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电击穿电压和介质温度
高电压技术 高电压工程系 tslc@mail.hust.edu.cn 刘春 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 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 固体击穿特性 一、固体电介质的击穿过程 1. 固体电介质击穿特性的划分 区域A:击穿时间小于10?s 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 区域B:击穿时间在10?0.2S范围的区域,此范围内击穿电压恒定,与时间无关 这两个区域内的击穿都具有电击穿的性质 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 区域D :C区以外 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 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 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 电击穿的特点 时间影响:电压作用时间短,击穿电压高 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 电场均匀度:电场的均匀程度影响极大 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,导致绝缘性能逐渐下降,称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降 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 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: ① 与电压作用时间有关; ② 与发热和散热条件有关; ③ 当电压频率增大时,击穿电压将下降。 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 热击穿理论分析 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 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 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偏离tb,则介质温度上升或下降,回不到tb。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 击穿理论——(3)电化学击穿理论 机理: 介质劣化的结果。局部放电使介质引起化学离解,形成树枝状通道,这些树枝状通道,随时间推移不断伸长,使绝缘进一步劣化,最终发展到整个电介质击穿。 特点:电化学击穿由绝缘性能下降引起,比电击穿和热击穿电压低,可以在工作电压下发生。 局部放电的后果 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” 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 (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
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