1、1工程电介质物理学工程电介质物理学电介质的击穿（电介质的击穿（5）Breakdown of Dielectrics李建英李建英2012年年4月月5月月 电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment上节课小结上节课小结固体固体介质介质的击的击穿穿热击穿：非本征热击穿：非本征电击穿：本征电击穿：本征 不均匀介质的击穿不均匀介
2、质的击穿瓦格纳热击穿：低阻通道瓦格纳热击穿：低阻通道均匀固体热击穿均匀固体热击穿脉冲热击穿脉冲热击穿稳态热击穿：稳态热击穿：T、f、d的影响的影响本征电击穿本征电击穿雪崩电击穿雪崩电击穿单电子近似理论单电子近似理论集合电子近似理论集合电子近似理论低能判据低能判据高能判据高能判据场致发射击穿场致发射击穿碰撞电离雪崩击穿：碰撞电离雪崩击穿：4040代理论代理论3电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment四四.不均匀电介质的击穿不均匀电介质的击穿 宏观不均匀电介质或复合电介质：宏观不
3、均匀电介质或复合电介质：气体气体液体、液体液体、液体固体、气体固体、气体固体、固体固体、固体固体的不同组合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也不能看作是单一均匀电介质 1.复合电介质的击穿复合电介质的击穿双层复合电介质的击穿双层复合电介质的击穿4电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment稳态：稳态：12UUEddd21211221122111ddEEEE
4、Cdddd 11221221122122ddEEEECdddd if1212EEE1212EEE如果第一层如果第一层11bEE（引起第一层击穿引起第一层击穿），全部电压），全部电压加到第二层上，第二层也就加到第二层上，第二层也就随之击穿随之击穿。5电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment例：例：d1d20.5mm；11012S/m，21011S/m；E1bE2b100MV/m，U55kV 计算：计算：125555/0.50.5UkVEMV mddmm1211121212111
5、22110101210/0.5(1010)1.1dCS mdd 12111225510100/1.110bEMV mE22110/100/UEMV mMV md第二层也击穿第二层也击穿 第一层击穿第一层击穿 If：121255100EEMV/mMV/m都不会击穿都不会击穿 6电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentQ：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？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：11EEC1122CEEE22EEC11
6、22bbCEEE1122bbbUE dE d此时此时复合介质击穿电压最大值复合介质击穿电压最大值 If：交变电压：交变电压 22212221212121221111()()1tgdc EEd tgd tgddtg21122221212121221221()()1tgdc EEd tgd tgddtg双层介质共有最大击穿电压的条件为双层介质共有最大击穿电压的条件为 1tg1122bbEE2222121111tgEtgEbb7电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentIf：脉冲电压
7、：脉冲电压电压作用时间很短，按电容分配电压作用时间很短，按电容分配 121122211221EUEUdddd，双层介质共有最大击穿电压的条件双层介质共有最大击穿电压的条件 1122bbEE例：例：纸质电容器（未浸油时）纸质电容器（未浸油时）空气中空气中 121221dEEdd空气层的体积比空气层的体积比 1d1/d 纤维层体积比纤维层体积比 221/1dd 8电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment求解：21212111112211221221ddddUE dEEEdd 22
8、2212mmm纸的密度纸的密度2 纤维的密度纤维的密度 m1、m2 空气、纤维的质量空气、纤维的质量（m1脉冲脉冲 交流（交流（AC）11bE11rbE11by E22bE22rbE22by Ey y是导纳率是导纳率0ryi,事实上是+g122211221tg1tgrbrbEE2.选用适当的媒质选用适当的媒质 1212rbrbEE为了消除边缘效应，必须从为了消除边缘效应，必须从两方面考虑两方面考虑，即选用，即选用高击穿强度的媒质高击穿强度的媒质和在和在不同形式的电压作用下，所选媒质的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介电常数或电导率或两者均比固体电介质为大电介质为大
9、。但采用高电导液体媒质有其缺点，因为高电导液体在外施。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。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。13电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（二）局部放电（二）局部放电定义：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
10、，这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。就是局部放电现象。危害：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。（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局部放电劣化损伤机理 电的作用电的作用带电粒子对电介质表面的直接轰击作用，使有机电介质带电粒子对电介质表面的
11、直接轰击作用，使有机电介质 的分子主链断裂的分子主链断裂热的作用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 热溶解或热降解热溶解或热降解 化学作用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、热作用的危害更大受到的侵蚀可能比电、热作用的危害更大 14电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment局部放电是强场效应，在电介质介电现象和电气绝缘领
12、域具有重要意义。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。1.机理机理固体电介质中气隙放电的等效电路及放电过程固体电介质中气隙放电的等效电路及放电过程固体电介质中气隙放电及其等效电路固体电介质中气隙放电及其等效电路Cg为空气隙的电容；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CaCgCb。电极间的全部电容电极间的全部电容:gbaabgbC CCCCCCC如果如果 gguU气隙放电电压则气隙放电则气隙放电 rU表示气隙放电剩余电压表示气隙放电剩余电压 15电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laborator
13、y of Electrical Insulation and Power Equipment气隙放电时气隙上的电压变化气隙放电时气隙上的电压变化放电特征：放电特征：空气隙放电电压具有间歇性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放电集中在外放电压上升和下降最陡的区域 电介质的局部放电起始电压电介质的局部放电起始电压Ui气隙气隙放电时外加在电极间的电压。放电时外加在电极间的电压。局部放电起始电压局部放电起始电压Ui，与气隙放电电压，与气隙放电电压Ug的关系：的关系：0grsCt 0brsCdt gbgbrCUdtUCtbgrdtUUt111ibggrdUUUUt电介质厚度
14、气隙厚度16电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment2.常用的描述参数常用的描述参数局部放电量、放电能量和放电次数局部放电量、放电能量和放电次数经经Cg放电的全部电容的放电电荷量放电的全部电容的放电电荷量 gababCC CCCabrggrabC CQCUUCCrgbgrQCCUU真实放电量因因Cg、Cb、Ca等还没有办法实测，等还没有办法实测，故故Qr亦无法求得亦无法求得 17电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical
15、 Insulation and Power Equipment由于气隙放电使气隙由于气隙放电使气隙Cg上电压下降上电压下降 grUUUU必引起必引起Cb上的上的电压增加电压增加 U随着随着Cb上电压的增加，需要补充的电荷增量为上电压的增加，需要补充的电荷增量为bbgrQCUCUUrgbgrQCCUU视在电荷量视在电荷量 brbgCQQCC将视在电荷量作为局部放电量，将视在电荷量作为局部放电量，Qr无法实测。无法实测。CbCg 12rgrQ UU局放消耗能量0rU 12iQUbgbigCCCUU18电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical
16、 Insulation and Power Equipment单位时间内的局部放电次数可以单位时间内的局部放电次数可以用图解法用图解法求得。求得。Ug、Ur分别为气隙放电分别为气隙放电电压、放电熄灭后的剩余电压。假定电压、放电熄灭后的剩余电压。假定Ug、Ur与与电压极性无关，为恒定值。电压极性无关，为恒定值。气隙电压气隙电压 外施电压外施电压 bgSSbgCUUU KCCSgUUKbrRRbgCUUU KCCRrUUK 2RSRUUabnUU-RSRUUaUU-上升部分：上升部分：下降部分：下降部分：条件为：条件为：SRSRaUUbUU-，-RSRRUUbUUaUUnRSRUUbUU）（19电
17、力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment若发生放电相位的移动，若发生放电相位的移动，a，b均将变化，则在较长时间内取得的平均值可表均将变化，则在较长时间内取得的平均值可表示为示为21RSRUUnUU-略去略去UR 21SUnU每秒内的平均放电次数每秒内的平均放电次数N为为2Nfn每秒内的平均放电能量每秒内的平均放电能量211221222iisUWNf nfQUfQ UUUbSgiibgCUUKUKUCCbbgKCCC实际电气设备的绝缘中往往有多个大小不等的气隙，每个气隙具有不同
18、的实际电气设备的绝缘中往往有多个大小不等的气隙，每个气隙具有不同的US值，每半周的放电次数是值，每半周的放电次数是 21SUnU根据根据Q、N、W等量来判断电气设备绝缘局部放电的严重程度等量来判断电气设备绝缘局部放电的严重程度 20电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment（三）聚合物电介质的树枝化击穿（三）聚合物电介质的树枝化击穿聚合物电介质在聚合物电介质在长时间强电场长时间强电场作用下发生作用下发生的一种的一种老化破坏形式老化破坏形式，在介质中形成具有，在介质中形成具有气化
19、了的俨如树枝状的痕迹，树枝是充满气化了的俨如树枝状的痕迹，树枝是充满气体的直径为微米以下的细微气体的直径为微米以下的细微“管子管子”组成组成的通道。的通道。定义：定义：电极尖端有、无气隙时的电树枝电树枝：由于介质中间歇性局部放电而产生和缓慢地扩展，在脉冲电压电树枝：由于介质中间歇性局部放电而产生和缓慢地扩展，在脉冲电压 作用下迅速发展，或者是介质中局部电场集中而产生作用下迅速发展，或者是介质中局部电场集中而产生水树枝：水分作用下，低压运行的水树枝：水分作用下，低压运行的200-700V的低压电缆中产生的低压电缆中产生 电化学树枝：因环境污染或绝缘中存在杂质而引起电化学树枝：因环境污染或绝缘中存
20、在杂质而引起 树枝化的位置是树枝化的位置是随机随机的的 产生出来的是电树枝、水树枝或电化学树枝，产生出来的是电树枝、水树枝或电化学树枝，有赖于环境和电场强度有赖于环境和电场强度21电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment树枝化的危害：树枝化的危害：树枝化后，在其界面上可以发生或不发生完全击穿，但是树枝化击穿是一树枝化后，在其界面上可以发生或不发生完全击穿，但是树枝化击穿是一个个很重要的击穿因素。很重要的击穿因素。如美国西海岸敷设的161根聚乙烯电缆，运行了111年以后，检查已
21、损坏和未损坏的电缆截面发现，树枝化现象相当普遍，运行5年以上者，几乎有一半产生了树枝化。树枝化是聚合物介质击穿的先导，但击穿并不因树枝化而接踵而来。树枝化是聚合物介质击穿的先导，但击穿并不因树枝化而接踵而来。树枝化的研究方法树枝化的研究方法：针针-针电极系统针电极系统针针-板电极系统板电极系统模拟实际绝缘中局部电场集中的情形模拟实际绝缘中局部电场集中的情形 树枝与加压时间的关系 t1树枝引发期 t2树枝发展期 22电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment影响树枝引发的主要因素
22、：影响树枝引发的主要因素：尖端处（附近）有无气体存在尖端处（附近）有无气体存在 高场强，高场强，/2B EjAE ejE介质气化介质气化 机械应力反复作用机械应力反复作用疲劳损坏疲劳损坏裂纹裂纹树枝的始发树枝的始发 树枝的发展：树枝的发展：树枝管中树枝管中气压上升气压上升放电停止放电停止 别处再发展别处再发展 BRANCHED TREESBUSH TREE23电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment电树的生长过程电树的生长过程LENGTHTIME引发阶段引发阶段缓慢生长阶段加
23、速生长阶段加速生长阶段24电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment五五.聚合物电介质的电聚合物电介质的电机械击穿机械击穿弹性模量小，容易发生机械变形弹性模量小，容易发生机械变形的聚合物固体中可能出现的一种击穿机制。的聚合物固体中可能出现的一种击穿机制。静电引力作用静电引力作用变形变形d0d静电引力更大静电引力更大静电引力作用静电引力作用如此循环，电介质同时丧失如此循环，电介质同时丧失 00022E00022E平板电介质挤压变形示意图真空中的电场强度为真空中的电场强度为00EE
24、E正极板受到的力正极板受到的力 22000122fEE负极板受到的力负极板受到的力 22000122fEE显然，显然，ff，并称之为，并称之为麦克斯韦应力麦克斯韦应力 25电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment如果有介质在其中如果有介质在其中 2012rfE 以以PE为例，为例，E107V/m，r2.2，可得，可得f 9.7102N/m200 49d d.若若E108V/m，则，则可达可达49。盖同（盖同（Garton）于）于1955年提出了热塑性高聚合材料（玻化温度以上）
25、年提出了热塑性高聚合材料（玻化温度以上）存在有电机械击穿的观点。存在有电机械击穿的观点。00lndddd有效应变平衡时平衡时 2001ln2rYdEEd 电介质弹性模量考虑到变形后考虑到变形后EU/d20021ln2rYdUEdd 2200ln2YrdEUdd 令令20Ud02ln1dd22maxUU1 200 6bYbrUEE.d 提高提高EY可以提高可以提高Eb，可以通过辐照来提高，可以通过辐照来提高EY。6.00dd26电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment小结小结局
26、部放电局部放电 不均匀介质的击穿不均匀介质的击穿复合电介质的击穿：恒定场、交变场、脉冲场复合电介质的击穿：恒定场、交变场、脉冲场边缘效应边缘效应定义定义消除方法消除方法等效电路及过程等效电路及过程树枝化击穿：水树、电树、电化学树树枝化击穿：水树、电树、电化学树聚合物的电聚合物的电-机械击穿机械击穿局部放电量、放电能量、放电次数局部放电量、放电能量、放电次数1 200 6bYbrUEE.d 2NfniUUfQW212bbgrQCUCUU27电力设备电气绝缘国家重点实验室State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment
