固体电介质的击穿.ppt

3.3.1 固体电介质的热击穿 3.3.2 固体电介质的电击穿 3.3.3 不均匀电介质的击穿 设U为外施恒定电压，在U作用下达到稳态时，若引入复合电介质的宏观平均场强 则有 式中，d＝d1+d2。 (3-41) (3-42) 从式（3-42）可见，各层介质电场强度与其电导率成反比。如 = ，则E1=E2=E；如 与 相差很大，其中必有一层电介质的场强大于E，例如E1＞E，则当E1达到第一层电介质的击穿场强E1b时，引起该层电介质击穿。第一层击穿后，全部电压加在第二层上使E2因此大为畸变，通常导致第二层电介质随之击穿，即引起全部电介质击穿。 （2）边缘效应及其消除方法 为了研究固体电介质本征击穿的物理常数——耐电强度，必须采用消除边缘的方法，使固体电介质能在足够均匀的电场下发生电击穿。 为了得到均匀电场消除边缘效应，其方法之一就是将电极试样系统做成一定的尺寸和形状，一般采用把试样制作为凹面状如图3-17所示。 图3-17 获得均匀电场的电极试样系统 消除边缘效应的方法之二是选用适当的媒质，使在固体电介质击穿之前媒质中所分配到的电场度低于其击穿值。 但并非所有的固体电介质都能实现，例如云母、有机薄膜等介质困难就较大。对于这类固体电介质，通常采用简单电极试样系统。 若试样厚度t与下凹部分最小厚度d之比足够大（比值不小于5～10），则击穿往往发生在足够均匀电场的最小厚度处。 图3-17 获得均匀电场的电极试样系统 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，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。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。 2. 局部放电 电的作用 热的作用 化学作用 局部放电引起电介质劣化损伤的机理是多方面的，但主要有如下三个方面： 厚度为d的固体电介质内含一个厚度为t的扁平圆柱形空气隙，其轴线与电场平行。固体电介质的剖面及气隙放电时的等效电路如图3-18所示。 固体电介质中气隙放电的等效电路及放电过程 图3-18 固体电介质中气隙放电及其等效电路 其中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Ca＞＞Cg＞＞Cb。电极间的全部电容为 图3-18 固体电介质中气隙放电及其等效电路 (3-43) 如果电极间加上瞬时值为u的交变电压，当介质的tanδ很小时，则Cg上分配到的电压瞬时值为 (3-44) 当Ur随U增加达到气隙放电电压Ug时，气隙发生放电，放电后Cg上的电压急剧下降，同时Cb通过气隙被充电。 图3-19 气隙放电时气隙上的电压变化 当气隙上电压降至剩余电压Ur时，放电熄灭。随着外施电压瞬时值u的上升，气隙Cg上的电压又达到Ug，便发生第二次放电。 当电压再继续上升时，放电依次重复发生。当外施电压U经峰值后下降，分配在Cg上的电压也相应降低。 图3-19 气隙放电时气隙上的电压变化 当U降至一定值时，它将低于Cb在Cg放电时已充上的电压，则Cb向Cg反充电，在Cg上的电压达到﹣Ug时发生反向放电，放电后Cg上的电压下降至﹣Ur时放电熄灭。随着外施电压继续下降到反方向上升，放电则不断发生。 Cg上的电压变化如图3-19所示。由图可见，空气隙中的放电具有间歇性的特征，放电集中发生于外施电压上升和下降最陡的区域。 图3-19 气隙放电时气隙上的电压变化 * * 当施加于电介质的电场增大到相当强时，电介质的电导就不服从欧姆定律了，实验表明，电介质在强电场下的电流密度按指数规律随电场强度增加而增加，当电场进一步增强到某个临界值时，电介质的电导突然剧增，电介质便由绝缘状态变为导电状态，这一跃变现象称为电介质的击穿。 3.3 固体电介质的击穿 介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞作为击穿发生的标志（见图3-12）。发生击穿时的临界电压称为电介质的击穿电压，相应的电场强度称为电介质的击穿场强。 图3-12 电介质击穿时的伏安特性 与气体、液体介质相比，固体介质的击穿场强较高，但固体介质击穿后材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自行恢复绝缘性