87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]@ncepubj.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8079865680798656，，[e-mail]@ncepubj.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„„电介质击穿过程的空间电荷效应电介质击穿过程的空间电荷效应„„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（％）„„电击穿理论建立在固体电介质中发生电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电碰撞电离基础上离基础上，固体电介质中存在少量传导电，固体电介质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子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿撞，从而击穿„„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,T,T00)=B()=B(αα,T,T00))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，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，获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称之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，反复碰撞形成电子到加速，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，导致介质结构崩，电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破坏，称之为电子崩击穿理论时间影响：时间影响：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：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导致介质击穿电压降低畸变，导致介质击穿电压降低电场均匀度：电场均匀度：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：在在极不均匀电场及冲击电压作用极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降而下降无关因素：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：由于由于介质损耗介质损耗的存在，固体电介质在的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。如果同一时间内发热超过散热如果同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断，则介质温度会不断上升，以致引起上升，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，这一过程称电介质的热击穿过程过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电压：电压：UU11＞＞UU22＞＞UU33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：：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度表示固体介质中最高温度大于周围环境温度tt00时，散出的热量时，散出的热量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，，最终发生热击穿最终发生热击穿t=t=ttbb时：时：发热等于散热，发热等于散热，但因扰动使但因扰动使tt大于大于ttbb，则介，则介质温度上升，回不到质温度上升，回不到ttbb，，直至热击穿。称直至热击穿。称ttbb为不稳为不稳定热平衡点定热平衡点tt00≤≤ttttbb时：时：通过周围介质通过周围介质的散热调节，介质温度将的散热调节，介质温度将逐渐稳定在逐渐稳定在ttaa，称，称ttaa为稳定为稳定热平衡点热平衡点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为临界热击穿温为临界热击穿温度度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：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、在电场的长时间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„„电介质击穿过程的空间电荷效应电介质击穿过程的空间电荷效应„„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，在介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，在交变场下气隙或气泡的场强比邻近固体介质内的场强大交变场下气隙或气泡的场强比邻近固体介质内的场强大得多，而气体的起始电离场强比固体介质低得多，所以得多，而气体的起始电离场强比固体介质低得多，所以在该在该气隙或气泡内容易发生电离气隙或气泡内容易发生电离。气隙或气泡的电离，。气隙或气泡的电离，造成造成邻近绝缘物的分解、破坏邻近绝缘物的分解、破坏((表现为变酥、炭化等形表现为变酥、炭化等形式式))，并，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作缘材料中会呈树枝状发展，称作““电树枝电树枝””¾