改变电极系统
φ
d t
把试样制作为凹球面或凹面状
td 5
击穿往往发生在足够均匀电场的最小厚度处
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。
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