《《高电压技术系列》-- 固体、液体和组合绝缘的电气强度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《高电压技术系列》-- 固体、液体和组合绝缘的电气强度（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 固体、液体和组合绝缘的 电气强度三态电介质的耐电特性普遍规律：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。击穿特性：一般情况下，在气、固、液三种电介质中，固体密度最 大，耐电强度也最高。固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一非自恢 复的绝缘。1电气强度：空气：一般在3040kV/cm液体：一般在100200kV/cm固体：一般几百几千kV/cm24-1 固体电介质击穿的机理在电场的作用下，固体介质的击穿可能因电过程 、热过程和电化学过程而引起。实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂 的，它不仅取决于介质本身的特性，还
2、与绝缘结构型 式、电场均匀性、外加电压波形和加电压时间以及工 作环境（周围媒质的温度及散热条件）等多种因素有 关，因此要用多种理论来说明其击穿过程。常用的有机绝缘材料在工作电压作用下，会产生 电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。 因此，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短 时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压作用下 的耐电性能。3固体电介质击穿特性的划分（四个区域）区域A：0.2s，热击穿区域D：数十小时， 电化学击穿电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系4一、电击穿电击穿的建立：电击穿理论是建立在固体电介质 中发生碰撞电离基础上的，固体电介质中存在的少量 传导电子，在电场加
3、速下与晶格结点上的原子碰撞电 离，传导电子数迅速增多，引起电子崩，从而击穿。在介质的电导（或介质损耗）很小、又有良好的 散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固 体介质的击穿通常为电击穿，其击穿场强可达 105106kV/m，比热击穿时的击穿场强高很多，后者 仅为103104kV/m。固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直 接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。5电击穿的影响因素时间影响：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
4、全击穿现象，不完全击穿导致绝 缘性能逐渐下降的效应称累积效应。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。6二、热击穿热击穿的发展过程：热击穿是由于固体介质内热不 稳定过程造成的。当固体介质较长期地承受电压的作 用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围散热 ，如果周围环境温度低，散热条件好，发热与散热将 在一定条件下达到平衡，这时固体介质处于热稳定状 态，介质温度不会不断上升而导致绝缘的破坏。但是 ，如果发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介 质分解、熔化、炭化或烧焦，从而发生热击穿。7热击穿的击穿电压与温度关系显
5、著 在B范围内：热击穿，击穿电压随温度增加而下降。 在A范围内：电击穿，击穿电压和介质温度无关。8热击穿的理论分析 电介质发热曲线1,2,3对应于电压U1U2U3直线4散出的热量Q与介质中温度tm的关系9 称ta为稳定热平衡点称tb为不稳定热平衡点10热击穿的特点受周围媒质温度的影响：t0升高热击穿电压下降。与绝缘厚度的关系：热击穿电压随绝缘厚度的增加而降低。导热系数、散热系数增大，击穿电压上升。f或tan增大会造成发热增加，使曲线1、2、3上移，临界击穿电压下降。11三、电化学击穿电化学击穿的概念固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质 内部发生局部放电等原因，使绝缘发生不可逆劣化 、电气强
6、度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学 击穿。在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过 高而以热击穿形式完成，也可以因介质劣化后电气 强度下降而以电击穿形式完成。12局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要 原因：放电过程产生的活性气体O3、NO、NO2等对介质产 生氧化和腐蚀作用。放电过程有带电粒子撞击介质，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。带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致介质 破坏。13电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。一般来说，无机 绝缘材料耐局部放电的性能较好。144-2 影响固体电介质击穿电压的因素电压作用时间温
7、度的影响电场均匀度和介质厚度的关系电压频率的影响受潮度的影响机械力的影响多层性的影响积累效应的影响 154-3 提高固体电介质击穿电压的方法改进绝缘设计采用合理的绝缘结构，使各部件绝缘的耐电强度与 其承担的场强有适当的配合。对多层性绝缘结构，可充分利用中间多层电容屏的 均压作用。改善电极形状及表面光洁度，尽可能使电场分布均 匀，把边缘效应减到最小。改善电极与绝缘体的接触条件，消除接触气隙，或 使接触气隙不承受电位差。改进密封结构，确保可靠密封。 16改进制造工艺尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、水分 等，使固体介质尽可能均匀致密，可以通过精选材 料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍等方法达到
8、。17改进运行条件注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强 散热冷却（如自然通风、强迫通风、氢冷、油冷、 水内冷等）。184-5 液体电介质击穿的机理 一、概述液体介质矿物油:从石油中提炼的多种碳氢化合物的 混合物,如:变压器油、电容器油、电缆油等。合成油:十二烷基苯应用于充油电缆和浸渍电容器；有机硅油、异丙基联苯等。19耐电强度：比气体高且具有散热作用。击穿理论研究现状：不及气体介质，尚缺乏完善化击穿机理分类纯净的液体电介质的击穿机理工程用液体电介质的击穿机理电击穿理论气泡击穿理论20二、纯净的液体电介质的击穿机理电击穿理论电击穿过程当电场足够强时，在阴极产生的强场发射 的电子将被电场加
9、速而具有足够的功能，在碰 撞液体分子时可引起电离，使电子数倍增，形 成电子崩。与此同时，由碰撞电离产生的正离 子将在阴极附近集结形成空间电荷层，增强了 阴极附近的电场，使阴极机发射的电子数增多 ；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流 会急剧增大，从而导致液体介质的击穿。21电击穿的特点液体密度增加，击穿场强增大；温度升高时液体膨胀，击穿场强下降；液体介质的冲击击穿场强高于工频击穿场强；22气泡击穿理论重要结论：在交流电压下，串联介质中电场强度 的分布是与介质的 成反比。气泡击穿过程由于气泡的 最小，并且其电气强度又比 液体介质低得多，所以气泡必先发生电离。气 泡电离后温度上升、体积膨胀、密度
10、减小，这 促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞 击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道 扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成气 体小桥（通道），击穿就可能在此通道中发生 。23气泡击穿的特点如果液体介质的击穿因气体小桥而引起， 那么增强液体的压力，就可使其击穿场强有所 提高。因此，在高压充油电缆中总要加大油压 ，以提高电缆的击穿场强。24三、工程用液体电介质的击穿机理气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释工 程用变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质的，这些 杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同，从而会畸变油中 电场，影响油的击穿。工程用变压器是含有杂质的，这不仅是因为
11、完全清除油中 杂质极其困难，还因为油和大气接触时会逐渐氧化、并从大气 中吸收气体和水分；况且在设备制造过程中也会有杂质混入， 例如纸或布等纤维脱落到油中；在运行中油质劣化也会分解出 气体、水分和聚合物。工程用液体电介质的杂质25由于水和纤维的 很大，很易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。这时会发生两种情况：（1）杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于纤维 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场 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
12、泡扩大，发展下去也 会出现气体小桥，使油隙发生击穿。击穿过程26工业用变压器油的击穿特点在均匀电场中，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。27判断变压器油的质量测量变压器油的电气强度、tan和含水量，其中最重要的试验是用标准油杯测量油的工频击穿电压。28额定电压 等级（ kV）用标准油杯测得的工频击 穿电压 有效值（kV）新油，不低于运行中的油，不低于15及以下25202035353063220403533050455006050我国规定不同电压等级电气设备中所
13、用变压器油的电气强度变压器油在极距为2.5mm的标准油杯中的击穿电压约2060kV 之间，相应的击穿场强有效值应为80240kV/cm，这比空气的 击穿场强（30kV（峰值）/cm=21kV（有效值）/cm）高得多。294-6 影响液体电介质击穿电压的因素一、液体介质本身品质的影响化学成分矿物油中各种成分含量的比例对油的理化性能有一定的 影响，而对油的短时耐电强度则没有明显的影响。含水量00.020.042040Ub(kV)含水量(%)标准油杯中，常温下变压器 油的工频击穿电压有效值与含 水量的关系30含纤维量当油中有纤维存在时，在电场的作用下，纤维将沿着电 力线方向定向排列，形成“小桥”，使
14、油的击穿电压大为 降低。纤维有很强的吸附水分的能力，纤维与水分的联合 作用对击穿电压影响强烈。含碳量细而分散的炭粒对油的耐电强度的影响并不显著，但炭 粒逐渐沉淀到电气设备的固体介质表面，形成油泥，则易 造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。含气量31二、电压作用时间的影响100Ub(kV)t(s)102104106801602403200d=64=152d=6.35mmd=25.4mm油隙的击穿电压会随着电压作用时间的增加而下降，外 加电压时间还会影响油的击穿性质。如图电压作用时间为 数百微秒前，杂质的影响没有显示出来，为电击穿。这时 影响因素主要是电场均匀度。时间更长，杂质开始聚集，
15、 油隙的击穿开始出现热过程，为热击穿。32三、电场情况的影响保持油温不变，而改善电场的均匀度，能使优 质油的工频击穿电压显著增大，也能大大提高其 冲击击穿电压。品质差的油含杂质较多，故改善 电场对于提高其工频击穿电压的效果也较差。在 冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善 电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与 油的品质好坏几乎无关。33四、温度的影响0开始上升，一部分 水分从悬浮状态转化为 害处较小的溶解状态， 使击穿电压上升。 温度超过80时，水 开始汽化，产生气泡， 引起击穿电压下降，因 此在6080的范围内出 现最大值。 在05时，全部水分 转为悬浮状态，导电小 桥最易形成，出现击穿 电压的最小值。干燥的油随油温升高，击穿电压略有下降。34五、压强的影响不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压 总是随油压的增加而增大，这是因为油中气泡的电离电压 增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。因此经过脱气处 理的油，其工频击穿电压就几乎与油压无关。354-7 提高液体电介质击穿电压的方法一、提高并保持油的品质压力过滤法吸附剂法真空喷雾法二、覆盖三、绝缘层四、极间障36
