4.2,4.3 液体和固体介质的击穿,工频耐压试验

模块五交流耐压试验情境二液体和固体介质的击穿一、液体介质的击穿机理主要包括天然矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。1、纯净液体介质的击穿理论（1）电子碰撞游离理论（电击穿理论）在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子时可引起游离，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。课题一液体介质的击穿（2）气泡击穿理论（小桥理论）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中场强分布与介质εr成反比。气泡的εr小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上升、体积膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。许多游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。2、工程用变压器油的击穿过程及其特点可用气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并形成小桥，有热过程，属于热击穿范畴。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。(1)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，发热会促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。(2)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游离，于是油分解出气体，气泡扩大，游离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。有两种情况：油中受潮→水分(εr=81)纸布脱落→纤维(εr=6-7)沿电场极化定向排列杂质小桥二、影响液体介质击穿电压因素1、水分和其他杂质杂质含量越多、电场越均匀、外加电压时间越长，杂质影响越大。（1）水分以三种状态存在于油中：溶解态、悬浮态和沉渣态溶解态和沉渣态的水对工频击穿电压无影响；悬浮态的水易在电场下形成“小桥”，对击穿电压影响很大；变压器油中含水量超过溶解度50ppm时，含水量↑→Ub迅速↓2、油温①0-60度：温度↑→水珠溶解度↑→Ub↑②80度以上：温度↑→汽化↑→Ub↓③-5度-0度：冰水、全部悬浮，Ub最低④-5度以下：粘度↑→小桥不易形成→Ub↑（2）纤维越多，杂质小桥越易形成，击穿电压越低（3）气体含量超过油中溶解度时，将以自由态出现→Ub迅速↓有纤维存在时，水分影响特别明显3、电场均匀度电场越均匀杂质小桥越易形成，杂质对工频Ub影响越大；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：改善电场均匀度对于提高其工频击穿电压的效果较差。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，而与油品质好坏几乎无关4、电压作用时间对工程油，其击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，因杂质聚集、排列需一定的时间；加电压时间还会影响油的击穿性质。5、油压不论电场均匀度如何，工业用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游离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。油中含气体时：压力↑→Ub油↑(气体在油中溶解量↑)油经脱气处理：压力对Ub油影响较小三、提高液体击穿电压的措施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，击穿电压很高。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。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。（2）绝缘层2、采用固体介质降低杂质的影响机理：阻止杂质小桥的形成和发展（1）覆盖紧紧包在大曲率电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。1、减少液体中的杂质过滤、祛气、防潮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（3）屏障一、固体介质的击穿机理固体介质的特点：非自恢复绝缘体在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：电过程（电击穿）热过程（热击穿）电化学过程（电化学击穿）1、电击穿理论强电场作用下的碰撞游离导致的击穿。在介质电导很小、散热良好以及介质内部不存在局放情况下，固介的击穿通常为电击穿，击穿场强可达105-106kV/m课题二固体介质的击穿①与周围环境温度无关；②介质发热不显著；③除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；④电场均匀程度对击穿有显著影响。电击穿的主要特点：2、热击穿理论由于电导γ存在→损耗→发热→T↑→R↓→I↑↑→损耗发热↑↑(Q发Q散)→T↑↑→介质分解、劣化→击穿热击穿的主要特点：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。击穿时间较长，击穿电压较低。3、电化学击穿固体介质在电、热、化学和机械力长期作用下，会逐渐发生某些物理化学过程，使其绝缘性能逐渐劣化，这种现象称为绝缘的老化。由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。最终可能是电击穿也可能是热击穿。电化学击穿特点：长时间；击穿电压低（工作电压下即可能发生）二、影响固体介质击穿电压的因素电压作用时间、E均匀程度、温度、受潮、累积效应等1、电压作用时间不过二者有时很难分清，例如工频1min耐压试验中试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。2、电场均匀程度处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；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，击穿电压当然较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。3、温度固体介质在低于某个温度下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。超过这个温度后将发生热击穿，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，热击穿电压更低。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。在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加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。所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。对聚乙烯、聚四氟乙烯等不易吸潮的中性介质，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、受潮受潮对固体介质Ub的影响与材料的性质有关。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此由电击穿转为热击穿的临界温度t0一般也不同。三、提高Ub措施（自学）对固体介质绝缘材料的电气设备进行耐压试验时应注意：加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应。5、累积效应固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、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，称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压下降。模块五交流耐压试验情境三工频耐压试验概述1、试验目的：电力系统的电气设备，其绝缘不仅经常受到工作电压的作用，而且还受到大气过电压和内部过电压的侵袭，工频耐压试验是考核设备绝缘在长时的工作电压及瞬时的过电压下是否能可靠运行，是考核绝缘裕度的主要方法，能有效发现危险的集中性缺陷。通过工频耐压试验可确定设备的绝缘水平。2、试验顺序：属破坏性试验，一般放在特性试验项目合格后进行，以减少或避免不必要损失。一、工频高压的产生（一）高压试验变压器1、单台试验变压器：特点：(1)电压高；(2)容量小：试验变压器高压侧电流I和额定容量P主要取决于被试品的电容。(3)体积小，高压套管长、大；(4)绝缘裕度小；(5)连续运行时间短，发热轻，无冷却系统；(6)漏抗较大(短路电流较小)结构：单套管和双套管两种（全绝缘，半绝缘）试验变压器的选择：（1）电压满足：Ue＞US图4-33外壳需对地绝缘的双套管试验变压器1－低压绕组；2－高压绕组（2）容量满足：Pe＞PS)(10×=3-2KVAUCPSXS被试品大多为容性的，当知道被试品电容量及试验电压时，试验电流、试验变压器和调压装置的容量可按公式计算：）（AUCIxs3-10×=CX是可测的，一般线路绝缘子的CX50PF，高压套管为50～600pF，TV、TA、DL在100~1000PF之间，电容式TV在3000～5000pF，电力变压器在1000～15000pF之间。2、试验变压器串级装置：试验电压超过750kV时，可用几台试验变串接起来。ⅠⅡ12312TOU1T1T2I1I2U2ZI3U1U3U3=U2U2I2I22U2两台试验变压器串接的原理接线T1、T2两级试验变压器；1-低压绕组；2-高压绕组；3-累接绕组；Z-绝缘支柱；TO-被试品U2方法是将高压绕组串联起来，如自耦式联接，高一级变压器的激磁电流由前一级变压器高压绕组的一部分（累接绕组）供给。T1高压绕组2的一端和油箱相连接地，另一端通过累接绕组3给T2低压绕组1供电，T2的油箱与T1高压绕组2的输出端同为U2，所以T2油箱必须用绝缘支柱Z与地绝缘起来。由于T2低压绕组对地电位也抬高到U2，因而T2的内绝缘（高、低压绕组及高压对铁芯、油箱间）水平仅需U2，而不是输出电压2U2。ⅠⅡ12312TOU1T1T2I1I2U2ZI3U1U3U3=U2U2I2I22U2两台试验变压器串接的原理接线T1、T2两级试验变压器；1-低压绕组；2-高压绕组；3-累接绕组；Z-绝缘支柱；TO-被试品U2虽然T1、T2电压等级相同，但容量和高压绕组结构不同，不能互换。T2容量：P2＝U3I3＝U2I2T1容量：P1＝U1I1＝U2I2＋U3I3＝2U2I2整套串级装置容量为：P＝P1＋P2＝3U2I2输出容量为：P′＝2U2I2因而利用率η＝P′∕P＝2∕3对n级装置，其容量利用率为η＝2∕(n＋1)可见，试验变台数越多η越低，因而很少采用n＞3的方案。（二）串联谐振高压发生装置对大容量试品如长电缆、变压器、发电机等做工频耐压试验，所需试验电源容量较大，采用串联谐振高压发生装置可使电源容量和电压降低，且谐波小、电压波形好。二、试验接线保护球隙G；保护电阻R1、R2高压侧电压可用电容分压器配合低压仪表PV1、高压静电电压表PV2或测量球隙G来测量。输出电压应能在很大范围内均匀调节，所以低压绕组应由调压器供电。G还可作为保护球隙，其放电电压应整定为试验电压的1.1倍左右。T1T2R1C1EFPV3mAPV1NabcABC~K保护控制回路R2VVC2G被试变压器图2.7-1变压器工频耐压试验实际接线图PAkVPV2被试品容量不大或要求不高时，可以在低压侧用PV3测量。型式：自耦，移圈式、接触式，感应调压，电动－发电机组特点：自耦调压器的漏抗小、波畸变小、容量有限，升压不均匀；移圈式调压器的漏抗大、波形畸变大；容量大、调压均匀；对调压装置的要求：能从0开始、均匀调压、输出标准正弦波、正负半波相同。三、交流调压装置接触调压式属自耦式，电刷（银铜合金）沿绕组绕向螺旋式升降，波形畸变小，容量大、调压均匀，可从零开始升压。四、工频耐压试验电压及判断标准工频耐压试验值需要满足内过电压的要求，按照电气设备在运行中可能遇到的各种过电压和长期运行工作电压来决定，此值也称为电气设备的绝缘水平。国标规定：在设备绝缘上加工频试验电压1min，不发生闪络或击穿现象，认为设备合格，否则不合格。10kV变压器：出厂试验35kV，预试30kV；35kV变压器：出厂试验85kV，预试72