第8讲 液体、固体电介质特性(三)

15.3
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278h
10 -1 1
10 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）
电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系
6
区域C： 击穿电压随击穿前 时间的增加而明显下降 ， 具有热击穿的特点
击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （％）
30
2.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损耗 1 1 1 C C1 C 2
1

d

1
1
d1

1
2
d2
1 2 (d1 d 2 ) d1 2 d 2 1
d1 2 tg 1 d 2 1tg 2 tg d1 2 d 2 1
31
2.4.2 组合绝缘中的电场
电老化——局部放电老化
热老化——热作用下的氧化
环境老化——污染性化学老化
39
（二）电介质的热老化
θ 1 2 3 4
b
a 0 t0 ta tk tb tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
13
曲线 1：
发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压 U1 下最终必定发生热击穿
θ 1 2 3 4
b
a 0 t0 ta tk tb tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
14
曲线 3：
高电压工程系 何正浩 hzh@
第8讲 液体、固体电介质的绝缘特性（三）
2
上一讲回顾
电介质中的物理过程 极化
电导
损耗——tg（设计绝缘时需要控制的参量） 液体电介质的击穿 电击穿理论 小桥效应——工程中的液体电介质
3
2.3 固体电介质的击穿

气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高 空气的耐电强度一般在3 — 4 kV/mm左右； 液体的耐电强度在10 — 20 kV/mm； 固体的耐电强度在十几 — 几百kV/mm
500 450 400 350 300 区域B 区域A 250 Φ 50 200 150 100 50 0 Φ 100 μs
区域D ：C区以外
区域C
15.3
A、B 区：属于电击穿 C 区：属于热击穿 D 区：为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年
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A(E,α,T0)=B(α,T0) A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量 E：电场，α：标志电子的状态因子，T0：晶格温度
电子崩击穿理论——传导电子由电场得到了可使晶
格原子电离的能量，产生了电子崩，当电子崩发展 到足够强时（d足够大），引起固体介质击穿
U1 R1 I
1
2
n
E1
U1 U d1 ( d1 d 2 ... d n ) 1
1
2
n
1 2 3
U
E1 E2 E3
d1 d2 d3
d
直流电压作用下——电压与电阻
i
Ei
di dn
成正比，电场与电导率成反比（
与电阻率成正比）
n
2
En
32
E1
U
tta 时：曲线在直线 4 之下， 不发生热击穿，介质温度逐 渐升高并稳定在 ta ，称 ta 为 稳定热平衡点 t>tb 时：情况类似曲线 1 ， 最终发生热击穿 t=tb 时： 发热等于 散热 ， 但因扰动使 t 大于 tb ，则介 质温度上升，回不到 tb ，直 至热击穿。称 tb 为不稳定热 平衡点 ta<t<tb ： 不会发生 热击穿 ， 介质温度将稳定在ta
35
电缆的绝缘
单相圆芯均质电缆
U
r0
r2
Emax
U r2 r0 ln r0
U Eav r2 r0
Eav 1 Emax
36
分阶绝缘
在r0<r<r1内
U E1 1 r1 1 r2 r 1 [ ln ln ] 1 r0 2 r1
U
r0
r1 r2
在r1<r<r2内

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
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
4
Ub
1
电击穿
2
3
热击穿
电化学击穿
10
-6
10
-3
1
10
3
10
6
10
9
t(s)
5
一、固体电介质的击穿过程
1. 固体电介质击穿特性的划分 区域 A ： 击穿时间小于 10s 的 区域，此范围内击穿电压随击 穿时间的缩短而提高。类似于 气体介质击穿的伏秒特性
a 0 t0 ta tk tb tm
θ
1 2 3 4
b
不同外施电压下介质发热散热 与介质温度的关系
15
曲线 2：
与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度
θ 1 2 3 4
b
a 0 t0 ta tk tb tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
16
击穿理论——（3）电化学击穿理论
1 (
d1
1

d2
2

dn
n
)
1 2 3
E1 E2 E3 d1 d2 d3
d
交流电压作用下——电压与电
容成反比，电场与介电常数成
反比
U
i
Ei
di dn
n
2
En
33
分层绝缘中的电场分配—交流条件下
油－屏障式绝缘
1<2，E1>E2
E1
U
1 (
1
d1

2
时间（μs）
电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系
7
二、 击穿理论——（一）电击穿理论
机理：建立在碰撞电离基础上，少量传导电子，在
电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，最终导致击 穿
8
碰撞电离引起击穿的两种理论
固有击穿理论——单位时间内传导电子从电场获得
的能量与因碰撞而失去的能量不平衡，能量堆积 （超过电离能）而引起击穿
24
（2)温度
小于t0 时，属于电击 穿 当温度超过t0 值时， 温度越高，散热条件 越差，击穿电压越低 ，此时属于热击穿。t0 称为转折温度。
25
（3)电场均匀程度
均匀电中，击穿电压较高，
而且击穿电压随介质厚度的
增加呈线性关系上升；
不均匀电场中，击穿电压不
Ub /kV (幅值)
40
18
有机绝缘材料的树老化
树老化类型：电树老化和水树老化
树老化的原因
电离性老化：该气隙或气泡内容易发生电离。气隙或 气泡的电离，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” 电导性老化：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”
10
击穿理论——（二）热击穿理论
机理：介质内部发热和散热的不平衡导致。介质温
度升高，引起介质分解、炭化，最终导致击穿。
特点：与电压作用时间有关；与发热和散热条件有
关；当电压频率增大时，击穿电压将下。
11
热击穿
A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质 B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的升 高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程
U E2 1 r1 1 r2 r 2 [ ln ln ] 1 r0 2 r1
1 2
37
分阶绝缘
优点：绝缘材料的利用率高 实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介 电常数与密度有关，密度大的纸（高）与低密度
纸搭配使用，做多层分阶。
38
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
30
20
1 均匀电场（直流） 2 均匀电场（交流）
3 不均匀电场（交流）
20 40 60 d /μm
随介质厚度的增加呈线性上 升可能会出现热击穿，因此 介质厚度达到一定程度后， 厚度再增加对提高击穿电压 意义不大。
10 0
26
（4)电压种类
直流击穿电压：高于
工频交流击穿电压， 因为仅有电导损耗 工频交流击穿电压： 高于高频交流击穿电 压，因为极化损耗高 冲击击穿电压：高于 工频交流击穿电压
特征
22
三、影响固体电介质击穿电压的因素

电压作用时间 温度 电场均匀程度 电压种类 累积效应 受潮 机械负荷 二次效应如空间电荷等
23
（1)电压作用时间
常用固体电介质的
工频电气强度与加 压时间的关系 1—聚乙烯 2－聚四氟乙烯 3－黄蜡布 4－硅有机玻璃云母 带
50 40
Ub
30 A 20 10 0 B
0 20 40 60 80 100 120 140 160 θcr
θ(℃)
12
交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系
热击穿的理论分析
电压：U1＞U2＞U3 曲线1,2,3 ：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系 直 线 4 ： 表 示 固 体 介 质 中 最 高温 度 大 于周 围 环 境温 度 t0 时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系