高电压技术第8讲 固体电介质的击穿特性

高电压技术高电压技术屠幼萍屠幼萍[phone]+80795842，，[e-mail]@ncepu.edu.cn第第88讲讲固体电介质的击穿固体电介质的击穿屠屠幼幼萍萍++高电压与电磁兼容研究所高电压与电磁兼容研究所8079584280795842，，[e-mail]@ncepu.edu.cn主要内容主要内容„„固体电介质的击穿过程固体电介质的击穿过程„„有机绝缘材料的电树老化有机绝缘材料的电树老化„„影响固体电介质击穿电压的主要因素影响固体电介质击穿电压的主要因素„„电介质的其它性能电介质的其它性能„„气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高最高空气的耐电强度一般在空气的耐电强度一般在3~4kV/mm3~4kV/mm左右左右液体的耐电强度在液体的耐电强度在10~20kV/mm10~20kV/mm固体的耐电强度在十几至固体的耐电强度在十几至几百几百kV/mmkV/mm„„固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘恢复的绝缘„„普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性介质的不均匀性概述概述¾¾固体电介质击穿特性的划分固体电介质击穿特性的划分¾¾电击穿电击穿¾¾热击穿热击穿¾¾电化学击穿电化学击穿（电老化）（电老化）一、固体电介质的击穿过程一、固体电介质的击穿过程一、固体电介质的击穿过程一、固体电介质的击穿过程¾¾固体电介质击穿特性的固体电介质击穿特性的划分划分区域区域AA：击穿时间小于：击穿时间小于1010μμss的区域，击穿电压的区域，击穿电压随击穿时间的缩短而提随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击高。类似于气体介质击穿的伏秒特性穿的伏秒特性区域区域BB：击穿时间在：击穿时间在1010∼∼0.20.2μμss范围的区域，范围的区域，击穿电压恒定击穿电压恒定击穿都具有电击穿的性击穿都具有电击穿的性质质区域B区域A区域Cμssmin278hΦ5015.3Φ10010-11101102103104105106107108109101010111012时间（μs）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％）电工纸板的击穿电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系区域区域CC：：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击具有热击穿的特点穿的特点区域区域DD：：CC区以外，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年，区以外，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年，介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化AA、、BB区：区：电击穿电击穿CC区：区：热击穿热击穿DD区：区：电化学击穿电化学击穿电老化击穿电老化击穿区域B区域A区域Cμssmin278hΦ5015.3Φ10010-11101102103104105106107108109101010111012时间（μs）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％）„„固体电介质中发生固体电介质中发生碰撞电离碰撞电离----------固体电介质固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞结点上的原子碰撞„„电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电离的电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电离的理论理论固有击穿理论固有击穿理论电子崩击穿理论电子崩击穿理论¾¾电击穿电击穿A(E,A(E,αα,,TT00)=B()=B(αα,,TT00))A(A(EE,,αα,,TT00))：电场作用下单位时间内电子获得的能量：电场作用下单位时间内电子获得的能量B(B(αα,,TT00))：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量EE：电场，：电场，aa：标志电子的状态因子，：标志电子的状态因子，TT00：晶格温度：晶格温度固有击穿理论：固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成立，获在某一场强值内，上述关系式成立，获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引起破坏，称之得和失去的能量平衡，超过则不成立，引起破坏，称之为固有击穿理论为固有击穿理论电子崩击穿理论：电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得到当上述平衡破坏后，电子整体上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩，电加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构破坏，称场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论之为电子崩击穿理论作用时间作用时间电压作用时间短，击穿电压高电压作用时间短，击穿电压高介质特性介质特性介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导变，导致介质击穿电压降低致介质击穿电压降低电场均匀：电场均匀：电场的均匀程度影响极大电场的均匀程度影响极大累积效应累积效应在在极不均匀电场中、冲击电压作用极不均匀电场中、冲击电压作用下，介质有明下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为降，称为累积效应累积效应。。介质击穿电压会随冲击电介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降压施加次数的增多而下降无关因素：无关因素：击穿电压和击穿电压和介质温度介质温度、、散热条件散热条件、、介质厚度介质厚度、、频率频率等因素都无关等因素都无关„„电击穿的特点电击穿的特点AA范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质BB范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程AB50403020100020406080100120140160θcrθ(℃)Ub（kV）（有效值）交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系¾¾热击穿热击穿热击穿的概念：热击穿的概念：电介质不断发热升温过程：电介质不断发热升温过程：介质损耗介质损耗----------介质逐渐发介质逐渐发热升温热升温----------介质电阻的下降，使电流进一步增大介质电阻的下降，使电流进一步增大----------损耗发热也随之增大损耗发热也随之增大电介质向外不断散热的过程：电介质向外不断散热的过程：通过电极及其它介质通过电极及其它介质向外散热向外散热同一时间内发热超过散热同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上，则介质温度会不断上升，以致引起升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿电介质分解炭化，最终击穿，这一过，这一过程称电介质的热击穿过程程称电介质的热击穿过程热击穿的理论分析热击穿的理论分析曲线曲线1,2,31,2,3：：电介质发出热量电介质发出热量QQ与介质中最高温度与介质中最高温度ttmm的关系的关系直线直线44：：介质中最高温度大于周围环境温度介质中最高温度大于周围环境温度tt00时，散出的热时，散出的热量量QQ与介质中最高温度与介质中最高温度ttmm的关系的关系θbtmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系电压：电压：UU11＞＞UU22＞＞UU33曲线曲线11：：发热永远大于散热发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压，介质温度将不断升高，在电压UU11下最终必定下最终必定发生热击穿发生热击穿θbtmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系ttttbb时：时：情况类似曲线情况类似曲线11，最，最终发生热击穿终发生热击穿t=t=ttbb时：时：发热等于散热，但因发热等于散热，但因扰动使扰动使tt大于大于ttbb，则介质温度，则介质温度上升，回不到上升，回不到ttbb，直至热击穿。，直至热击穿。称称ttbb为不稳定热平衡点为不稳定热平衡点tt00≤≤ttttbb时：时：通过周围介质的散通过周围介质的散热调节，介质温度将逐渐稳热调节，介质温度将逐渐稳定在定在ttaa，称，称ttaa为稳定热平衡点为稳定热平衡点tmt0tatktb01234不同外施电压下介质发热散热与不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系介质温度的关系曲线曲线33：：两个热平衡点两个热平衡点曲线曲线22：与直线：与直线44相切相切UU22为临界热击穿电压；为临界热击穿电压；ttkk为临界热击穿温度为临界热击穿温度θbtmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系热击穿电压热击穿电压UUbb与各种发、散热因素的关系与各种发、散热因素的关系UUbb=0.342=0.342××当发热因素当发热因素ff，，εεrr，，tt00，，tgtgδδ00上升或增加时，上升或增加时，UUbb将下降将下降当散热因素当散热因素σσ，，λλ上升时，热击穿电压上升时，热击穿电压UUbb将上升将上升在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不一定能起到在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不一定能起到提高电介质击穿电压的作用，因而是不经济的提高电介质击穿电压的作用，因而是不经济的)2+(tg)(000λσδεεσλhftthrk−σ：散热系数λ：导热系数概念：概念：在电场的在电场的长时间长时间作用下逐渐使介质的物理、作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化称电老化电老化的类型：电老化的类型：电离性老化电离性老化、、电导性老化电导性老化和和电解性电解性老化老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生直流电压下产生¾¾电化学击穿电化学击穿（电老化）（电老化）一、固体电介质的击穿过程一、固体电介质的击穿过程主要内容主要内容„„固体电介质的击穿过程固体电介质的击穿过程„„有机绝缘材料的电树老化有机绝缘材料的电树老化„„影响固体电介质击穿电压的主要因素影响固体电介质击穿电压的主要因素„„电介质的其它性能电介质的其它性能二、有机绝缘材料的树老化二、有机绝缘材料的树老化¾¾树老化类型树老化类型电树老化和水树老化电树老化和水树老化¾¾树老化的原因树老化的原因电离性老化：电离性老化：介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，发介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，发生电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏，表现为生电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏，表现为变酥、变酥、炭化炭化等形式，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在等形式，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作““电树枝电树枝””¾¾树老化的原因树老化的原因电导性老化：电导性老化：介质中存在液态导电物质（例如水），介质中存在液态导电物质（例如水），当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作““水树水树枝枝””二、有机绝缘材料的树老化二、有机绝缘材料的树老化Tree-like树枝状Bush-like灌木丛状chestnut-like栗子状树枝老化的一般形状树枝老化的一般形状电介质中的树枝老化电介质中的树枝老化主要内容主要内容„„固体电介质的击穿过程固体电介