固体电介质的击穿特性.ppt

主要内容 固体电介质的击穿过程 电化学击穿（电老化） 影响固体电介质击穿电压的主要因素 电介质击穿过程的空间电荷效应 电介质的其它性能 提高固体电介质击穿电压的方法 概述 气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高 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 一、固体电介质的击穿过程 1. 固体电介质击穿特性的划分 2. 电击穿 电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，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撞，从而击穿 电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电离的理论 固有击穿理论 电子崩击穿理论 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 电击穿的特点 时间影响 介质特性 电场均匀度 累积效应 无关因素 3. 热击穿 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，温度升高导致固体电介质电阻下降，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，这一过程称为电介质的热击穿过程。 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 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 曲线 3： t?ta 时：曲线在直线4之上，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 ttb 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 tattb：不会发生热击穿，介质温度将稳定在ta 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 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。 电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。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 树枝老化 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 电导性老化 三、影响固体介质击穿电压主要因素 电压作用时间 场均匀程度 温度 电压种类 局部放电 累积效应 受潮 机械负荷 二次效应如空间电荷等 四、电介质击穿过程的空间电荷效应 电介质中空间电荷：由于外加电场的作用等原因，在介质内部积聚了电荷，称作空间电荷 空间电荷效应：由于空间电荷的作用引起的一系列变化。在电介质中，空间电荷的直接作用是改变了介质中的电场分布。这种电场畸变的结果导致了介质击穿电压的变化 电荷引起电场分布的畸变机理 同极性空间电荷的积累 概念：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同的电荷，这些电荷称为同极性空间电荷 特点：同极性空间电荷削弱金属电极与介质间的界面场强，结果可导致介质整体击穿电压的提高，如（b）所示。当极性翻转时，可导致击穿电压下降，如（c）所示 异极性空间电荷的积累 概念：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，这些电荷称为异极性空间电荷 特点：异极性空间电荷增强金属电极与介质间的界面场强，结果可导致介质整体击穿电压的降低，如（b）所示。当极性翻转时，可导致击穿电压升高，如（c）所示 薄膜中的空间电荷效应 同极性的空间电荷效应在薄膜中具有特殊性，当介质中空间电荷的量超过某一定值时，虽然同极性的空间电荷对施加电压的电极起到削弱界面场强的作用，但由于大量的空间电荷积聚对另外一方的电极和介质界面的电场分布得到有效的加强，从而导致介质的整体击穿电压的下降 空间电荷在实际中的问题 电气电子设备中极性转换对器件的危害 直流输电中极性转换对电缆的危害 五、电介质的其它性能 热性能 机械性能 吸潮性能 化学性能及抗生物性 1. 热性能 耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允 许温度 热劣化：电介质在稍高的温度下，长时间后发 生绝