第三讲 液体、固体电介质的电气性能 (Continue)

1 2 3 4 b
a
tm ta tk tb 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的 关系
0 t0
14
¾ 热击穿与绝缘厚度的关系 9 一旦发生热击穿，采取加厚 绝缘的办法往往不能起到提 高电介质击穿电压的作用， 因而是不经济的
15
¾ 电化学击穿 （电老化） 9 概念：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，这过程称电老化击穿 9 电老化的类型（可归纳成四类） z 电离性老化：高分子在交流电压作用下产 生，气泡放电，电树枝老化 z 电导性老化：高分子在交流电压作用下产 生，液体沿电场定向深入，水树枝老化
27
¾异极性效应空间电荷的概念
9 电介质在外加电场的作用下，在金属电极与电介质 之间的界面上积聚了与施加在该电极上的电压极性 相反的电荷，其结果导致该界面场强的增大，称为 异极性效应空间电荷
E EC1 异极性效应 + 空间电荷 EC2
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
E Cathode
EC1 Cathode
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
2
4.6 固体电介质的击穿
4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 固体电介质的击穿过程 有机绝缘材料的树老化 影响固体电介质击穿电压的主要因素 电介质击穿过程中的空间电荷效应
3
¾ 三态电介质的耐电特性 9 普遍规律：任何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，也可指介质的 不均匀性 9 击穿特性： z 一般情况下，在气、固、液三种电介质 中，固体密度最大，耐电强度也最高 z 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
-6 1. E-06 10
225 ℃ 120 ℃ 30 ℃
J
1. E-08 -8
10
0
2000 4000 E 1/2 ( V /m )1/2
6000
30
4.7.3 空间电荷对击穿特性的影响
¾ Dc electric strength before and after dc prestressing in BaTiO3-based Ceramic. (Prestressing time 20 min)
10
¾ 热击穿（击穿电压与温度有关） z 在A范围内：电击穿，击穿电压和介质温度无关 z 在B范围内：热击穿，击穿电压随温度增加而下降
U b（kV）（有效值）
50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 A B
80 100 120 140 160
θcr
交变电压下电瓷的击穿电压与温 度的关系
16
z 电解性老化：离子性无机绝缘材料 在直流电压作用下产生, 电解老化 z 表面漏电起痕与电蚀损：有机介质 表面产生
17
¾表面漏电起痕与电蚀损
18
4.6.2 有机绝缘材料的树老化（电老化）
¾ 树老化类型：电树老化，水树老化 ¾ 树老化的原因 9 电离性老化：在介质夹层或介质内部气隙或气泡 的电离，会造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为 变酥、炭化等形式)，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“电树枝” 9 电导性老化：如果在两电极之间的绝缘层中存在 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深入到绝缘层中， 形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝”
区域C
μs
10 1
s
min
278h
10 -1 1
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12
时间（μs）
9 区域A： < 10µs，电击穿 9 区域B： 10 µs～0.2s， 电击穿 9 区域C： >0.2s，热击穿 9 区域D： 数十小时，电化 学（老化）击穿
19
¾树枝老化的一般形状
Tree-like 树枝状
Bush-like 灌木丛状
chestnut-like 栗子状
20
电介质中的树枝老化
21
HDPE薄膜中的树枝形成
50 μm
22
HDPE树枝的发展
50 μm
自然冷却 施加电压5 kV
(a) 1 min (b) 10 min
(c) 40 min
(d) 70 min
θ(℃)
11
9 热击穿的概念：由于介质损耗的存在， 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，则介质温度会不断上升， 以致引起电介质分解炭化，最终击穿， 这一过程称电介质的热击穿过程
25
绝缘体系的破坏总是从体 ¾ 空间电荷引起电场分布的畸变机理 系中的最弱缺陷开始发展 起来的，金属电极－电介 E E 质界面往往因结构的不均 EC1 EC1 匀性而成为绝缘体系的薄 + + 弱环节 ＋ ＋
Anode
＋ ＋ ＋ ＋
Cathode
＋
EC2
＋ ＋ ＋ ＋ ＋
EC2
Cathode
Anode
50 Dc electric strength (kV/mm)
40
30
30 ℃ 120 ℃
20 0 10 20 Prestressing field (kV/mm) 30
31
4.7.4 空间电荷的测量
¾ 测量空间电荷的意义 9 固体介质内部空间电荷分布的 定量测量和分析是研究电介质 特性的先进手段
29
4.7.2 空间电荷对电导特性的影响
¾ Curves on lg(J ) vs. E 1/2 plot at different temperature in BaTiO3-based Ceramic
0 1. E+00 10
-2 1. E-02 10 2 ( A/m )
-4 1. E-04 10
E EC1 +
Anode
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
Cathode
EC2
Space Charge
同极性效应 EC1 - 空间电荷 +
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋

Space Charge
EInterface=E-EC1 EBulk=E+EC2
EInterface=E+EC1 EBulk=E-EC2
4
9 耐电强度 z 空气：一般在3 ～ 4 kV/mm z 液体：一般在10 ～ 20 kV/mm z 固体：一般在十几 ～几百kV/mm
5
4.6.1 固体电介质的击穿过程
¾ 固体电介质击穿特性的划分（四个区域）
击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （％）
500 450 400 350 300 区域B 区域A 250 Φ50 200 150 100 50 0 Φ100
12
9 热击穿的理论分析
z 电介质发热曲线1,2,3对应于电压U 1＞U 2＞U z 直线4散出的热量Q 与介质中温度tm的关系 θ
1 2 3 4 b
3
a
tm ta tk tb 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的 关系
0 t0
13
9 称t a 为稳定热平衡点 9 称t b 为不稳定热平衡点
θ
+
Anode
EC2
Space Charge
Anode
Space Charge
EInterface=E-EC1 EBulk=E+EC2
EInterface=E+EC1 EBulk=E-EC2
28
¾ 空间电荷在实际中的应用问题 9 电介质材料与绝缘技术中的材料特性评估 9 电气电子设备中极性转换对器件的危害 9 直流输电中极性转换对电缆的危害 9 电容性设备及其残余电荷造成的电压 9 驻极体材料的形成 9 记忆元件
33
PEA法空间电荷测量系统
34
¾PEA法空间电荷测量原理
Low electric noise High voltage pulse
R C VDC Vp(t) Amplifier Vs Vs(t) σ(d) σ(0) Time [ns]
σ(0)
Electric field
σ(d)
ρ(x)
Electrode
高电压工程—
第三讲 液体、固体电介质的电气性能
(Continue)
清华大学电机系 周远翔 2004年秋（电2）
1
第4章 电介质的电气性能
4.1 电介质电气性能的划分* 4.2 电介质的极化及介电常数 4.3 电介质的电导特性 4.4 电介质中的能量损耗及介质损失角正切 4.5 液体电介质的击穿 4.6 固体电介质的击穿 4.7 电介质中空间电荷效应* 4.8 电介质的其它性能 （*or*表示本节为补充内容，教科书上没有,下同）
9
9 电击穿的影响因素 z 时间影响：电压作用时间短，击穿电压高 z 介质特性：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 z 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 z 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下， 介质有明显的不完全击穿现象，不完全击穿导致 绝缘性能逐渐下降的效应称累积效应。介质击穿 电压会随冲击电压施加次数的增多而下降 z 无关因素：电击穿电压和介质温度、散热条件、 介质厚度、频率等因素都无关
z A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 z B(α,T0)：单位时间电子碰撞损失的能量 z E ：电场 z α：标志电子的状态因子 z T0：晶格温度
8
A(E,α,T0)=B(α,T0)
9 固有击穿理论：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，称之为固有 击穿理论 9 电子崩击穿理论：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