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1、第四章 固体电介质和液体电介质的 击穿特性 高电压工程基础 主讲教师：田翠华 高电压工程基础 2 高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它 复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题，在击穿后也 有完全的绝缘自恢复特性，再加上其成本非常廉价，因此气体 （空气）成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。 例如：高压架空输电线路绝缘 气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其 他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一 般都由气体绝缘开始。 高电压工程基础 第一篇 高电压绝缘及试验 3 第四章 固体电介质和液体电介质的击穿特性 4.1 固体电介质的击穿机理 4.2 影响固体电介
2、质击穿电压的因素 4.3 固体电介质的老化 4.4 液体电介质的击穿机理 4.5 影响液体电介质击穿电压的因素 4.6 组合绝缘的击穿特性 高电压工程基础 4 第一节 固体电介质的击穿机理 一、电击穿 固体电介质的电击穿: 是指仅仅由于电场的作用而直接造成固体 绝缘击穿的现象。 机理: 强电场下电介质内部存在的少量带电粒子作剧烈的运动，与 固体介质晶格结点上的原子发生碰撞电离 ，形成电子崩，从而破坏了固体介质的晶 格结构，使电导增大而导致击穿。 高电压工程基础 5 特点: 击穿电压与周围环境温度无关； 与电压作用时间也关系不大； 介质发热不显著；电场的均匀程度对击 穿电压影响很大； 电击穿所需
3、的场强比较高，一般可达 105106kV/m。 当介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存 在局部放电时，固体电介质所发生的击 穿一般为电击穿。 体积效应 -小样试验不可直接用于大尺寸 累积效应-有机材料有 一、电击穿 高电压工程基础 6 机理：热击穿是由于电介质内部的热不稳定所造成的。 热击穿的过程： 当固体电介质较长时间地在电压作用下，由于介质内部的 损耗而发热，致使温度升高，从而使介质的电导和都增大，这 反过来又使温度进一步升高。 若到达某一温度后，发热量等于散热量，介质的温度则停 止上升而处于热稳定状态，这时将不致引起绝缘强度的破坏。 如果散热条件不好，或电压达到某一临界值，
4、使绝缘的发 热量总是大于散热量，这时将会使介质的温度不断升高，直至 介质分解、熔化、碳化或烧焦，造成热破坏而丧失其绝缘性能 而发生击穿。 二、热击穿 高电压工程基础 7 介质的功率损耗P随温度变化的规律： 温度to时的介质损耗角正切； t 温度； 与介质有关的系数； C 绝缘结构的电容； U 外加电压。 高电压工程基础 8 单位时间产生的热量Q1： 式中 A比例常数 散热系数； S 散热面积。 单位时间内散出的热量Q2： 介质的发热和散热与温度的关系 高电压工程基础 9 热击穿的主要特点： 1）击穿电压随环境温度的升高呈指数规律下降； 2）击穿电压直接与介质的散热条件相关。 介质厚度 加压时间
5、 电压频率或介损 在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿？ 因为只有电导损耗无极化损耗，发热小 频率越高损耗越大 高电压工程基础 10 高电压工程基础 11 机理： 固体电介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放 电，产生活性气体O3、NO、NO2，对介质产生氧化和腐蚀作用 ，同时产生热量引起局部发热; 在局部放电过程中带电粒子的撞击作用，导致绝缘劣化或损伤 ，使其电气强度逐步下降并引起击穿 电化学击穿是一个复杂的缓慢过程，在临近最终击穿阶段， 可能因劣化处损耗增加，温度过高而以热击穿形式完成，也可能 介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。 三、电化学击穿 高电压工程基础 1
6、2 树枝状或丛状放电： （有机材料 交联聚乙烯） 当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等 因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状或 丛状放电，并在有机固体介质上留下纤细的放电痕迹，这就 是树枝状放电劣化。 在交流电压下，树枝状放电劣化是局部放电产生的带电粒子 冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。 在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿 场强所致。 高电压工程基础 13 高电压工程基础 14 第二节 影响固体电介质击穿电压的因素 1电压作用时间 油浸电工纸板的击穿场强与电压作用时间的关系（25时） 高电压工程基础 15 2电场均匀程度 均匀、致密的固体介质如
7、处于均匀电场中，其击穿电压往 往比较高，且击穿电压随介质厚度的增加近似地成线性增加。 若在不均匀电场中，则击穿电压降低，且随着介质厚度 的增加使电场更不均匀，击穿电压也不再随厚度的增加而线性 增加。当介质厚度的增加使散热困难时，又会促使发生热击穿 ，这时靠增加厚度来提高击穿电压的意义不大。 3温度 电击穿与温度几乎无关 热击穿电压则随温度的升高而降低（固体介质的散热） 为了降低绝缘的温度，常常采取一些散热措施，如加强风冷、 油冷及加装散热器等。 高电压工程基础 16 4受潮 固体介质受潮会使击穿电压大大降低，其降低程度与介质的性 质有关。 不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后
8、 击穿电压仅降低一半左右； 易吸潮的材料，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可 能只有干燥时的百分之几或更低。 因为电导率和介质损耗均大大增加的缘故。所以高压绝缘结构 不但在制造时要注意除去水分，在运行中也要注意防潮，并定期 检查受潮情况，一旦受潮必须进行干燥处理。 高电压工程基础 17 5累积效应 固体介质在不均匀电场中，或者在雷电冲击电压下，其 内部可能出现局部放电或者损伤，但并未形成贯穿性的击穿 通道，但在多次冲击或工频试验电压作用下，这种局部放电 或者伤痕会逐步扩大，这称为累积效应。 累积效应会使固体介质的绝缘性能劣化，导致击穿电压 下降。 在确定电气设备试验电压和试验次数时应充分
9、考虑固 体介质的这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时亦应保证 一定的绝缘裕度。 高电压工程基础 18 老化：电介质在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理化 学变化，从而使介质的物理、化学性能产生不可逆转的 劣化，导致电介质的电气及机械强度下降，介质损耗及 电导增大等现象。 老化的原因 ： 热的作用 电的作用 机械力的作用 环境因素 第三节 固体电介质的老化 高电压工程基础 19 一、电介质的电老化 根据电老化的性质不同可分为： 电离性老化 电导性老化 电解性老化 高电压工程基础 20 1电离性老化 绝缘内部存在的气隙或气泡在较强电场下发生电离而产生局部放 电所引起的绝缘老化。 机理： （电树
10、枝） 带电粒子对介质的撞击可使有机介质主链断裂，使高分子解聚或 部分变成低分子。 局部放电引起局部过热，高温使绝缘材料产生化学分解。 局部放电产生的活性气体O3、NO、NO2对介质的氧化和腐蚀以 及由局部放电产生的紫外线或X射线使介质分解和解聚。 气隙或气泡的电离引起的局部放电会使近旁的绝缘物分解、破坏， 并沿电场方向逐渐向绝缘深处发展，在某些高分子有机绝缘中常 发展成树枝状，称为“电树枝” 高电压工程基础 21 局部放电的机理 ： 固体介质内部含有气隙时，气隙及与其相串联的 固体介质中的场强分布是与它们的介电常数成反比。 气体介质的介电常数比固体介质的介电常数小得多， 因此气隙中的场强要比固
11、体介质中的场强高得多，而 气体的电气强度又较固体介质低，所以当外加电压还 远小于固体介质的击穿电压时，气隙中的气体就首先 发生电离而产生局部放电。 高电压工程基础 22 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 电路如图所示。 固体电介质中局部放电的等效电路及放电过程 固体电介质中气隙放电及其等效电路 高电压工程基础 23 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CaCgCb。电极间的全部电容为 如果电极间加上瞬时值为 u的交变电压，
12、当介质的tan 很小时，则Cg上分配到的电 压瞬时值为 高电压工程基础 24 气隙放电时气隙上的电压变化 当ug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。 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。 高电压工程基础 25 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 U
13、g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。 高电压工程基础 26 Cg每次放电时，其放电电荷量为： Qr称为真实放电量，但由于Cg、Cb和Ca实际上都是无法 测定的，所以Qr也无法测定。 高电压工程基础 27 由于气隙放电使气隙上电压下降 =UgUr，必引 起Cb上的电压增加 。随着Cb上电压的增加，需要补 充的电荷增量为 且有 称Q为视在放电量。由于CbCg，视在放电量 比真实放电量要小得多。因后者目前尚无法求得而前 者可以实测，故将视在放电量Q作为局部放电量。 28 真实放电量 视在放电量 称Q为视在放电量。由于Cb
14、Cg，视在放电量 比真实放电量要小得多。因后者目前尚无法求得而前 者可以实测，故将视在放电量Q作为局部放电量。 高电压工程基础 29 2电导性老化 电导性老化是指某些高分子有机合成绝缘材料，由于其内部 存在某些液态的导电物质（最常见的是水分或制造过程中残 留的某些电解质溶液），在电场强度超过某一定值时，这些 导电液就会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树 枝状的泄痕，称为“水树枝”，使介质的绝缘特性老化 产生“水树枝”所需的场强要比产生“电树枝”所需的场强低得 多。“水树枝”一旦产生其发展速度亦比“电树枝”快。 高电压工程基础 30 高电压工程基础 31 高电压工程基础 32 电解性老化
15、是指在所加电压还远低于局部放电起始电压的 情况下，由于介质内部进行着的化学过程（尤其在直流电 压下最为严重）造成对介质的腐蚀、氧化，使介质逐渐老 化。当有潮气侵入电介质时，由于水分本身就能离解出H+ 和O-离子，则会加速电解性老化。随着温度的升高，化学 反应速度加快，电解老化的速度也随之加快。 3、电解性老化 高电压工程基础 33 固体电介质的性能在长期受热的情况下逐渐劣化，失去 原来的优良性能，称为热老化。 热老化过程： 热裂解、氧化裂解以及低分子挥发物的逸出。 热老化的特征： 介质失去弹性、变硬、变脆，机械强度降低，也有些介 质表现为变软、发粘、变形，失去机械强度，与此同时介 质的电导变大
16、，介质损耗增加，击穿电压降低，绝缘性能 变坏。 二、电介质的热老化 高电压工程基础 34 高电压工程基础 35 高电压工程基础 36 第三节 液体电介质的击穿机理 油的击穿存在两种不同的击穿形式： 纯净的变压器油主要发生电击穿； 含有水蒸汽或其他悬浮杂质的工程用变压器油则主要 发生热击穿(小桥击穿理论)。 纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相 似，但其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到 1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm， 一般在200kV/cm250kV/cm的范围内（以上击穿场 强值均指在标准试油杯中所得数据） 高电压工程基础 37 一、纯净液体介质的电击穿理论 液体介质中存在有一些初始电子，这些电子在电场 的作用下，向阳极作加速运动，产生碰撞电离，形 成电子崩，导致液体介质的击穿。但由于液体介质 的密度远较气体的大，电子的自由行程很小，所以 纯净液体介质的击穿强度大大超过气体
