高电压技术 第四章 1 液固击穿

高电压技术 第四章 1 液固击穿

液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝 缘。应用的最多的液体介质是变压器油以及电容器 油和电缆油。用作内绝缘的固体介质常见的有绝缘 纸、纸板、云母、塑料等, 以及用于制造绝缘子的电 瓷、玻璃和硅橡胶等。 Chapter 4. 液体和固体介质的电气性能 内绝缘具有的特点： ▼不受外界大气条件变化的影响； ▼对包含固体介质的内绝缘，绝缘击穿 是非自恢复的； ▼长时间工作下逐渐老化； 一. 固体介质击穿的特点 击穿场强一般比气体和液体电介质高得多；空气 30kV/cm，变压器油120～250 kV/cm，云母(电击 穿)2000～3000kV/cm 击穿场强与电压作用时间有很大的关系； 绝缘是非自恢复的，一旦发生击穿，其绝缘性能不 能再自行恢复； §4.1 固体电介质的击穿 短时电压 周期性过电压 交流试验电压 持续运行电压 电击穿 热击穿 电化学击穿 10-6 10-3 1031 106 Eb t/s Ⅰ Ⅱ Ⅲ 二. 击穿理论 1. 电击穿：在强电场下电介质内部电子剧烈运动， 发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使 电导增大而导致击穿。 特点：电压作用时间短、击穿电压高，电介质发热 不显著；击穿场强与电场均匀程度密切相关，而 与周围环境温度无关。 2. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成。 特点：热击穿电压随环境温度的升高而下降， 热击穿电压直接与散热条件有关 电压作用下 引起介质损耗， 使介质发热 发热大于散 热时，介质温 度不断升高 介质分解、 熔化、碳化 或烧焦 热击穿 3. 电化学击穿：固体介质在长期工作电压下，由于 介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电 气强度逐渐下降并引起的击穿。 局部放电使电介质劣化损伤的机理： • 放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和 腐蚀作用，使介质逐渐劣化； • 放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升， 加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加； • 带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂 解； • 放电产生的高能辐射线引起材料分解； 刷状树枝 灌木状树枝 聚乙烯中的树枝化放电劣化 三. 影响固体电介质击穿电压的因素 1. 电压作用时间 2. 电场均匀程度与介质厚度 3.温度 4.受潮 5.累积效应 如果电压作用时间很短（例如 0.1s以下），固体介质的 击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时 间的增长，击穿电压下降，如果在加压后数分钟到数小时才 引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分 清,例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电 和热双重作用的结果。 1. 电压作用时间 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随 厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度 增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线 性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时，增加 厚度的意义就更小了。 2. 电场均匀程度与介质厚度 常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于 均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场 强度集中在气隙处，使击穿电压下降。如果经过真空干燥、 真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这 时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度将发 生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温 度也高，且散热条件又差，热击穿电压将更低。不同固体介 质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为 热击穿的临界温度一般也是不同的。 3. 温度 对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介 质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质 ，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥 时的百分之几或更低。因为电导率和介质损耗大大增加的缘 故。 4. 受潮 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压 、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并 留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损 伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电 压的下降。 5. 累积效应 四. 提高固体电介质击穿电压的措施 1. 改进制造工艺 2. 改进绝缘设计 3. 改善运行条件 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀 注意防潮、防尘；加强散热 采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽 可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除 接触处的气隙 五. 绝缘老化 电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化 学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气 和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。 1. 电老化 (电解,局部放电) 2. 热老化 3. 固体介质的机械应力老化 4. 固体介质的环境老化 热老化的8℃规则 一. 常用的液体介 质 二. 液体电介质的击穿理 论 目前常用的主要有变压器油、电容器油、 电缆油等矿物油 电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发 射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩， 最后导致液体击穿 §4.2 液体电介质的击穿 气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气 泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气 泡内的气体放 电而引起液体击穿。 液体中气泡产生的原因： 1. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介 质，分解出气体； 2. 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解 离产生气体； 3. 电极表面吸附的气泡脱离出来； 4. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起 液体气化 液体中沿气泡击穿过程： 交流电压下串联介质中 的分布与 成反比E  气体的击穿场强 比液体低得多 气泡先电离 电离产生的带电粒子撞击 液体分子，使之分解出气 体，扩大气体通道 电离的气泡在电场作用 下容易排列形成连通两 极的气体“小桥”，击 穿 沿“小桥”通道发生 气泡温度升高、 体积膨胀、电离 进一步发展  工程用变压器油的击穿机理：（小桥理论） 工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的 很大 容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥： r 1. 如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于 纤维的 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强 度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电 离增强，这样发展下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。 r 2. 如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增 大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也会出现气 体小桥，使油隙发生击穿。 工程用变压器油的击穿有如下特点：在均匀电场中，当 工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋 即消失，油又恢复其电气强度；电压再增油中又可能出现火 花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定 的击穿 工程用变压器油的击穿特点： 判断油的质量，依靠测量其电气强度、tgδ和含水量等 。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿 电压。我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直 径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为 2.5mm的半圆以减弱边缘效应。 三. 影响变压器油击穿电压的因素 2. 电压作用时间 3. 电场均匀度 4. 温度 1. 油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量 5. 压力 潮湿的油由0℃开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为 害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 ℃后，水开始 汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 ℃～80℃间出 现最大值 水分和油温 悬浮状水滴在油中是十分有 害的，如右图，当含水量为 万 分之几时，它对击穿电压就有明 显的影响，这意味着油中已出现 悬浮状水滴；含水量达0.02%时 击穿电压已下降至约15kV，比 不含水分时低很多 。含水量继 0 0.02 0.04 20 40 Ub(kV) 含水量(%) 续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬 浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 标准油杯实验 四、提高液体介质击穿电压的方法 n １．提高并保持油的品质 n 　　　提高：去杂质、水分、有机酸:(制造时过滤) n 　　　　　　去气体:(制造时真空注油) n 　　　保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化 n 2 ．覆盖层 n 　　　在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥 n 　　　油本身品质越差，电压作用时间越长，效果越好。 n 3 ．绝缘层 n 　　　当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。 n 　　　用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上 。 n 4 ．屏障 n 　　　放在电极间油间隙中的固体绝缘板 n 　　　作用：ａ．割断杂质小桥的形成 n 　　　　　　ｂ．使另一侧油隙的电场变均匀（不均匀场中） n 　　　在极不均匀场中效果明显。面积应足够大 §4.3 组合绝缘的电气强度 一. 介质的组合原则 组合目的：同时满足电气性能、机械性能、 热性能的要求 配合原则：在外加电压的作用下，组合绝缘中 各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正 比，这样整个组合绝缘的电气强度最高，各种 绝缘材料的利用最合理、最充分。 二. “油－屏障”式绝缘 以变压器油为主要的绝缘介质，在油隙中放置若干个屏障， 广泛用在电力变压器、油断路器、充油套管中。 三种不同的形式：覆盖、绝缘层、屏障 1. 覆盖 紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层称为覆盖 作用：阻止杂质小桥直接接触电极，因而能有效限制泄漏 电流，从而阻碍杂质小桥击穿过程的发展。 2. 绝缘层 当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝缘层， 作用：像覆盖层那样减小杂质的有害影响;降低电极表面附 近的最大电场强度 3. 屏障 如果在油隙中放置尺寸较大、形状与电极相适应层压纸板 （筒）或层压布板（筒）屏障 作用：阻碍杂质小桥的形成；拦住一部分带电粒子，使原 有电场变得比较均匀 相邻屏障的距离不能太小，屏障的总厚度也不能取得太大 三. 油纸绝缘 油纸绝缘是以固体介质为主体的组合绝缘，液体只是用作 填充 空隙的浸渍剂。 广泛用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。 缺点是：散热条件差、易受污染、受潮。 四. 组合绝缘中的电场分析 1 . 均匀电场双层介质 1 1E 2 2EU d 1 d 2 d 2211 EE   2211 dEdEU  )//( 22111 1  dd UE  )//( 22112 2  dd UE   2122 2 1 )( dd UE      12 Edd不变， 油纸绝缘中，令 代表油层参数， 代表浸渍纸参数，浸渍纸的电气强度比 油大得多在交流电压下，电压按介电常数反比分配， 则 ，电场分布不合理； 在直流电压下，电压按电导率反比分配， 则 ，电场分布合理， 同一根电缆在直流下的耐压远高于交流耐压（约3倍） 111 E、、 222 E、、 1212 , EE   1212 , EE    2 . 分阶绝缘 分阶绝缘是指由介电常数不同的多层介质绝缘 构成的组合绝缘 分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电 常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。 0r R U E R r0r0  maxE minE 单相圆芯均匀介质电缆： 0 ln r Rr UE  0 0 max ln r Rr UE  0rR UEav 平均场强： 00 0 max ln r R rR r E Eav ＝ 利用系数： 0r 2r R U E R r0r 2r0 1 2 max2Emax1E min2Emin1E 2r －分阶半径 ：20 rrr       220 2 1 1 1 ln1ln1 r R r rr UE  ＝ :2 Rrr       220 2 1 2 2 ln1ln1 r R r rr UE  ＝ 例题:用多层介质计算绝缘材料中含气泡时，气泡 中电场增加的倍数。 设绝缘层的相对介电常数为1；气泡的相对介电 常数为1；外加交流电压为U，绝缘层和气泡中 电场分别为E1和E2，电极距离为d，气泡直径为r 解题： d1=d-r；d2=r； E = U/d； E2 = 1U/(1d2 + 2d1)= 1U/[（1-1）r +d]  增加的倍数：(E2 –E)/E=d1/[(1 -1)r +d] – 1； 如1=1，则(E2 –E)/E=0; 如1=3，d = 10r, (E2 –E)/E = 30/12-1= 1.5, 即增加了1.5倍。 已知空气的Eb = 30kV/cm； 一般绝缘材料的Eb > 100kV/cm， 多层介质使用20%电场载荷时(20kV/cm),气泡中E2= 50kV/cm， 即气泡会产生击穿！ 小结： 一. 电介质在弱电场下的电气特性 1. 极化的概念、基本形式和特点，介电常数ε 2. 电介质电导的概念、特征，电导率γ ，固体电介 质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 3. 介质损耗的形式、介质的三支路等值电路、直流电压作 用下的吸收现象，交流电压作用下电介质的并联、串联等值 电路，介质损耗角tgδ 的意义，影响tgδ 的各种因素 二. 液体电介质的击穿 击穿理论、击穿电压的影响因素及其提高措施 三. 固体电介质的击穿 三种击穿形式、击穿电压的影响因素及其提高措施、绝缘的 老化 4 组合绝缘：组合原则，常见形式、电场分布