《高電壓技術(shù)系列》-固體、液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度講解材料

第四章固體、液體和組合絕緣的

電氣強(qiáng)度★三態(tài)電介質(zhì)的耐電特性√普遍規(guī)律：任何介質(zhì)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(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性。√擊穿特性：●一般情況下，在氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度也最高。●固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一非自恢復(fù)的絕緣。1√電氣強(qiáng)度：

●空氣：一般在30～40kV/cm

●液體：一般在100～200kV/cm

●固體：一般幾百～幾千kV/cm2§4-1固體電介質(zhì)擊穿的機(jī)理

在電場(chǎng)的作用下，固體介質(zhì)的擊穿可能因電過程、熱過程和電化學(xué)過程而引起。

實(shí)際電氣設(shè)備中的固體介質(zhì)擊穿過程是錯(cuò)綜復(fù)雜的，它不僅取決于介質(zhì)本身的特性，還與絕緣結(jié)構(gòu)型式、電場(chǎng)均勻性、外加電壓波形和加電壓時(shí)間以及工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）等多種因素有關(guān)，因此要用多種理論來說明其擊穿過程。

常用的有機(jī)絕緣材料在工作電壓作用下，會(huì)產(chǎn)生電離、老化等過程，從而使其電氣強(qiáng)度大幅度下降。因此，對(duì)這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時(shí)耐電特性，而且要重視它們?cè)陂L(zhǎng)期工作電壓作用下的耐電性能。3√固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分（四個(gè)區(qū)域）

●區(qū)域A：<10μs，電擊穿●區(qū)域B：10μs～0.2s，電擊穿

●區(qū)域C：>0.2s，熱擊穿

●區(qū)域D：數(shù)十小時(shí)，電化學(xué)擊穿電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系4√電擊穿的影響因素●時(shí)間影響：電壓作用時(shí)間短，擊穿電壓高?！窠橘|(zhì)特性：如果介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其它缺陷，對(duì)電場(chǎng)造成畸變，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低?！耠妶?chǎng)均勻度：電場(chǎng)的均勻程度影響極大?！窭鄯e效應(yīng)：在極不均勻電場(chǎng)及沖擊電壓作用下，介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，不完全擊穿導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降的效應(yīng)稱累積效應(yīng)。介質(zhì)擊穿電壓會(huì)隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降?！駸o關(guān)因素：電擊穿電壓和介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素都無關(guān)。6二、熱擊穿

√熱擊穿的發(fā)展過程：熱擊穿是由于固體介質(zhì)內(nèi)熱不穩(wěn)定過程造成的。當(dāng)固體介質(zhì)較長(zhǎng)期地承受電壓的作用時(shí)，會(huì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，與此同時(shí)也向周圍散熱，如果周圍環(huán)境溫度低，散熱條件好，發(fā)熱與散熱將在一定條件下達(dá)到平衡，這時(shí)固體介質(zhì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，介質(zhì)溫度不會(huì)不斷上升而導(dǎo)致絕緣的破壞。但是，如果發(fā)熱大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷上升，導(dǎo)致介質(zhì)分解、熔化、炭化或燒焦，從而發(fā)生熱擊穿。7

√熱擊穿的擊穿電壓與溫度關(guān)系顯著

●在B范圍內(nèi)：熱擊穿，擊穿電壓隨溫度增加而下降。

●在A范圍內(nèi)：電擊穿，擊穿電壓和介質(zhì)溫度無關(guān)。8

√熱擊穿的理論分析

●電介質(zhì)發(fā)熱曲線1,2,3對(duì)應(yīng)于電壓U1＞U2＞U3●直線4散出的熱量Q與介質(zhì)中溫度tm的關(guān)系9

●稱ta為穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)

●稱tb為不穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)10

√熱擊穿的特點(diǎn)●受周圍媒質(zhì)溫度的影響：t0升高熱擊穿電壓下降。●與絕緣厚度的關(guān)系：熱擊穿電壓隨絕緣厚度的增加而降低。●導(dǎo)熱系數(shù)、散熱系數(shù)增大，擊穿電壓上升。●f或tanδ增大會(huì)造成發(fā)熱增加，使曲線1、2、3上移，臨界擊穿電壓下降。11三、電化學(xué)擊穿

√電化學(xué)擊穿的概念固體介質(zhì)在長(zhǎng)期工作電壓的作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣發(fā)生不可逆劣化、電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處溫度過高而以熱擊穿形式完成，也可以因介質(zhì)劣化后電氣強(qiáng)度下降而以電擊穿形式完成。12

√局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強(qiáng)度下降的主要原因：●放電過程產(chǎn)生的活性氣體O3、NO、NO2等對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生氧化和腐蝕作用?！穹烹娺^程有帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫度上升、加速介質(zhì)氧化并使局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增加?！駧щ娏Ｗ拥淖矒暨€可能切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。13√電化學(xué)擊穿電壓的大小與加電壓時(shí)間的關(guān)系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。一般來說，無機(jī)絕緣材料耐局部放電的性能較好。14§4-2影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素●電壓作用時(shí)間●溫度的影響●電場(chǎng)均勻度和介質(zhì)厚度的關(guān)系●電壓頻率的影響●受潮度的影響●機(jī)械力的影響●多層性的影響●積累效應(yīng)的影響15§4-3提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法√改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)●采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部件絕緣的耐電強(qiáng)度與其承擔(dān)的場(chǎng)強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜?。●?duì)多層性絕緣結(jié)構(gòu)，可充分利用中間多層電容屏的均壓作用?！窀纳齐姌O形狀及表面光潔度，盡可能使電場(chǎng)分布均勻，把邊緣效應(yīng)減到最小?！窀纳齐姌O與絕緣體的接觸條件，消除接觸氣隙，或使接觸氣隙不承受電位差?！窀倪M(jìn)密封結(jié)構(gòu)，確?？煽棵芊?。16√改進(jìn)制造工藝●盡可能地清除固體介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使固體介質(zhì)盡可能均勻致密，可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強(qiáng)浸漬等方法達(dá)到。17√改進(jìn)運(yùn)行條件●注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強(qiáng)散熱冷卻（如自然通風(fēng)、強(qiáng)迫通風(fēng)、氫冷、油冷、水內(nèi)冷等）。18§4-5液體電介質(zhì)擊穿的機(jī)理一、概述√液體介質(zhì)礦物油:從石油中提煉的多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔?如:變壓器油、電容器油、電纜油等。合成油:十二烷基苯應(yīng)用于充油電纜和浸漬電容器；有機(jī)硅油、異丙基聯(lián)苯等。19√耐電強(qiáng)度：比氣體高且具有散熱作用?！虛舸├碚撗芯楷F(xiàn)狀：不及氣體介質(zhì)，尚缺乏完善化√擊穿機(jī)理分類●純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理●工程用液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理☆電擊穿理論☆氣泡擊穿理論20二、純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理√電擊穿理論●電擊穿過程

當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，在陰極產(chǎn)生的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射的電子將被電場(chǎng)加速而具有足夠的功能，在碰撞液體分子時(shí)可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。與此同時(shí)，由碰撞電離產(chǎn)生的正離子將在陰極附近集結(jié)形成空間電荷層，增強(qiáng)了陰極附近的電場(chǎng)，使陰極機(jī)發(fā)射的電子數(shù)增多；當(dāng)外加電壓增大到一定程度時(shí)，電子崩電流會(huì)急劇增大，從而導(dǎo)致液體介質(zhì)的擊穿。21●電擊穿的特點(diǎn)☆液體密度增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)增大；☆溫度升高時(shí)液體膨脹，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；☆液體介質(zhì)的沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)；22√氣泡擊穿理論●重要結(jié)論：在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度的分布是與介質(zhì)的成反比。●氣泡擊穿過程

由于氣泡的最小，并且其電氣強(qiáng)度又比液體介質(zhì)低得多，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(jìn)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(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大。如果許多電離的氣泡在電場(chǎng)中排列成氣體小橋（通道），擊穿就可能在此通道中發(fā)生。23●氣泡擊穿的特點(diǎn)

如果液體介質(zhì)的擊穿因氣體小橋而引起，那么增強(qiáng)液體的壓力，就可使其擊穿場(chǎng)強(qiáng)有所提高。因此，在高壓充油電纜中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。24三、工程用液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理氣泡理論可推廣到其他懸浮物所引起的擊穿，用來解釋工程用變壓器油的擊穿過程。工程用變壓器油是有雜質(zhì)的，這些雜質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率均與變壓器油不同，從而會(huì)畸變油中電場(chǎng)，影響油的擊穿。工程用變壓器是含有雜質(zhì)的，這不僅是因?yàn)橥耆宄椭须s質(zhì)極其困難，還因?yàn)橛秃痛髿饨佑|時(shí)會(huì)逐漸氧化、并從大氣中吸收氣體和水分；況且在設(shè)備制造過程中也會(huì)有雜質(zhì)混入，例如紙或布等纖維脫落到油中；在運(yùn)行中油質(zhì)劣化也會(huì)分解出氣體、水分和聚合物?！坦こ逃靡后w電介質(zhì)的雜質(zhì)25由于水和纖維的很大，很易沿電場(chǎng)方向極化定向，并排列成雜質(zhì)小橋。這時(shí)會(huì)發(fā)生兩種情況：（1）雜質(zhì)小橋尚未接通電極，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于纖維大以及含水分纖維的電導(dǎo)大，使其端部油中電場(chǎng)顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴(kuò)大，電離增強(qiáng)，這樣下去必然會(huì)出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。（2）如果雜質(zhì)小橋接通電極，因小橋的電導(dǎo)大而導(dǎo)致泄漏電流增大，發(fā)熱會(huì)促使水分汽化，氣泡擴(kuò)大，發(fā)展下去也會(huì)出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿?！虛舸┻^程26√工業(yè)用變壓器油的擊穿特點(diǎn)☆在均勻電場(chǎng)中，當(dāng)工頻電壓升高到某值時(shí)，油中可能出現(xiàn)一個(gè)火花放電，但旋即消失，油又恢復(fù)其電氣強(qiáng)度；☆電壓再增油中又可能出現(xiàn)火花，但可能又旋即消失；☆這樣反復(fù)多次，最后才會(huì)發(fā)生穩(wěn)定的擊穿。27√判斷變壓器油的質(zhì)量☆測(cè)量變壓器油的電氣強(qiáng)度、tanδ和含水量，其中最重要的試驗(yàn)是用標(biāo)準(zhǔn)油杯測(cè)量油的工頻擊穿電壓。28額定電壓等級(jí)（kV）用標(biāo)準(zhǔn)油杯測(cè)得的工頻擊穿電壓有效值（kV）新油，不低于運(yùn)行中的油，不低于15及以下252020~35353063~220403533050455006050☆我國(guó)規(guī)定不同電壓等級(jí)電氣設(shè)備中所用變壓器油的電氣強(qiáng)度☆變壓器油在極距為2.5mm的標(biāo)準(zhǔn)油杯中的擊穿電壓約20~60kV之間，相應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)有效值應(yīng)為80~240kV/cm，這比空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（30kV（峰值）/cm=21kV（有效值）/cm）高得多。29§4-6影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素一、液體介質(zhì)本身品質(zhì)的影響√化學(xué)成分☆礦物油中各種成分含量的比例對(duì)油的理化性能有一定的影響，而對(duì)油的短時(shí)耐電強(qiáng)度則沒有明顯的影響?！毯?0.020.042040Ub(kV)含水量(%)☆標(biāo)準(zhǔn)油杯中，常溫下變壓器油的工頻擊穿電壓有效值與含水量的關(guān)系30√含纖維量☆當(dāng)油中有纖維存在時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，纖維將沿著電力線方向定向排列，形成“小橋”，使油的擊穿電壓大為降低。纖維有很強(qiáng)的吸附水分的能力，纖維與水分的聯(lián)合作用對(duì)擊穿電壓影響強(qiáng)烈?！毯剂俊罴?xì)而分散的炭粒對(duì)油的耐電強(qiáng)度的影響并不顯著，但炭粒逐漸沉淀到電氣設(shè)備的固體介質(zhì)表面，形成油泥，則易造成油中沿固體介質(zhì)表面的放電，同時(shí)也影響散熱?！毯瑲饬?1二、電壓作用時(shí)間的影響100Ub(kV)t(μs)102104106801602403200d=64=152d=6.35mmd=25.4mm☆油隙的擊穿電壓會(huì)隨著電壓作用時(shí)間的增加而下降，外加電壓時(shí)間還會(huì)影響油的擊穿性質(zhì)。如圖電壓作用時(shí)間為數(shù)百微秒前，雜質(zhì)的影響沒有顯示出來，為電擊穿。這時(shí)影響因素主要是電場(chǎng)均勻度。時(shí)間更長(zhǎng)，雜質(zhì)開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，為熱擊穿。32三、電場(chǎng)情況的影響☆保持油溫不變，而改善電場(chǎng)的均勻度，能使優(yōu)質(zhì)油的工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質(zhì)差的油含雜質(zhì)較多，故改善電場(chǎng)對(duì)于提高其工頻擊穿電壓的效果也較差。在沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來不及形成小橋，故改善電場(chǎng)總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質(zhì)好壞幾乎無關(guān)。33四、溫度的影響☆

0℃開始上升，一部分水分從懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化為害處較小的溶解狀態(tài)，使擊穿電壓上升?！顪囟瘸^80℃時(shí)，水開始汽化，產(chǎn)生氣泡，引起擊穿電壓下降，因此在60~80℃的范圍內(nèi)出現(xiàn)最大值。☆在0~5℃