第三章(液固擊穿)

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)邱巍邱巍電氣工程系電氣工程系輸電教研室輸電教研室High Voltage Technology第三章第三章 液體和固體介質(zhì)的電氣性能液體和固體介質(zhì)的電氣性能主要內(nèi)容主要內(nèi)容n液體電介質(zhì)的擊穿理論n影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素n提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法一、一、 常用的液體介質(zhì)常用的液體介質(zhì) 變壓器油、電容器油、電纜油等礦物油變壓器油、電容器油、電纜油等礦物油二、分類二、分類 純凈的液體電介質(zhì)純凈的液體電介質(zhì) 工程用液體電介質(zhì)工程用液體電介質(zhì) 三、擊穿機理不同三、擊穿機理不同 電擊穿理論電擊穿理論 氣泡擊穿理論氣泡擊穿理論 小橋擊穿理論小橋擊穿理論 3.2 液體電介質(zhì)的擊穿

2、液體電介質(zhì)的擊穿純凈液體的電擊穿理論純凈液體的電擊穿理論電擊穿：電擊穿：認為在電場作用下，陰極上認為在電場作用下，陰極上由于強場發(fā)射或熱發(fā)射出來的電子由于強場發(fā)射或熱發(fā)射出來的電子產(chǎn)生碰撞電離形成電子崩，最后導產(chǎn)生碰撞電離形成電子崩，最后導致液體擊穿致液體擊穿純凈液體的電擊穿理論純凈液體的電擊穿理論n氣泡擊穿：氣泡擊穿：認為液體分子由電子碰撞而產(chǎn)生氣泡，或在電場作用下因其它原因產(chǎn)生氣泡，由氣泡內(nèi)的氣體放電而引起液體擊穿。純凈液體的電擊穿理論純凈液體的電擊穿理論液體中氣泡產(chǎn)生的原因：液體中氣泡產(chǎn)生的原因：n電子流加熱液體介質(zhì)，分解出氣體；電子流加熱液體介質(zhì)，分解出氣體；n電子碰撞液體分子，使之解

3、離產(chǎn)生氣體；電子碰撞液體分子，使之解離產(chǎn)生氣體；n電極表面吸附的氣泡脫離出來；電極表面吸附的氣泡脫離出來；n電極上的凸起物上的電暈放電引起液體電極上的凸起物上的電暈放電引起液體氣化氣化氣泡擊穿機理氣泡擊穿機理n機理： 串聯(lián)介質(zhì)中，場強的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比。氣泡的 小于液體的 ，小于液體的 ，承擔比液體更 高的場強，而氣體耐電強度卻低，因此，氣泡先行電離。當電離的氣泡在電場氣泡先行電離。當電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生中堆積成氣體通道，擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生1rr非純凈液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論非純凈液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論n液體中的雜質(zhì)在電場力的作用下，在電場方向定向，

4、并逐漸沿電力線方向排列成 雜質(zhì)的“小橋”n水分及纖維等的電導大，引起泄漏電流增大、發(fā)熱增多，促使水分汽化、氣泡擴大 n液體電介質(zhì)最后在氣體通道中發(fā)生擊穿二二. 影響變壓器油擊穿電壓的因素影響變壓器油擊穿電壓的因素2. 電壓作用時間電壓作用時間3. 電場均勻度電場均勻度4. 溫度溫度油品質(zhì)的影響：含水量、含纖維量、含氣量油品質(zhì)的影響：含水量、含纖維量、含氣量5. 壓力壓力標準油杯標準油杯n判斷油的質(zhì)量，用標準油判斷油的質(zhì)量，用標準油杯測量油的工頻擊穿電壓。杯測量油的工頻擊穿電壓。n我國采用的標準油杯極間我國采用的標準油杯極間距離為距離為2.5mm，電極是電極是直徑等于直徑等于25mm的圓盤型的圓

5、盤型銅電極，電極的邊緣加工銅電極，電極的邊緣加工成半徑為成半徑為2.5mm的半圓的半圓以減弱邊緣效應(yīng)以減弱邊緣效應(yīng) 00.020.042040Ub(kV)含水量(%)標準油杯實驗標準油杯實驗含水量的影響含水量的影響液態(tài)水在油中的兩種狀態(tài)：n以分子狀態(tài)溶解于油中n以乳化狀態(tài)懸浮在油中n隨著溫度的變化而相互轉(zhuǎn)化0 80 n在電場的作用下，纖維形成“小橋 ”，使油的擊穿電壓降低n有很強的吸附水分的能力 ，聯(lián)合作用使擊穿電壓降低更為嚴重含纖維量的影響含纖維量的影響四、提高液體介質(zhì)擊穿電壓的方法四、提高液體介質(zhì)擊穿電壓的方法n提高并保持油的品質(zhì)提高并保持油的品質(zhì) n提高：去雜質(zhì)、水分、有機酸提高：去雜質(zhì)

6、、水分、有機酸:(制造時過濾制造時過濾) n去氣體去氣體:(制造時真空注油制造時真空注油)n保持：裝置吸附劑過濾器，可使正在運行的油不斷凈化保持：裝置吸附劑過濾器，可使正在運行的油不斷凈化 n2 覆蓋層覆蓋層n在金屬電極上貼固體絕緣薄層，可阻斷雜質(zhì)小橋在金屬電極上貼固體絕緣薄層，可阻斷雜質(zhì)小橋 n油本身品質(zhì)越差，電壓作用時間越長，效果越好。油本身品質(zhì)越差，電壓作用時間越長，效果越好。 n3 絕緣層絕緣層 n當覆蓋層厚度增大，本身承擔一定電壓時，成為絕緣層。當覆蓋層厚度增大，本身承擔一定電壓時，成為絕緣層。 n用在不均勻電場中，被覆在曲率半徑較小的電極上用在不均勻電場中，被覆在曲率半徑較小的電極

7、上 。n4 屏障屏障 n放在電極間油間隙中的固體絕緣板放在電極間油間隙中的固體絕緣板 n作用：割斷雜質(zhì)小橋的形成作用：割斷雜質(zhì)小橋的形成 n使另一側(cè)油隙的電場變均勻（不均勻場中）使另一側(cè)油隙的電場變均勻（不均勻場中） n在極不均勻場中效果明顯。面積應(yīng)足夠大在極不均勻場中效果明顯。面積應(yīng)足夠大 一一. 固體介質(zhì)擊穿的特點固體介質(zhì)擊穿的特點擊穿場強一般比氣體和液體電介質(zhì)高得多；擊穿場強一般比氣體和液體電介質(zhì)高得多；空氣空氣30kV/cm，變壓器油變壓器油120250 kV/cm，云母云母(電擊電擊穿穿)20003000kV/cm擊穿場強與電壓作用時間有很大的關(guān)系；擊穿場強與電壓作用時間有很大的關(guān)系

8、；絕緣是非自恢復(fù)的，一旦發(fā)生擊穿，其絕緣性能不絕緣是非自恢復(fù)的，一旦發(fā)生擊穿，其絕緣性能不能再自行恢復(fù)；能再自行恢復(fù)；4.2 固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿短時電壓短時電壓周期性過電壓周期性過電壓交流試驗電壓交流試驗電壓持續(xù)運行電壓持續(xù)運行電壓電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿電化學擊穿電化學擊穿10-610-31031106Ebt/s 二二. 擊穿理論擊穿理論電擊穿：電擊穿：在強電場下電介質(zhì)內(nèi)部電子劇烈運動，在強電場下電介質(zhì)內(nèi)部電子劇烈運動，發(fā)生碰撞電離，破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使發(fā)生碰撞電離，破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導增大而導致?lián)舸╇妼г龃蠖鴮е聯(lián)舸?。特點：特點：電壓作用時間短、擊穿電壓高

9、，電介質(zhì)發(fā)熱電壓作用時間短、擊穿電壓高，電介質(zhì)發(fā)熱不顯著；擊穿場強與電場均勻程度密切相關(guān)，而不顯著；擊穿場強與電場均勻程度密切相關(guān)，而與周圍環(huán)境溫度無關(guān)與周圍環(huán)境溫度無關(guān)。2. 熱擊穿：熱擊穿：由于固體介質(zhì)內(nèi)部熱不穩(wěn)定性造成由于固體介質(zhì)內(nèi)部熱不穩(wěn)定性造成。特點：特點：熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高而下降，熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高而下降，熱擊穿電壓直接與散熱條件有關(guān)熱擊穿電壓直接與散熱條件有關(guān)電壓作用下電壓作用下引起介質(zhì)損耗，引起介質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱使介質(zhì)發(fā)熱發(fā)熱大于散發(fā)熱大于散熱時，介質(zhì)溫熱時，介質(zhì)溫度不斷升高度不斷升高介質(zhì)分解、介質(zhì)分解、熔化、碳化熔化、碳化或燒焦或燒焦熱擊穿熱擊穿3. 電化學

10、擊穿：電化學擊穿：固體介質(zhì)在長期工作電壓下，由于固體介質(zhì)在長期工作電壓下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強度逐漸下降并引起的擊穿。氣強度逐漸下降并引起的擊穿。局部放電使電介質(zhì)劣化損傷的機理：局部放電使電介質(zhì)劣化損傷的機理：放電過程產(chǎn)生活性氣體放電過程產(chǎn)生活性氣體O3、NO、NO2等對介質(zhì)產(chǎn)生氧化和等對介質(zhì)產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，使介質(zhì)逐漸劣化；腐蝕作用，使介質(zhì)逐漸劣化；放電過程產(chǎn)生的帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫度上升，放電過程產(chǎn)生的帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫度上升，加速介質(zhì)氧化并使局部電導和介質(zhì)損耗增加；加速介質(zhì)氧化并使局部電導和介質(zhì)損

11、耗增加；帶電粒子撞擊還有可能破壞有機高分子材料結(jié)構(gòu)，使其裂帶電粒子撞擊還有可能破壞有機高分子材料結(jié)構(gòu)，使其裂解；解；放電產(chǎn)生的高能輻射線引起材料分解；放電產(chǎn)生的高能輻射線引起材料分解；刷狀樹枝刷狀樹枝灌木狀樹枝灌木狀樹枝聚乙烯中的樹枝化放電劣化聚乙烯中的樹枝化放電劣化三三. 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素1. 電壓作用時間電壓作用時間2. 電場均勻程度與介質(zhì)厚度電場均勻程度與介質(zhì)厚度3.溫度溫度4.受潮受潮5.累積效應(yīng)累積效應(yīng) 如果電壓作用時間很短（例如如果電壓作用時間很短（例如 0.1s以下），固體介質(zhì)的以下），固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當然也較高。隨著電

12、壓作用時擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當然也較高。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓下降，如果在加壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時才間的增長，擊穿電壓下降，如果在加壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時很難分引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時很難分清清,例如在工頻交流例如在工頻交流1min耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。和熱雙重作用的結(jié)果。1. 電壓作用時間電壓作用時間 處于均勻電場中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨處于均勻電場中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨厚度的增加近似地成線性增大；若在不均勻電場中，介質(zhì)厚度

13、厚度的增加近似地成線性增大；若在不均勻電場中，介質(zhì)厚度增加將使電場更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線增加將使電場更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當厚度增加到使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加性上升。當厚度增加到使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加厚度的意義就更小了。厚度的意義就更小了。2. 電場均勻程度與介質(zhì)厚度電場均勻程度與介質(zhì)厚度 常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時即使處于常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時即使處于均勻電場中，介質(zhì)內(nèi)部的電場分布也是不均勻的，最大電場均勻電場中，介質(zhì)內(nèi)部的電場分布也是不均勻的，最大電場強度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果

14、經(jīng)過真空干燥、強度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過真空干燥、真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。 固體介質(zhì)在某個溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這固體介質(zhì)在某個溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時的擊穿場強很高，且與溫度幾乎無關(guān)。超過某個溫度將發(fā)時的擊穿場強很高，且與溫度幾乎無關(guān)。超過某個溫度將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低；如果其周圍媒質(zhì)的溫生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低；如果其周圍媒質(zhì)的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。不同固體介度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。不同固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級是不同的，因此它們

15、由電擊穿轉(zhuǎn)為質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級是不同的，因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。3. 溫度溫度 對不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介對不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；容易吸潮的極性介質(zhì)質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；容易吸潮的極性介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時的百分之幾或更低。因為電導率和介質(zhì)損耗大大增加的緣時的百分之幾或更低。因為電導率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。故。4. 受潮受潮 固體介質(zhì)在不均勻電場中以

16、及在幅值不是很高的過電壓固體介質(zhì)在不均勻電場中以及在幅值不是很高的過電壓、特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并、特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時，局部損留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時，局部損傷會逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。它會導致固體介質(zhì)擊穿電傷會逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。它會導致固體介質(zhì)擊穿電壓的下降。壓的下降。5. 累積效應(yīng)累積效應(yīng)四四. 提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的措施提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的措施1. 改進制造工藝改進制造工藝2. 改進絕緣設(shè)計改進絕緣設(shè)計3. 改善運行條件改善運行條件 清除雜質(zhì)、水分、氣

17、泡；使介質(zhì)盡可能致密均勻清除雜質(zhì)、水分、氣泡；使介質(zhì)盡可能致密均勻 注意防潮、防塵；加強散熱注意防潮、防塵；加強散熱 采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)；改進電極形狀，使電場盡采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)；改進電極形狀，使電場盡可能均勻；改善電極與絕緣體的接觸狀態(tài)，消除可能均勻；改善電極與絕緣體的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙接觸處的氣隙五五. 絕緣老化絕緣老化 電氣設(shè)備的絕緣在運行過程中受到電、熱、化電氣設(shè)備的絕緣在運行過程中受到電、熱、化學和機械力的長期作用，導致其物理、化學、電氣學和機械力的長期作用，導致其物理、化學、電氣和機械等性能的劣化，稱為絕緣的老化。和機械等性能的劣化，稱為絕緣的老化。 1. 電老化電老化 (

18、電解電解,局部放電局部放電) 2. 熱老化熱老化 3. 固體介質(zhì)的機械應(yīng)力老化固體介質(zhì)的機械應(yīng)力老化 4. 固體介質(zhì)的環(huán)境老化固體介質(zhì)的環(huán)境老化 熱老化的熱老化的8規(guī)則規(guī)則4.4 組合絕緣的電氣強度組合絕緣的電氣強度一一. 介質(zhì)的組合原則介質(zhì)的組合原則組合目的：同時滿足電氣性能、機械性能、組合目的：同時滿足電氣性能、機械性能、熱性能的要求熱性能的要求配合原則：在外加電壓的作用下，組合絕緣中配合原則：在外加電壓的作用下，組合絕緣中各層絕緣所承受的電場強度與其電氣強度成正各層絕緣所承受的電場強度與其電氣強度成正比，這樣整個組合絕緣的電氣強度最高，各種比，這樣整個組合絕緣的電氣強度最高，各種絕緣材料

19、的利用最合理、最充分。絕緣材料的利用最合理、最充分。二二. “油屏障油屏障”式絕緣式絕緣以變壓器油為主要的絕緣介質(zhì)，在油隙中放置若干個屏障，以變壓器油為主要的絕緣介質(zhì)，在油隙中放置若干個屏障，廣泛用在電力變壓器、油斷路器、充油套管中。廣泛用在電力變壓器、油斷路器、充油套管中。三種不同的形式：覆蓋、絕緣層、屏障三種不同的形式：覆蓋、絕緣層、屏障1. 覆蓋覆蓋 緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層稱為覆蓋緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層稱為覆蓋作用：阻止雜質(zhì)小橋直接接觸電極，因而能有效限制泄漏作用：阻止雜質(zhì)小橋直接接觸電極，因而能有效限制泄漏電流，從而阻礙雜質(zhì)小橋擊穿過程的發(fā)展。電流，從而

20、阻礙雜質(zhì)小橋擊穿過程的發(fā)展。2. 絕緣層絕緣層 當覆蓋的厚度增大到能分擔一定電壓時，即成為絕緣層，當覆蓋的厚度增大到能分擔一定電壓時，即成為絕緣層，作用：像覆蓋層那樣減小雜質(zhì)的有害影響作用：像覆蓋層那樣減小雜質(zhì)的有害影響;降低電極表面附降低電極表面附近的最大電場強度近的最大電場強度3. 屏障屏障如果在油隙中放置尺寸較大、形狀與電極相適應(yīng)層壓紙板如果在油隙中放置尺寸較大、形狀與電極相適應(yīng)層壓紙板（筒）或?qū)訅翰及澹ㄍ玻┢琳希ㄍ玻┗驅(qū)訅翰及澹ㄍ玻┢琳献饔茫鹤璧K雜質(zhì)小橋的形成；攔住一部分帶電粒子，使原作用：阻礙雜質(zhì)小橋的形成；攔住一部分帶電粒子，使原有電場變得比較均勻有電場變得比較均勻相鄰屏障的距離不

21、能太小，屏障的總厚度也不能取得太大相鄰屏障的距離不能太小，屏障的總厚度也不能取得太大三三. 油紙絕緣油紙絕緣油紙絕緣是以固體介質(zhì)為主體的組合絕緣，液體只是用作油紙絕緣是以固體介質(zhì)為主體的組合絕緣，液體只是用作填充填充空隙的浸漬劑?？障兜慕n劑。廣泛用于電纜、電容器、電容式套管等電力設(shè)備中。廣泛用于電纜、電容器、電容式套管等電力設(shè)備中。缺點是：散熱條件差、易受污染、受潮。缺點是：散熱條件差、易受污染、受潮。四四. 組合絕緣中的電場分析組合絕緣中的電場分析1 . 均勻電場雙層介質(zhì)均勻電場雙層介質(zhì)11E22EUd1d2d2211EE2211dEdEU)/(221111ddUE)/(221122ddU

22、E212221)(ddUE12Edd不變，油紙絕緣中，令油紙絕緣中，令 代表油層參數(shù)，代表油層參數(shù)， 代表浸漬紙參數(shù)，浸漬紙的電氣強度比代表浸漬紙參數(shù)，浸漬紙的電氣強度比油大得多在交流電壓下，電壓按介電常數(shù)反比分配，油大得多在交流電壓下，電壓按介電常數(shù)反比分配，則則 ，電場分布不合理；，電場分布不合理；在直流電壓下，電壓按電導率反比分配，在直流電壓下，電壓按電導率反比分配，則則 ，電場分布合理，電場分布合理，同一根電纜在直流下的耐壓遠高于交流耐壓（約同一根電纜在直流下的耐壓遠高于交流耐壓（約3倍）倍）111E、222E、1212,EE 1212,EE 2 . 分階絕緣分階絕緣分階絕緣是指由介電

23、常數(shù)不同的多層介質(zhì)絕緣分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層介質(zhì)絕緣構(gòu)成的組合絕緣構(gòu)成的組合絕緣分階原則是對越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電分階原則是對越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越大的材料，以達到電場均勻化的目的。常數(shù)越大的材料，以達到電場均勻化的目的。0rRUERr0r0maxEminE單相圓芯均勻介質(zhì)電纜：單相圓芯均勻介質(zhì)電纜：0lnrRrUE 00maxlnrRrUE0rRUEav平均場強：平均場強：000maxlnrRrRrEEav利用系數(shù)：利用系數(shù)：0r2rRUERr0r2r012max2Emax1Emin2Emin1E2r分階半徑分階半徑：20rrr2202111ln1ln1rRrrr

24、UE:2Rrr2202122ln1ln1rRrrrUE例題例題:用多層介質(zhì)計算絕緣材料中含氣泡時，氣泡用多層介質(zhì)計算絕緣材料中含氣泡時，氣泡 中電場增加的倍數(shù)。中電場增加的倍數(shù)。 設(shè)絕緣層的相對介電常數(shù)為設(shè)絕緣層的相對介電常數(shù)為 1；氣泡的；氣泡的相對介電相對介電 常數(shù)為常數(shù)為1 1；外加交流電壓為；外加交流電壓為U U，絕緣層和氣泡中絕緣層和氣泡中 電場分別為電場分別為E E1 1和和E E2 2，電極距離為電極距離為d d，氣泡直徑為氣泡直徑為r r解題解題：d1=d-r；d2=r； E = U/d； E2 = 1U/( 1d2 + 2d1)= 1U/（ 1-1）r +d 增加的倍數(shù)：增加的倍數(shù)：( (