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1、绝缘的电气特性及其诊断概论,2.1 设备绝缘的组成 2.2 设备绝缘的电气特性 2.3 绝缘老化及其影响因素 2.4 电气绝缘试验 2.5 绝缘诊断概论,2.1 设备绝缘的组成,现代电气设备的造价及运行可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘结构。,电力设备,绝缘材料,金属材料,绝缘介质 紧固支撑 冷却媒介,绝缘作用,绝缘材料,液体: 绝缘油,固体：绝缘纸、电瓷、云母、玻璃、交联聚乙烯等,气体: 空气、SF6,真空绝缘,实际绝缘结构通常是由几种电介质联合构成的组合绝缘,固-液绝缘,固-气绝缘,2.2 绝缘老化及其影响因素,设备绝缘故障的主要原因材料的老化。电气设备绝缘在运行中 受到各种因素的长期作用
2、，会发生一系列不可逆的变化，导致其物理、化学、电和机械等性能的劣化，如机械强度降低、介质损耗及电导增大。将这种现象称为绝缘老化。,电气因素 机械因素 温度和热稳定性 环境（水分、氧化、射线及微生物）,绝缘老化影响因素,（1） 电气影响,长期工作电压 短时的过电压,为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代电气设备采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。高场强下的电老化由介质中的局部放电引起。各种绝缘材料局部放电的性能有很大的差别： 云母（电机绝缘）、玻璃纤维等无机材料有很好耐局部放电能力。 有机高分子聚合物等绝缘材料耐局部放电能力较差，其
3、长时间击穿场强要比短时间击穿场强低很多。设计时应将其工作场强(XLPE的为10kV/mm)选的比局部放电场强低，以保证其寿命。 绝缘油发生局部放电，引起油温升高而导致油的解裂，并伴有微量气体产生。另外油放电生成物可能是聚合蜡状物，可能附着于固体介质表面影响散热，加速固体绝缘的老化。,（2）机械影响,机械负荷 长时间振动 短路应力,机械应力对绝缘的老化速度有很大的影响。如：机械应力过大会使固体介质内产生裂纹或气隙，导致局放，运行经验表明：瓷绝缘子的老化常常是由于机械应力造成（悬式绝缘子最易损坏的地方是靠近铁塔悬挂点处）。 对绝缘子来说，温度突变也会产生内部应力。如：运行中受日照，温升为2030，
4、突然降雨，瓷表面骤冷，则会在瓷件内产生内应力，可能造成开裂。因此，绝缘子瓷件在工厂要经过冷热实验，要求在70的温差剧变时不发生开裂。,（3） 温度影响,季节变化 长期过负荷 热老化,高温下，电介质短时间内就能发生明显的损坏；即使温度比短时允许温度低，但作用时间很长时，绝缘性能也会发生不可逆的变化。绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短。 液体介质的热老化主要表现在油的氧化，油温越高，则氧化速度越快。油局部过热会分解出一些能溶于油的微量气体，这是变压器油劣化的主要原因。 不同介质材料的耐热性能不同。GB11021划分几个耐热等级，规定相应的最高允许温度。超过该允许值，介质迅速老化，寿命大大缩短。,电
5、介质的耐热等级,不同耐热等级绝缘材料 在各种运行温度下长期运行的寿命,热老化规律 6 度规则 试验表明，对于常用的A级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过6，则寿命约缩短一半。 而对于 B、H级绝缘则分别约为10及12规则。,水（强极性介质、类似于半导体）被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。,（4） 受潮,（5）环境的影响,环境条件对绝缘的老化也有很大的影响。 绝缘油的老化，主要是油的氧化。 户外工作的绝缘应能使耐受日晒雨淋的环境。并
6、不是所有的固体绝缘都具备这一能力，环氧浇注的绝缘子只能用于户内。 在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。 工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。,2.3 绝缘介质的电气特性,不同电场强度下电介质中所呈现的电气现象分为两类： （1） 在强电场（外施场强大于该介质的击穿强度）下，将出现放电、闪络、击穿等现象，这在气体中表现最为明显。 （2） 在弱电场（外施场强比该介质的击穿场强小得多）下主要是介质中的极化、电导、介质损耗等。 以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。,
7、2.3.1 气体放电,放电 （Discharge ),击穿 ( Breakdown ),闪络 ( Flashover ),火花放电 Sparkover,电弧 (Arc),空气间隙 的放电,外施电压的形式 电场的情况 电极形状 大气环境,与 有关,稳态电压（直流工频）下的空气间隙击穿,1) 均匀电场中的击穿,eg：高压静电电压表的电极布置,特点： 均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应； 均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同； 击穿电压的分散性很小。,板板电极尺寸远大于间隙距离,间距1-10cm均匀电场 击穿场强为30kV/cm,
8、r/R0.1：极不均匀电场。电晕起始电压Uc很低，绝缘均不设计在这一r/R范围内。,r/R 0.5：均匀电场。Eb不变。,0.5 r/R 0.1：稍不均匀电场。击穿前不出现电晕。r/R 0.33时击穿电压出现极大值（绝缘设计时尽量将r/R选取0.250.4范围内）。,2) 稍不均匀电场中的击穿（球间隙、同轴圆柱）,3) 极不均匀电场中的击穿,工程上大多为极不均匀电场。试验表明，当间隙距离很大时，不同形状电极间隙击穿电压差别不大。通常用棒板电极和棒棒间隙击穿电压来估算不对称和对称电场的绝缘距离。,棒板和棒棒空气间隙的直流击穿电压,棒棒和棒板空气间隙的工频 击穿电压（有效值）,工频电压、极不均匀电
9、场，击穿总是发生在正半周极,工频电压下棒棒间隙击穿电压高于棒板电极，工程上尽量采用对称布置的电极结构,极不均匀电场的极性效应极明显,长空气间隙在不同电压下的击穿电压,冲击电压（雷电操作）下的空气间隙击穿,足够高的电压。 在气隙中存在能引起电子崩并导致击穿的有效电子。真空击穿电压高。 需要一定的时间让放电得以逐步发展直至击穿。冲击击穿电压高。,气隙击穿的必要条件：,放电时延,临界 击穿电压,统计时延,放电形成时延,除了足够场强、引起电子崩并导致流注的有效电子外，气隙击穿还需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。us级,总放电时间 tb=t1+ts+tf,放电时延与电压幅值U 有关，U 越高
10、，放电发展越快，放电时延越短。 因为ts和tf都带有统计性，所以冲击下击穿电压与放电时间的关系伏秒特性具有较大的分散性，工程上常用50%伏秒特性来表征。,伏秒特性,伏秒特性间的配合,以避雷器保护变压器为例，就必须根据伏秒特性进行绝缘（强度）配合，如在右图中S2就能较好地保护S1。,0%伏秒特性； 100%伏秒特性； 50%伏秒特性；,SF6是理想的气体绝缘介质和灭弧介质，在均匀电场中SF6气体的绝缘强度约为空气的2.5倍，其灭弧能力是空气的100以上。 SF6气体的应用可大大降低设备尺寸，与空气介质相比，500kV的GIS是敞开式的1/50。 SF6气体广泛应用于高压断路器、GIS、充气管道电
11、缆，充SF6气体的变压器和开关柜也在发展中。 SF6气体的液化温度较低，一般可满足工程实际的应用，如0.75MPa （7个大气压，作为断路器的绝缘）的液化温度是-25， 0.45MPa （4个大气压，作为GIS绝缘）的液化温度不高于-40。,SF6气体的特性,SF6气体价格高，温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解，在大气中寿命长达3200年。一般工程中多采用N2-SF6混合气体。 此外，SF6气体中水含量的增加，将会大大降低其绝缘性能，因而使用中应定期检测其微水含量。 极不均匀电场SF6的击穿场强（如4kV/mm）比稍不均匀电场的击穿场强（如30kV/mm）低很多。只有
12、在均匀电场和稍不均匀电场，SF6气体才能发挥其优异的绝缘性能，因而一般应用SF6气体做绝缘时，应尽量保证其电场的均匀性。,其击穿场强随气压的增加而增加，有饱和性； 其击穿的极性效应不明显（负极性击穿电压比正极性的低10%）； 其冲击系数很小，雷电和操作冲击系数分别为1.25和1.05-1.11。因而SF6设备的绝缘尺寸由雷电冲击试验电压决定。,稍不均匀电场的SF6气体：,2.3.2 气体中的沿面放电,(cm) 不同材料的工频下 沿面闪络电压（峰值） 1纯气隙；2石蜡； 3胶纸筒；4电瓷,沿着固体介质表面的闪络电压不但远低于固体介质的击穿电压，而且也比相同极间距离的纯气隙击穿电压低。 如果表面潮
13、湿、脏污时，沿面闪络电压更低。这是选择输电线路和变电所外绝缘时的关键因素。 绝缘子大多在户外运行，因此还要考虑湿闪及污闪的情况，这时的放电电压远低于乾闪。,光滑瓷柱的干闪和湿闪电压,干闪,湿闪,单位泄漏距离（泄漏比距或爬电比距）：绝缘子每千伏额定线电压的平均泄漏距离，cm/kV。 “绝缘子串在工作电压下不发生污闪”在电力系统外绝缘水平中的选择起着重要的作用。,等值附灰密度mg/cm2 ：与绝缘子表面单位面积上污秽物中不容于水的惰性物质的含量。,各污秽等级下的爬电比距分级数值,盘形绝缘子串在雨下的 可能闪络路径,在有污秽的地区，污闪所造成的损失很大，因它可在工作电压下发生，且引起大面积停电。常用
14、的防污措施： 增大泄漏距离。 定期或不定期的清扫。 使用憎水性涂料。 改用防污性能好的绝缘子。,防污措施,2.3.3 液体及固体介质的电气特性,电介质的电气特性，主要表现为它们在电场下的导电性能、介电性能和电气强度。常以下特征参数来表示：,电导率（或绝缘电阻率） 介电常数（或电容C） 介质损耗角正切（介质损耗因子）tg 击穿电场强度Eb。,（1）电介质极化,图10 极化现象示意图 (a) 极间为真空；(b) 极间为介质,A 电极面积（cm2） d 电极间距（cm）,插入介质平板电极的电容：,真空平板电极的电容：,定义 为介质的相对介电常数。,表 2 常用电介质的r值,一般气体的介电常数接近于1
15、,一般液体和固体的介电常数26之间，强极性液体除外,（2）电介质的电导,固体介质的电导包括两方面：体积电导及表面电导，后者受湿度、染污的影响更大。因此在测量固体绝缘结构的绝缘电阻时，应采取措施将表面电阻屏蔽。天气潮湿时表面电阻显著降低。,温度对电导有影响，因而在测量绝缘电阻时必须注意温度。同一物体在相近温度下的绝缘电阻的比较才能说明是否真有显著变化。,电介质有微弱的导电性能，电导率(西门子/米,Sm-1) 与电阻率成反比。,半导体,（3）电介质的损耗,绝缘介质在交流电压下的等值电路分析 (a)示意图 (b)等值电路 (c)相量图,在交流电压下，试品电流 包括有功分量 及无功分量,介质损耗,介质
16、损失角正切值与绝缘结构的形状及尺寸无关，仅取决于材料性能。因此国际上都直接用它来评估绝缘材料的质量，衡量绝缘结构的性能。,常用液、固体介质tg值（20，工频）,（4）电介质的击穿,如是极其纯净的液体及固体介质，发生电击穿电压将很高。,但工程电介质材料中不可避免地会含有一些杂质，如气泡、水分、纤维、炭粒等，它们对介质的击穿过程及击穿电压有很大影响。,电击穿：由于电场作用所直接引起。 热击穿：仅靠增加绝缘厚度以提高击穿电压已难以奏效。 电化学击穿：因长期局部放电而引起。,（5）组合绝缘的特性,对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学等性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合。 例如变压器的外绝缘由套管、周围的空气及其界面组成，而其内绝缘由纸、布
