高電壓技術第二章

1、液體介質和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣。應用的最多的液體介質是變壓器油以及電容器油和電纜油。用作內絕緣的固體介質常見的有絕緣紙、紙板、云母、塑料等, 以及用于制造絕緣子的電瓷、玻璃和硅橡膠等。,Chapter 2. 液體和固體介質的電氣性能,一. 常用的液體介質,二. 液體電介質的擊穿理論,,,目前常用的主要有變壓器油、電容器油、電纜油等礦物油,電擊穿：認為在電場作用下，陰極上由于強場發(fā)射或熱發(fā)射出來的電子產生碰撞電離形成電子崩，

2、最后導致液體擊穿,§2.2 液體電介質的擊穿,,,氣泡擊穿：認為液體分子由電子碰撞而產生氣泡，或在電場作用下因其它原因產生氣泡，由氣泡內的氣體放 電，產生電和熱而引起液體擊穿。,液體中氣泡產生的原因：油中易揮發(fā)的成分；陰極的強場發(fā)射或熱發(fā)射的電子電流加熱液體介質，分解出氣體；溶解于油中的外來氣體；由電場加速的電子碰撞液體分子，使液體分子解離產生氣體；電極上尖的或不規(guī)則的凸起物上的電暈放電引起液體氣化,,,液體中沿氣

3、泡擊穿過程：,電離產生的帶電粒子撞擊液體分子，使之分解出氣體，擴大氣體通道,電導增大，氣泡溫度升高、體積膨脹、電離進一步發(fā)展,,,纖維橋接擊穿：（小橋理論）,工程用變壓器油中含有水分和纖維等雜質，由于它們的 很大容易沿電場方向極化定向，排列成雜質小橋：,1. 如果雜質小橋尚未接通電極，則纖維等雜質與油串聯(lián)，由于 纖維的 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

4、氣體，氣泡擴大，電 離增強，這樣發(fā)展下去必然會出現(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)熱會促使水分汽化，氣泡擴大，發(fā)展下去也會出現(xiàn)氣 體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。,工程用變壓器油的擊穿有如下特點：在均勻電場中，當工頻電壓升高到某值時，油中可能出現(xiàn)一個火花放電，但旋即消失，油又恢復其電氣強度；電壓再增油中又可能出現(xiàn)火花，但可能又旋即消失；這樣反復多次，最后才會發(fā)生穩(wěn)定的

5、擊穿,工程判斷變壓器油質量方法：,判斷油的質量，依靠測量其電氣強度、tgδ和含水量等。其中最重要的試驗項目是用標準油杯測量油的工頻擊穿電壓。我國采用的標準油杯極間距離為2.5mm，電極是直徑等于25mm的圓盤型銅電極，電極的邊緣加工成半徑為2.5mm的半圓以減弱邊緣效應。,三. 影響液體介質擊穿電壓的因素,,,3. 溫度　含水量較低時，擊穿場強基本與溫度無關；　含水量較高時，擊穿場強隨溫度上升而上升．,2. 含水量、含氣量　含水量

6、越大擊穿場強越小，但是降到某一極限時基本不變,4. 雜質的影響,1.電壓形式和電極形狀的影響　擊穿電壓跟電壓的作用時間和電壓上升率有關，電壓作用時間越長，Ｕb越??；電壓上升越快Ｕb越大,5. 油量的影響　油量越大，擊穿場強越小，因為缺陷概率增加,,潮濕的油由0℃開始 上升時，一部分水分從懸浮狀態(tài)轉為害處較小的溶解狀態(tài)，使擊穿電壓上升；超過80 ℃后，水開始汽化，產生氣泡，引起擊穿電壓下降，從而在60 ℃～80℃間出現(xiàn)最大值,水分和油

7、溫 懸浮狀水滴在油中是十分有害的，如右圖，當含水量為 萬分之幾時，它對擊穿電壓就有明顯的影響，這意味著油中已出現(xiàn)懸浮狀水滴；含水量達0.02%時擊穿電壓已下降至約15kV，比不含水分時低很多 。含水量繼,續(xù)增大擊穿電壓下降已不多，因為只有一定數(shù)量的水分能懸浮于水中，多余的會沉淀到油底部。,標準油杯實驗,四、提高液體介質擊穿電壓的方法,１．提高油的品質 　　　過濾；防潮；除去水分和氣體2 ．覆蓋層　　　在金屬電極上貼

8、固體絕緣薄層，可阻斷雜質小橋 　　　油本身品質越差，電壓作用時間越長，效果越好。 3 ．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。 　　　用在不均勻電場中，被覆在曲率半徑較小的電極上 。4 ．屏障 　　　放在電極間油間隙中的固體絕緣板 　　　作用可以割斷雜質小橋的形成,一. 固體介質擊穿的特點,擊穿場強一般比氣體和液體電介質高得多；空氣30kV/cm，變壓器油120～250 kV/cm，云母(電擊穿)

9、2000～3000kV/cm擊穿場強與電壓作用時間有很大的關系；絕緣是非自恢復的，一旦發(fā)生擊穿，其絕緣性能不能再自行恢復；,,,§2.3 固體電介質的擊穿,,,電擊穿,熱擊穿,電化學擊穿,二. 擊穿理論,電擊穿：在強電場下電介質內部電子劇烈運動，發(fā)生碰撞電離，產生新的更多自由電子，這些二次電子參與隨后電離，形成電子崩，同時碰撞破壞了固體介質的晶格結構，使電導增大而導致?lián)舸?,,特點：電壓作用時間短、擊穿電壓高，電介質發(fā)熱

10、不顯著；擊穿場強與電場均勻程度密切相關，而與周圍環(huán)境溫度無關。,2. 熱擊穿：由于固體介質內部熱不穩(wěn)定性造成。,,,特點：(1)在電壓作用下，產生的電導電流和介質極化引起介質損耗， 使介質發(fā)熱．發(fā)熱溫度升高，電導率進一步增大，溫度進　一步上升，發(fā)熱大于散熱而擊穿．(2)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．熱擊穿時間較長．,電壓作用下介質損耗，使介質發(fā)熱,3. 電化學擊穿：固體介質在

11、長期（幾個月乃至幾年）工作電壓下，由于介質內部缺陷，導致發(fā)生局部放電，產生的腐蝕性物質使使絕緣劣化，電氣強度逐漸下降并引起的擊穿。,,,局部放電使電介質劣化損傷的機理：絕緣層表面污穢，形成泄漏電流，引起熱破壞，稱為電老化，發(fā)展下去電擊穿或熱擊穿．放電過程產生活性氣體O3、H2等對介質產生氧化和腐蝕作用，使介質逐漸劣化；放電過程產生的帶電粒子撞擊介質，引起局部溫度上升，加速介質氧化并使局部電導和介質損耗增加；帶電粒子撞擊還有可能破

12、壞有機高分子材料結構，使其裂解；放電產生的高能輻射線引起材料分解；,,,刷狀樹枝,灌木狀樹枝,聚乙烯中的樹枝化放電劣化,,,三. 影響固體電介質擊穿電壓的因素,1. 電壓作用時間,2. 電場均勻程度與介質厚度,3.溫度,4.受潮,5.累積效應,如果電壓作用時間很短（例如 0.1s以下），固體介質的擊穿往往是電擊穿，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)小時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。

13、不過二者有時很難分清,例如在工頻交流1min耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結果。,1. 電壓作用時間,處于均勻電場中的固體介質，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。,2. 電場均勻程度與介質厚度,常用的固體介質一般都含有雜質和氣隙，這時即使處于均勻電場中

14、，介質內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。如果經過真空干燥、真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。,固體介質在某個溫度范圍內其擊穿性質屬于電擊穿，這時的擊穿場強很高，且與溫度幾乎無關。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。不同固體介質其耐熱性能和耐熱等級是不同的，因此它們由電擊穿轉為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。,3. 溫度

15、,對不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介質，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；容易吸潮的極性介質，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。因為電導率和介質損耗大大增加的緣故。,4. 受潮,固體介質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，介質內部可能出現(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，局部損傷會逐步發(fā)展，這稱為累積效應。它會導致固體介質擊穿電壓的下降。,

16、5. 累積效應,,,四. 提高固體電介質擊穿電壓的措施,1. 改進制造工藝,2. 改進絕緣設計,3. 改善運行條件,清除雜質、水分、氣泡；使介質盡可能致密均勻,注意防潮、防塵；加強散熱,采用合理的絕緣結構；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)，消除接觸處的氣隙,五. 絕緣老化,,,電氣設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、電氣和機械等性能的劣化，稱為絕緣的老化。,1. 電老

17、化 (電解,局部放電),2. 熱老化,3. 固體介質的機械應力老化,4. 固體介質的環(huán)境老化,,,§2.4 組合絕緣的電氣強度,一. 介質的組合原則,組合目的：同時滿足電氣性能、機械性能、熱性能的要求,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比，這樣整個組合絕緣的電氣強度最高，各種絕緣材料的利用最合理、最充分。,,,二. “油－屏障”式絕緣,以變壓器油為主要的絕緣介質，在

18、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。三種不同的形式：覆蓋、絕緣層、屏障,1. 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，從而阻礙雜質小橋擊穿過程的發(fā)展。,2. 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的有害影響;降低電極表面附近的最大電場強度,,,3. 屏障,如果在油隙中放置尺寸較大、形狀與

19、電極相適應層壓紙板（筒）或層壓布板（筒）屏障作用：阻礙雜質小橋的形成；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. 油紙絕緣,油紙絕緣是以固體介質為主體的組合絕緣，液體只是用作填充空隙的浸漬劑。廣泛用于電纜、電容器、電容式套管等電力設備中。缺點是：散熱條件差、易受污染、受潮。,,,四. 組合絕緣中的電場分析,1 . 均勻電場雙層介質,,,,油紙絕緣中，令

20、 代表油層參數(shù)， 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，則 ，電場分布不合理；在直流電壓下，電壓按電導率反比分配，則 ，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3倍）,,,2 . 分階絕緣,

21、分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層介質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。,,,單相圓芯均勻介質電纜：,平均場強：,利用系數(shù)：,,,－分階半徑,,,例題:用多層介質計算絕緣材料中含氣泡時，氣泡 中電場增加的倍數(shù)。 設絕緣層的相對介電常數(shù)為?1；氣泡的相對介電 常數(shù)為1；外加交流電壓為U，絕緣層和氣泡中 電場分別為E1和E2，電極距離為d，氣泡直徑為r,解題：

22、d1=d-r；d2=r； E = U/d； E2 = ?1U/(?1d2 + ?2d1)= ?1U/[（?1-1）r +d] 增加的倍數(shù)：(E2 –E)/E=d?1/[(?1 -1)r +d] – 1； 如?1=1，則(E2 –E)/E=0; 如?1=3，d = 10r, (E2 –E)/E = 30/12-1= 1.5, 即增加了1.5倍。已知空氣的Eb = 30kV/cm； 一般絕緣材料的Eb > 100k

23、V/cm，多層介質使用20%電場載荷時(20kV/cm),氣泡中E2= 50kV/cm，即氣泡會產生擊穿！,小結：一. 電介質在弱電場下的電氣特性極化的概念、基本形式和特點，介電常數(shù)ε 電介質電導的概念、特征，電導率γ ，固體電介質的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻介質損耗的形式、介質的三支路等值電路、直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象，交流電壓作用下電介質的并聯(lián)、串聯(lián)等值電路，介質損耗角tgδ 的意義，影響tgδ 的各種因素二. 液