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1、液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用的最多的液体介质是变压器油以及电容器油和电缆油。用作内绝缘的固体介质常见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等, 以及用于制造绝缘子的电瓷、玻璃和硅橡胶等。,Chapter 4. 液体和固体介质的电气性能,内绝缘具有的特点：,不受外界大气条件变化的影响；,对包含固体介质的内绝缘，绝缘击穿 是非自恢复的；,长时间工作下逐渐老化；,一. 固体介质击穿的特点,击穿场强一般比气体和液体电介质高得多；空气30kV/cm，变压器油120250 kV/cm，云母(电击穿)20003000kV/cm 击穿场强与电压作用时间有很大的关系； 绝缘是非自恢复的，一旦发生击穿，
2、其绝缘性能不能再自行恢复；,4.1 固体电介质的击穿,电击穿,热击穿,电化学击穿,二. 击穿理论,电击穿：在强电场下电介质内部电子剧烈运动，发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击穿。,特点：电压作用时间短、击穿电压高，电介质发热不显著；击穿场强与电场均匀程度密切相关，而与周围环境温度无关。,2. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成。,特点：热击穿电压随环境温度的升高而下降， 热击穿电压直接与散热条件有关,电压作用下 引起介质损耗， 使介质发热,3. 电化学击穿：固体介质在长期工作电压下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击穿。,局部放电
3、使电介质劣化损伤的机理： 放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和腐蚀作用，使介质逐渐劣化； 放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加； 带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂解； 放电产生的高能辐射线引起材料分解；,刷状树枝,灌木状树枝,聚乙烯中的树枝化放电劣化,三. 影响固体电介质击穿电压的因素,1. 电压作用时间,2. 电场均匀程度与介质厚度,3.温度,4.受潮,5.累积效应,如果电压作用时间很短（例如 0.1s以下），固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压下降，如果在加
4、压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分清,例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。,1. 电压作用时间,处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。,2. 电场均匀程度与介质厚度,常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。如果经过真空干燥、真空浸油或浸
5、漆处理，则击穿电压可明显提高。,固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压将更低。不同固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不同的。,3. 温度,对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低。因为电导率和介质损耗大大增加的缘故。,4. 受潮,固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过
6、电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电压的下降。,5. 累积效应,四. 提高固体电介质击穿电压的措施,1. 改进制造工艺,2. 改进绝缘设计,3. 改善运行条件,清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀,注意防潮、防尘；加强散热,采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处的气隙,五. 绝缘老化,电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。,1. 电老
7、化 (电解,局部放电),2. 热老化,3. 固体介质的机械应力老化,4. 固体介质的环境老化,热老化的8规则,一. 常用的液体介质,二. 液体电介质的击穿理论,目前常用的主要有变压器油、电容器油、 电缆油等矿物油,电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致液体击穿,4.2 液体电介质的击穿,气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气 泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气泡内的气体放 电而引起液体击穿。,液体中气泡产生的原因： 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解出气体； 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离产生气体；
8、 电极表面吸附的气泡脱离出来； 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液体气化,液体中沿气泡击穿过程：,电离产生的带电粒子撞击 液体分子，使之分解出气 体，扩大气体通道,气泡温度升高、 体积膨胀、电离 进一步发展,工程用变压器油的击穿机理：（小桥理论）,工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的 很大 容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥：,1. 如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于 纤维的 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强 度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电 离增强，这样发展下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。,2. 如果杂质小桥接通
9、电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增 大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也会出现气 体小桥，使油隙发生击穿。,工程用变压器油的击穿有如下特点：在均匀电场中，当工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋即消失，油又恢复其电气强度；电压再增油中又可能出现火花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定的击穿,工程用变压器油的击穿特点：,判断油的质量，依靠测量其电气强度、tg和含水量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿电压。我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为2.5mm的半圆以减弱边缘效应。,三.
10、 影响变压器油击穿电压的因素,2. 电压作用时间,3. 电场均匀度,4. 温度,油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量,5. 压力,潮湿的油由0开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 后，水开始汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 80间出现最大值,水分和油温 悬浮状水滴在油中是十分有害的，如右图，当含水量为 万分之几时，它对击穿电压就有明显的影响，这意味着油中已出现悬浮状水滴；含水量达0.02%时击穿电压已下降至约15kV，比不含水分时低很多 。含水量继,续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬浮于水中，多余的会沉淀到油底部。,
11、标准油杯实验,四、提高液体介质击穿电压的方法,提高并保持油的品质 提高：去杂质、水分、有机酸:(制造时过滤) 去气体:(制造时真空注油) 保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化 2 覆盖层 在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥 油本身品质越差，电压作用时间越长，效果越好。 3 绝缘层 当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。 用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上 。 4 屏障 放在电极间油间隙中的固体绝缘板 作用：割断杂质小桥的形成 使另一侧油隙的电场变均匀（不均匀场中） 在极不均匀场中效果明显。面积应足够大,4.3 组合绝缘的电气强度,一. 介质的组合原则,
12、组合目的：同时满足电气性能、机械性能、 热性能的要求,配合原则：在外加电压的作用下，组合绝缘中各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正比，这样整个组合绝缘的电气强度最高，各种绝缘材料的利用最合理、最充分。,二. “油屏障”式绝缘,以变压器油为主要的绝缘介质，在油隙中放置若干个屏障，广泛用在电力变压器、油断路器、充油套管中。 三种不同的形式：覆盖、绝缘层、屏障,1. 覆盖,紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层称为覆盖 作用：阻止杂质小桥直接接触电极，因而能有效限制泄漏电流，从而阻碍杂质小桥击穿过程的发展。,2. 绝缘层,当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝缘层， 作用：像覆盖层那样减小
13、杂质的有害影响;降低电极表面附近的最大电场强度,3. 屏障,如果在油隙中放置尺寸较大、形状与电极相适应层压纸板（筒）或层压布板（筒）屏障 作用：阻碍杂质小桥的形成；拦住一部分带电粒子，使原有电场变得比较均匀 相邻屏障的距离不能太小，屏障的总厚度也不能取得太大,三. 油纸绝缘,油纸绝缘是以固体介质为主体的组合绝缘，液体只是用作填充 空隙的浸渍剂。 广泛用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。 缺点是：散热条件差、易受污染、受潮。,四. 组合绝缘中的电场分析,1 . 均匀电场双层介质,油纸绝缘中，令 代表油层参数， 代表浸渍纸参数，浸渍纸的电气强度比 油大得多在交流电压下，电压按介电常数反比分配
14、， 则 ，电场分布不合理； 在直流电压下，电压按电导率反比分配， 则 ，电场分布合理， 同一根电缆在直流下的耐压远高于交流耐压（约3倍）,2 . 分阶绝缘,分阶绝缘是指由介电常数不同的多层介质绝缘构成的组合绝缘 分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。,单相圆芯均匀介质电缆：,平均场强：,利用系数：,分阶半径,例题:用多层介质计算绝缘材料中含气泡时，气泡 中电场增加的倍数。 设绝缘层的相对介电常数为1；气泡的相对介电 常数为1；外加交流电压为U，绝缘层和气泡中 电场分别为E1和E2，电极距离为d，气泡直径为r,解题： d1=d-r；d2=r； E = U
15、/d； E2 = 1U/(1d2 + 2d1)= 1U/（1-1）r +d 增加的倍数：(E2 E)/E=d1/(1 -1)r +d 1； 如1=1，则(E2 E)/E=0; 如1=3，d = 10r, (E2 E)/E = 30/12-1= 1.5, 即增加了1.5倍。 已知空气的Eb = 30kV/cm； 一般绝缘材料的Eb 100kV/cm， 多层介质使用20%电场载荷时(20kV/cm),气泡中E2= 50kV/cm，即气泡会产生击穿！,小结： 一. 电介质在弱电场下的电气特性 极化的概念、基本形式和特点，介电常数 电介质电导的概念、特征，电导率 ，固体电介 质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 介质损耗的形式、介质的三支路等值电路、直流电压作 用下的吸收现象，交流电压作用下电介质的并联、串联等值 电路，介质损耗角tg 的意义，影响tg 的各种因素 二. 液体电介质的击穿 击穿理论、击穿电压的影响因素及其提高措施 三. 固体电介质的击穿 三种击穿形式、击穿电压的影响因素及其提高措施、绝缘的 老化 组合绝缘：组合原则，常见形式、电场分布,
