液體與固體電介質的擊穿特性

1、 電氣安全與電氣試驗電氣安全與電氣試驗第三章第三章 液體和固體電介質的擊穿特性液體和固體電介質的擊穿特性液體、固體電介質的電氣強度比常壓下的空氣高很液體、固體電介質的電氣強度比常壓下的空氣高很多，用它們作為絕緣介質，可以大大縮小導體間的多，用它們作為絕緣介質，可以大大縮小導體間的絕緣距離，從而減小電氣設備的體積絕緣距離，從而減小電氣設備的體積液體、固體電介質是電氣設備內絕緣的主要絕緣材液體、固體電介質是電氣設備內絕緣的主要絕緣材料料外絕緣屬于自恢復絕緣外絕緣屬于自恢復絕緣，內絕緣屬于，內絕緣屬于非自恢復絕緣非自恢復絕緣內絕緣的電氣強度是用其所能耐受住的內絕緣的電氣強度是用其所能耐受住的試驗電壓

2、來試驗電壓來衡量的衡量的，試驗電壓是根據(jù)系統(tǒng)可能的過電壓水平而，試驗電壓是根據(jù)系統(tǒng)可能的過電壓水平而選定的選定的3.1液體電介質的擊穿特性液體電介質的擊穿特性液體電介質的擊穿機理液體電介質的擊穿機理影響液體電介質擊穿電壓的因素影響液體電介質擊穿電壓的因素提高液體電介質擊穿電壓的方法提高液體電介質擊穿電壓的方法液體電介質不僅具有較高的電氣強度，而且它的流液體電介質不僅具有較高的電氣強度，而且它的流動性使其還具有動性使其還具有散熱和滅弧作散熱和滅弧作用，同時可以與固體用，同時可以與固體介質結合，填充固體電介質的空隙，從而大大提高介質結合，填充固體電介質的空隙，從而大大提高絕緣的局部放電起始電壓和絕

3、緣的電氣強度絕緣的局部放電起始電壓和絕緣的電氣強度液體介質主要有天然的礦物油（變壓器油、電容器液體介質主要有天然的礦物油（變壓器油、電容器油和電纜油）和人工合成油（硅油）油和電纜油）和人工合成油（硅油）一、液體電介質的擊穿理論一、液體電介質的擊穿理論純凈的液體電介質：純凈的液體電介質： 電擊穿理論；電擊穿理論； 氣泡擊穿理論。氣泡擊穿理論。 工程用液體電介質：氣泡小橋擊穿理論；工程用液體電介質：氣泡小橋擊穿理論；(一) 電擊穿理論 在外電場足夠強時，電子在碰撞液體分子可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時正離子在陰極附近形成空間電荷層增強了陰極附近的電場，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導致液體介

4、質擊穿。液體密度比氣體密度大得多，電子的平均自由行液體密度比氣體密度大得多，電子的平均自由行程很小，必須大大提高場強才開始碰撞電離。所程很小，必須大大提高場強才開始碰撞電離。所以液體電介質的擊穿場強比氣體的要高很多以液體電介質的擊穿場強比氣體的要高很多(二)氣泡擊穿理論（小橋理論） 液體中出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質中電場強度的分布與介質的r 成反比。由于氣泡的r 最小，其電氣強度又比液體介質低很多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導致氣體通道擴大。許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿

5、就可能在此通道中發(fā)生。（三）工程用變壓器油的擊穿過程及其特點 可用氣泡擊穿理論來解釋擊穿過程，它依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣泡通道擴大并積聚成小橋，有熱的過程，屬于熱擊穿的范疇。 由于水和纖維的r很大，易沿電場方向極化定向，并排列成雜質小橋。 發(fā)生兩種情況： (1)雜質小橋尚未接通電極時，則纖維等雜質與油串聯(lián)，由于纖維的r大以及含水分纖維的電導大，使其端部油中電場強度顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴大，電離增強，這樣下去必然會出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。 (2)如果雜質小橋尚未接通電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發(fā)熱會促使汽化，氣泡擴大，發(fā)展下去會出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊

6、穿。二、影響液體電介質擊穿電壓的因素二、影響液體電介質擊穿電壓的因素 變壓器油的工頻擊穿電壓和含水量的關系 1. 1. 雜質（懸浮水、纖維）雜質（懸浮水、纖維） 雜質的存在將極大地降低液體的擊穿電壓。電場越均勻、電壓作用時間越長，雜質的影響越大。微量水分與變壓器油的擊穿電壓關系如圖n耐壓試驗耐壓試驗用標準油杯來檢查油的質用標準油杯來檢查油的質量量平板電極間電場均勻，油平板電極間電場均勻，油中稍有受潮、含雜，擊穿電壓中稍有受潮、含雜，擊穿電壓就明顯下降就明顯下降規(guī)程規(guī)定：對于變壓器油規(guī)程規(guī)定：對于變壓器油，在此油杯中的工頻擊穿電壓，在此油杯中的工頻擊穿電壓要求在要求在25 40kv以上以上(與設

7、備的與設備的額定電壓有關額定電壓有關)；電纜和電容器；電纜和電容器的用油，在油杯中的擊穿電壓的用油，在油杯中的擊穿電壓常要求在常要求在50或或 60kv以上以上 水在變壓器油中有兩種狀態(tài)： 溶解狀態(tài):高度分散、且分布非常均勻； 懸浮狀態(tài):呈水珠狀一滴一滴懸浮在油中。2. 2. 溫度溫度標準油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關系1-干燥的油； 2-受潮的油 水分在液體中的存在形式受溫度的影響，隨著溫度的升高，水分從冰逐漸轉變?yōu)閼腋顟B(tài)的水滴、溶解狀態(tài)的水和水蒸氣。當水處于溶解狀態(tài)時，對液體的影響最小。3 電場均勻度優(yōu)質油：保持油不變，而改善電場均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊

8、擊穿電壓。品質差的油：改善電場對于提高其工頻擊穿電壓的效果較差。在沖擊電壓下，由于雜質來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質好壞幾乎無關。4. 電壓作用時間電壓作用時間稍不均勻電場中變壓器油的伏秒特性曲線 電壓作用時間越短，液體的擊穿電壓越高，因為形成雜質“小橋”需要時間。在電壓作用時間短至幾個微秒時擊穿電壓很高，擊穿有時延特性，屬電擊穿；電壓作用時間為數(shù)十到數(shù)百微秒時，雜質的影響電壓作用時間為數(shù)十到數(shù)百微秒時，雜質的影響還不能顯示出來，仍為電擊穿，這時影響油隙擊還不能顯示出來，仍為電擊穿，這時影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度；穿電壓的主要因素是電場

9、的均勻程度； 電壓作用時間更長時，雜質開始聚集，油隙的擊電壓作用時間更長時，雜質開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為穿開始出現(xiàn)熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。熱擊穿。5、油壓的影響 不論電場均勻度如何，工業(yè)純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因為油中氣泡的電離電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故。三、提高液體電介質擊穿電壓的方法三、提高液體電介質擊穿電壓的方法1. 1. 提高以及保持油的品質提高以及保持油的品質采用過濾等手段消除液體中的雜質，并且防止液體與空氣接觸從采用過濾等手段消除液體中的雜質，并且防止液體與空氣接觸從空氣中吸收水分。該方法能

10、夠避免形成雜質空氣中吸收水分。該方法能夠避免形成雜質“小橋小橋”，從而達到提高擊，從而達到提高擊穿電壓的目的。穿電壓的目的。2. 2. 復蓋層復蓋層在金屬表面緊貼一層固體絕緣薄層，使在金屬表面緊貼一層固體絕緣薄層，使“小橋小橋”不能直接接觸電不能直接接觸電極，從而在很大程度上減小了泄漏電流，阻斷了極，從而在很大程度上減小了泄漏電流，阻斷了“小橋小橋”熱擊穿的發(fā)展。熱擊穿的發(fā)展。適用于油本身品質較差，電場較均勻、電壓作用時間較長的情況。在變適用于油本身品質較差，電場較均勻、電壓作用時間較長的情況。在變壓器中常利用較薄的絕緣紙包裹高壓引線和繞組導線。壓器中常利用較薄的絕緣紙包裹高壓引線和繞組導線。

11、3. 3. 絕緣層絕緣層在金屬電極表面緊貼較厚的固體絕緣層。因該固體的介電常數(shù)大在金屬電極表面緊貼較厚的固體絕緣層。因該固體的介電常數(shù)大于液體介質，從而減小了電極附近的電場強度，防止電極附近局部放電于液體介質，從而減小了電極附近的電場強度，防止電極附近局部放電的發(fā)生；適用于不均勻電場。在變壓器中常在高壓引線和屏蔽環(huán)包裹較的發(fā)生；適用于不均勻電場。在變壓器中常在高壓引線和屏蔽環(huán)包裹較厚的絕緣層。厚的絕緣層。4. 4. 屏障屏障是放置在電極間油隙中的固體絕緣板。它能機械地阻隔雜質是放置在電極間油隙中的固體絕緣板。它能機械地阻隔雜質“小小橋橋”成串，而且能夠在不均勻電場中起到聚集空間電荷、改善電場分

12、布成串，而且能夠在不均勻電場中起到聚集空間電荷、改善電場分布的作用。適用于均勻電場和不均勻電場中電壓作用時間較長的情況。對的作用。適用于均勻電場和不均勻電場中電壓作用時間較長的情況。對于作用時間很短的沖擊電壓，則通過阻擋光子的傳播來阻礙流注的發(fā)展，于作用時間很短的沖擊電壓，則通過阻擋光子的傳播來阻礙流注的發(fā)展，提高沖擊擊穿電壓。在變壓器中常利用絕緣板做成圓筒、圓環(huán)等形狀，提高沖擊擊穿電壓。在變壓器中常利用絕緣板做成圓筒、圓環(huán)等形狀，放置在鐵芯與繞組、低壓繞組與高壓繞組之間，并且常放置多個，將油放置在鐵芯與繞組、低壓繞組與高壓繞組之間，并且常放置多個，將油隙分成幾個小油隙。隙分成幾個小油隙。3.

13、2固體電介質的擊穿特性固體電介質的擊穿特性固體電介質的擊穿機理固體電介質的擊穿機理影響固體電介質擊穿電壓的因素影響固體電介質擊穿電壓的因素提高固體電介質擊穿電壓的方法提高固體電介質擊穿電壓的方法n氣、固、液三種電介質中，固體密度最大，耐電強度最高空氣的耐電強度一般在3 4 kV/mm左右；液體的耐電強度在10 20 kV/mm；固體的耐電強度在十幾 幾百kV/mmn固體電介質的擊穿過程最復雜，且擊穿后是唯一不可恢復的絕緣n普遍規(guī)律：任何介質的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場的集中，也可指介質的不均勻性一、 擊穿機理（1）電擊穿理論n電擊穿理論建立在固體電介質中發(fā)生

14、電擊穿理論建立在固體電介質中發(fā)生碰撞電離碰撞電離基礎上，固體電基礎上，固體電介質中存在少量傳導電子，在電場加速下與晶格結點上的原子介質中存在少量傳導電子，在電場加速下與晶格結點上的原子碰撞，從而導致?lián)舸┡鲎?，從而導致?lián)舸╇姄舸┑碾姄舸┑奶攸c特點：電壓作用時間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與環(huán)：電壓作用時間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與環(huán)境溫度無關，與電場均勻程度有密切關系，與電壓作用時間關境溫度無關，與電場均勻程度有密切關系，與電壓作用時間關系很小。系很小。當固體電介質的介質損耗很小、有良好的散熱條件，且內部不當固體電介質的介質損耗很小、有良好的散熱條件，且內部不存在局部放電，這種情況下發(fā)生的擊穿通常是

15、電擊穿。其擊穿存在局部放電，這種情況下發(fā)生的擊穿通常是電擊穿。其擊穿場強一般可達場強一般可達105106kVm 。 擊穿理論（2）熱擊穿理論介質內部的熱不平衡過程所造成的。電導電流和介質極化引起介質損耗，使介質發(fā)熱，介質溫度升高，而介質的電導率隨溫度的升高而急劇增大，所以電流進一步增大，損耗、發(fā)熱也隨之增加。發(fā)熱和散熱的不平衡導致。熱擊穿的特點：擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高按指數(shù)規(guī)律降低；擊穿電壓與散熱條件有關，如介質厚度大，則散熱困難，因此擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加；當電壓頻率增大時，擊穿電壓將下降；擊穿電壓與電壓作用時間有關。擊穿理論（3）電化學擊穿理論介質劣化的結果。介質的局部區(qū)域發(fā)生

16、局部放電，這種放電并不立即形成貫穿性通道，而是非完全擊穿，它使介質引起化學離解，形成樹枝狀通道，這些樹枝狀通道，隨時間推移不斷伸長，使絕緣進一步劣化，最終發(fā)展到整個電介質擊穿。電化學擊穿的特點：由于它是絕緣性能下降之后發(fā)生的擊穿，因此擊穿電壓比電擊穿和熱擊穿低。電化學擊穿不發(fā)生在很高電壓下，而是在較低電壓下甚至是工作電壓下發(fā)生。二、影響固體介質擊穿電壓主要因素二、影響固體介質擊穿電壓主要因素n電壓作用時間電壓作用時間n場均勻程度場均勻程度n 溫度溫度n電壓種類電壓種類n累積效應累積效應n受潮受潮n機械負荷機械負荷三、提高固體電介質擊穿電壓的方法三、提高固體電介質擊穿電壓的方法n改進絕緣設計改進

17、絕緣設計如采取合理的絕緣結構，使各部分絕緣的耐電強度能與共所承擔的場強有適當?shù)呐浜希桓纳齐姌O形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻，把邊緣效應減到最?。桓纳齐姌O與絕緣體的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差。n改進制造工藝改進制造工藝清除固體電介質中殘留的雜質、氣泡、水分等n改善運行條件改善運行條件 注意防潮，加強散熱冷卻等。3.3組合絕緣的擊穿特性組合絕緣的擊穿特性電介質的組合原則電介質的組合原則組合絕緣的特點組合絕緣的特點利用組合絕緣調整電場的方法利用組合絕緣調整電場的方法 對高壓電氣設備絕緣的要求是多方面的，除了必須有優(yōu)異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機械性能及其

18、他物理-化學性能，單一品質電介質往往難以同時滿足這些要求，所以實際絕緣一般采用多種電介質的組合：例如變壓器的外絕緣由套管的外瓷套和周圍的空氣組成，而其內絕緣更是由紙、布、膠木筒、聚合物、變壓器油等固體和液體介質聯(lián)合組成。復合絕緣體：不同的絕緣體組合起來使用。一方面，復合絕緣相互彌補弱點，得到更高的擊穿場強；另一方面，實用絕緣結構很難使用單一絕緣。一、電介質的組合原則一、電介質的組合原則常見的復合絕緣體：由多種電介質構成的層疊絕緣常見的復合絕緣體：由多種電介質構成的層疊絕緣理想的電壓分布：各層電介質承受的場強與該層介理想的電壓分布：各層電介質承受的場強與該層介質的耐電強度成正比，這樣整個組合絕緣

19、的電氣質的耐電強度成正比，這樣整個組合絕緣的電氣強度最高，各層絕緣材料的利用也最合理、最充強度最高，各層絕緣材料的利用也最合理、最充分。分。一、電介質的組合原則一、電介質的組合原則一、電介質的組合原則一、電介質的組合原則v交流電壓、沖擊電壓下，各層介質所分擔的電壓與其電容成反比，亦即場強與各層介質介電常數(shù)成反比：E1/E2=2/1則E1 1= E2 2，各層Eb1 1值小的先擊穿，且一般氣體、液體、固體介電常數(shù)大的擊穿場強也大，所以擊穿難易程度為：氣體、液體、固體。一、電介質的組合原則一、電介質的組合原則直流電壓下，直流電壓下，各層絕緣分擔的電壓與其絕緣電阻各層絕緣分擔的電壓與其絕緣電阻成正比

20、，亦即成正比，亦即場強與各層電導率場強與各層電導率成反比：成反比：E1/E2=2/ 1則則E11= E22 ，各層，各層Eb1 1值小的先擊穿，由電導率決值小的先擊穿，由電導率決定。定。二、組合絕緣的特點二、組合絕緣的特點1、“油屏障油屏障”式絕緣式絕緣 油浸電力變壓器主絕緣采用的是“油-屏障”式絕緣結構，在這種組合絕緣中以變壓器油作為主要的電介質，在油隙中放置若干個屏障是為了改善油隙中的電場分布和阻止貫通性雜質小橋的形成。一般能將電氣強度提高3050。二、組合絕緣的特點二、組合絕緣的特點2、絕緣層當覆蓋的厚度增大到能分擔一定的電壓，即成為絕緣層，一般為數(shù)毫米到數(shù)十毫米，它能降低最大電場強度，

21、提高油隙的工頻擊穿電壓和沖擊擊穿電壓。3、屏障放置層壓紙板或壓布板做屏障。在極不均勻電場中采用屏障可使油隙的工頻擊穿電壓提高到無屏障時的2倍或更高。二、組合絕緣的特點二、組合絕緣的特點2、油紙絕緣、油紙絕緣 電氣設備中使用的絕緣紙(包括紙板)纖維間含有大量的空隙，因而干紙的電氣強度是不高的，用絕緣油浸漬后，整體絕緣性能可大大提高。 油紙絕緣則是以固體介質為主體的組合絕緣，液體介質只是用作充填空隙的浸漬劑，因此這種組合絕緣的擊穿場強很高，但散熱條件較差.二、組合絕緣的特點二、組合絕緣的特點 絕緣紙和絕緣油的配合互補，使油紙組合絕緣的擊穿場強可達500600kVcm，大大超過了各組成成分的電氣強度

22、(油的擊穿場強約為200kVcm，而干紙只有100150kVcm)。 各種各樣的油紙絕緣目前廣泛應用于電纜、電容器、電容式套管等電力設備中。油紙絕緣的最大缺點:易受污染(包括受潮)因為纖維素是多孔性的極性介質，很易吸收水分。即使經(jīng)過細致的真空干燥、浸漬處理并浸在油中，它仍將逐漸吸潮和劣化。三、利用組合絕緣調整電場的方法三、利用組合絕緣調整電場的方法超高壓交流電纜常為單相圓芯結構，由于其絕緣層較厚，一般采用分階結構，以減小纜芯附近的最大電場強度。 所謂分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層絕緣構成的組合絕緣。 分階原則是對越靠近纜芯的內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。如： 內層絕緣采用高密度的薄紙(紙的纖維含量高，質地致密)，其介電常數(shù)較大，擊穿場強也較大