液体和固体电介质的击穿特性

电气安全与电气试验第三章液体和固体电介质的击穿特性液体、固体电介质的电气强度比常压下的空气高很多，用它们作为绝缘介质，可以大大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料外绝缘属于自恢复绝缘，内绝缘属于非自恢复绝缘内绝缘的电气强度是用其所能耐受住的试验电压来衡量的，试验电压是根据系统可能的过电压水平而选定的3.1液体电介质的击穿特性液体电介质的击穿机理影响液体电介质击穿电压的因素提高液体电介质击穿电压的方法液体电介质不仅具有较高的电气强度，而且它的流动性使其还具有散热和灭弧作用，同时可以与固体介质结合，填充固体电介质的空隙，从而大大提高绝缘的局部放电起始电压和绝缘的电气强度液体介质主要有天然的矿物油（变压器油、电容器油和电缆油）和人工合成油（硅油）一、液体电介质的击穿理论纯净的液体电介质：电击穿理论；气泡击穿理论。工程用液体电介质：气泡小桥击穿理论；(一)电击穿理论在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，必须大大提高场强才开始碰撞电离。所以液体电介质的击穿场强比气体的要高很多(二)气泡击穿理论（小桥理论）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的εr成反比。由于气泡的εr最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。（三）工程用变压器油的击穿过程及其特点可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥，有热的过程，属于热击穿的范畴。由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。发生两种情况：(1)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的εr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，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。(2)如果杂质小桥尚未接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。二、影响液体电介质击穿电压的因素变压器油的工频击穿电压和含水量的关系1.杂质（悬浮水、纤维）杂质的存在将极大地降低液体的击穿电压。电场越均匀、电压作用时间越长，杂质的影响越大。微量水分与变压器油的击穿电压关系如图耐压试验用标准油杯来检查油的质量平板电极间电场均匀，油中稍有受潮、含杂，击穿电压就明显下降规程规定：对于变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求在2540kv以上(与设备的额定电压有关)；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以上水在变压器油中有两种状态：①溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；②悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。2.温度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-受潮的油水分在液体中的存在形式受温度的影响，随着温度的升高，水分从冰逐渐转变为悬浮状态的水滴、溶解状态的水和水蒸气。当水处于溶解状态时，对液体的影响最小。3电场均匀度优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。4.电压作用时间稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线电压作用时间越短，液体的击穿电压越高，因为形成杂质“小桥”需要时间。在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很高，击穿有时延特性，属电击穿；电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。5、油压的影响不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。三、提高液体电介质击穿电压的方法1.提高以及保持油的品质采用过滤等手段消除液体中的杂质，并且防止液体与空气接触从空气中吸收水分。该方法能够避免形成杂质“小桥”，从而达到提高击穿电压的目的。2.复盖层在金属表面紧贴一层固体绝缘薄层，使“小桥”不能直接接触电极，从而在很大程度上减小了泄漏电流，阻断了“小桥”热击穿的发展。适用于油本身品质较差，电场较均匀、电压作用时间较长的情况。在变压器中常利用较薄的绝缘纸包裹高压引线和绕组导线。3.绝缘层在金属电极表面紧贴较厚的固体绝缘层。因该固体的介电常数大于液体介质，从而减小了电极附近的电场强度，防止电极附近局部放电的发生；适用于不均匀电场。在变压器中常在高压引线和屏蔽环包裹较厚的绝缘层。4.屏障是放置在电极间油隙中的固体绝缘板。它能机械地阻隔杂质“小桥”成串，而且能够在不均匀电场中起到聚集空间电荷、改善电场分布的作用。适用于均匀电场和不均匀电场中电压作用时间较长的情况。对于作用时间很短的冲击电压，则通过阻挡光子的传播来阻碍流注的发展，提高冲击击穿电压。在变压器中常利用绝缘板做成圆筒、圆环等形状，放置在铁芯与绕组、低压绕组与高压绕组之间，并且常放置多个，将油隙分成几个小油隙。3.2固体电介质的击穿特性固体电介质的击穿机理影响固体电介质击穿电压的因素提高固体电介质击穿电压的方法气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在3—4kV/mm左右；液体的耐电强度在10—20kV/mm；固体的耐电强度在十几—几百kV/mm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一、击穿机理——（1）电击穿理论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，从而导致击穿电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与环境温度无关，与电场均匀程度有密切关系，与电压作用时间关系很小。当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条件，且内部不存在局部放电，这种情况下发生的击穿通常是电击穿。其击穿场强一般可达105～106kV／m。击穿理论——（2）热击穿理论介质内部的热不平衡过程所造成的。电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热，介质温度升高，而介质的电导率随温度的升高而急剧增大，所以电流进一步增大，损耗、发热也随之增加。发热和散热的不平衡导致。热击穿的特点：击穿电压随环境温度的升高按指数规律降低；击穿电压与散热条件有关，如介质厚度大，则散热困难，因此击穿电压并不随介质厚度成正比增加；当电压频率增大时，击穿电压将下降；击穿电压与电压作用时间有关。击穿理论——（3）电化学击穿理论介质劣化的结果。介质的局部区域发生局部放电，这种放电并不立即形成贯穿性通道，而是非完全击穿，它使介质引起化学离解，形成树枝状通道，这些树枝状通道，随时间推移不断伸长，使绝缘进一步劣化，最终发展到整个电介质击穿。电化学击穿的特点：由于它是绝缘性能下降之后发生的击穿，因此击穿电压比电击穿和热击穿低。电化学击穿不发生在很高电压下，而是在较低电压下甚至是工作电压下发生。二、影响固体介质击穿电压主要因素电压作用时间场均匀程度温度电压种类累积效应受潮机械负荷三、提高固体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。3.3组合绝缘的击穿特性电介质的组合原则组合绝缘的特点利用组合绝缘调整电场的方法对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合：例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成，而其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。复合绝缘体：不同的绝缘体组合起来使用。一方面，复合绝缘相互弥补弱点，得到更高的击穿场强；另一方面，实用绝缘结构很难使用单一绝缘。一、电介质的组合原则常见的复合绝缘体：由多种电介质构成的层叠绝缘理想的电压分布：各层电介质承受的场强与该层介质的耐电强度成正比，这样整个组合绝缘的电气强度最高，各层绝缘材料的利用也最合理、最充分。一、电介质的组合原则一、电介质的组合原则交流电压、冲击电压下，各层介质所分担的电压与其电容成反比，亦即场强与各层介质介电常数成反比：E1/E2=ε2/ε1则E1ε1=E2ε2，各层Eb1ε1值小的先击穿，且一般气体、液体、固体介电常数大的击穿场强也大，所以击穿难易程度为：气体、液体、固体。一、电介质的组合原则直流电压下，各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即场强与各层电导率σ成反比：E1/E2=σ2/σ1则E1σ1=E2σ2，各层Eb1σ1值小的先击穿，由电导率决定。二、组合绝缘的特点1、“油－屏障”式绝缘油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高30％～50％。二、组合绝缘的特点2、绝缘层当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。3、屏障放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。二、组合绝缘的特点2、油纸绝缘电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差.二、组合绝缘的特点绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达500～600kV／cm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的击穿场强约为200kV／cm，而干纸只有100～150kV／cm)。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮)因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。三、利用组合绝缘调整电场的方法超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最大电场强度。所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层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。如：内层绝缘采用高密度的薄纸(纸的纤维含量高，质地致密)，其介电常数较大，击穿场强也较大;外层绝缘则采用密度较低、厚度较大的纸，其介电常数较小、击穿场强也较小。3.4电介质的老化电老化热老化机械老化环境老化什么叫绝缘的老化？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和化学变化，致使其电气、机械及其他性能逐渐劣化，这种现象统称为绝缘的老化。老化的原因有哪些？热、电、机械力、水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。110kV变压器电容式套管电容芯子上的绝缘