Transcript 第五讲
第四章： 固体、液体和组合绝缘 的电气强度 1 §4.1 固体电介质击穿的机理 气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电 强度最高 固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一 不可恢复的绝缘 普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄 弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的 集中，也可指介质的不均匀性 2 500 AB：电击穿 450 400 C：热击穿 350 300 区域B 区域A 250 Φ50 200 150 100 50 0 Φ100 μs 10 -1 1 区域C 15.3 击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％） 1. 固体电介质击穿特性的划分 s min 278h 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 时间（μs） 电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 3 2. 电击穿 电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基 础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场 加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿 4 Ub （kV）（有效值） 3. 热击穿 50 40 30 A 20 B 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 θcr θ(℃) 交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系 5 热击穿的概念： 由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升 温，温度升高导致固体电介质电阻下降，电流进一步增大 ，损耗发热也随之增大。 在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其 它介质向外不断散热的过程。如果同一时间内发热超过散 热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化， 最终击穿，这一过程称为电介质的热击穿过程。 6 热击穿的理论分析 电压：U1＞U2＞U3 曲线1,2,3：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系 直 线 4 ： 表 示固 体介 质中最 高 温度大 于 周围环 境 温度 t0 时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系 θ 1 2 3 4 b a 0 t0 ta tk tb tm 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 7 曲线 1： 发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1 下最终必定发生热击穿 θ 1 2 3 4 b a 0 t0 ta tk tb tm 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 8 曲线 3： tta 时：曲线在直线4之上 ，不发生热击穿，介质温度 逐渐升高并稳定在ta，称ta 为稳定热平衡点 θ 1 2 4 t>tb 时：情况类似曲线1， 最终发生热击穿 t=tb 时：发热等于散热， 但因扰动使t大于tb，则介 质温度上升，回不到tb，直 至热击穿。称tb为不稳定热 平衡点 ta<t<tb：不会发生热击穿 ，介质温度将稳定在ta 3 b a 0 t0 ta tk tb tm 不同外施电压下介质发热散热 与介质温度的关系 9 曲线 2： 与直线4相切，U2 为临界热击穿电压；tk 为临界热击穿温 度 θ 1 2 3 4 b a 0 t0 ta tk tb tm 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 10 §4.2 影响固体介质击穿电压主要因素 电压的作用时间 温度 电场均匀度和介质厚度 电压频率 受潮度的影响 机械力的影响 多层性的影响 累积效应的影响 11 §4.3 提高电介质击穿电压的方法 改进绝缘设计如采取合理的绝缘结构，使各 部分绝缘的耐电强度能与共所承担的场强有适 当的配合； 改善电极形状及表面光洁度，尽可能使电场分布均 匀，把边缘效应减到最小； 改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处的气隙 或使接触处的气隙不承受电位差。 改进制造工艺清除固体电介质中残留的杂质 、气泡、水分等 改善运行条件 注意防潮，加强散热冷却等。 12 §4.4 固体电介质的老化 老化——电气设备的绝缘在长期运行过程 中会发生一系列物理变化(如固体介质软化或熔 解,低分子化合物及增塑剂的挥发)和化学变化( 如氧化,电解,电离,生成新物质), 致使其电气,机械 及其他性能逐渐劣化。 1.环境老化：光氧老化（主要）、 臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。 13 2 固体电介质的电老化 概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物 理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击 穿。 电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电 解性老化。前两种主要在交流电压下产生，后 一种主要在直流电压下产生 14 树枝老化 树老化类型：电树老化和水树老化 树老化的原因 电离性老化 电导性老化 15 树枝老化的一般形状 Tree-like Bush-like chestnut-like 树枝状 灌木丛状 栗子状 16 电介质中的树枝老化 17 3 热老化 在较高温度下，固体介质会逐渐热老化。热老化 的主要过程为热裂解、氧化裂解、交联、以及低 分子挥发物的进出。热老化的象征大多为介质失 去弹性,变僵硬，变脆．发生龟裂。设备“绝缘寿 命”与其“工作温度”之间的关系： 蒙辛格热老化规则: T Ae 0 Ae 该类设备绝缘的工作温度如提高10℃（或8℃， 6℃），绝缘寿命便缩短到原来的一半。 18 电介质的耐热等级 介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的 时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐 热等级。如 Y A E B F H C 90 105 120 130 155 180 >180℃ 根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经 济性设计 19 §4.5 液体电介质击穿的机理 液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质（水分+杂质） 击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论 20 1. 纯净液体电介质的电击穿理论 液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场 中被加速，与液体分子发生碰撞电离 在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，先在 尖电极附近开始电离，电离开始阶段以后是流 注发展阶段，流注分级地向另一电极发展，放 电通道出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙 与长空气间隙的放电过程很相似 21 /22 2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论 当外加电场较高时，液体介质内由于各种原因 产生气泡 1）电子电流加热液体，分解出气体； 2）电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 3）静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电 荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体 积变大； 4）电极凸起处的电晕引起液体气化。 串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成 反比-局放-热-体积膨胀-气体小桥 22 /22 3. 非纯净液体电介质的小桥击穿理论 液体中的杂质在电场力的 作用下，在电场方向定向 ，并逐渐沿电力线方向排 列成杂质的“小桥 水分及纤维等的电导大， 引起泄漏电流增大、发热 增多，促使水分汽化、气 泡扩大 液体电介质最后在气体通 道中发生击穿 (a) (b) (a) 形成 “小桥” (b) 未形成 “小桥” 受潮纤维在电极间定向示意图 23 /22 §4.6 素 影响液体电介质击穿电压的因 用标准油杯来检查油的质量 平板电极间电场均匀，油中 稍有含水、含杂，含气等击 穿电压就明显下降 规程规定用来灌注高压电力 变压器等的变压器油，在此 油杯中的工频击穿电压要求 在2540kV以上(与设备的额 定电压有关)；灌注高压电缆 和电容器的用油，在油杯中 的 击 穿 电 压 常 要 求 在 50 或 60kV以上 24 /22 Ub（有效值）/kV 1. 杂质（悬浮水、纤维） 40 20 0 0.02 0.04 含水量×100 变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 25 /22 Ubp（kV）（峰值） 700 600 10 9 8 Φ 50 20 7 6 500 400 5 4 3 2 300 200 100 冲击系数Kl最小值 2. 电压作用时间 1 0 10-6 10 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 1 10 2 t（s） 稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线 26 /22 800 1.5/40（－） 600 500 2.5 200 Ub,p（kV）(峰值) 700 1.5/40（＋） 2.0 400 1.5 300 1.0 200 冲击系数，K（最小值） 3.0 0.5 100 0 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102 103 t（s） 极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线 1分钟（60S）击穿电压近似等于持久击穿电压 27 /22 3. 电场情况 油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能 使工频或直流电压下的击穿电压明显提高 液体电介质不同油质击穿电压的分散性和电场 的均匀程度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不 超过5％（电极处电场力作用杂质不易形成小 桥），而在均匀电场中可达3040％ 28 /22 4. 温度 Ub，千伏（有效值） 水当T增加时：固—液—汽 60 1 40 2 20 2.5毫米 -40 0 40 80 120 t,℃ 标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系 1-干燥的油； 2-受潮的油 29 /22 5.压强 油中含有气体 Ub (有效值)/kV d 200 d = 7.5cm 5.0 150 2.5 100 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 p/MPa 变压器油（工程电介质）工频击穿电压与压强的关系 30 /22 §4.7 提高液体电介质击穿电压的方法 1 提高并保持油的品质 2 绝缘覆盖层： 小于1毫米—阻止小桥直接接通电极—电流小 3 绝缘层： 几十毫米—曲率大的电极—阻止强场区产生—不电晕 4 屏障： 阻止小桥连通 阻挡电极电离的电子—均匀电场 31 /22 谢谢 ! 32