高电压课件 第8讲 液体固体电介质特性（三）

高电压技术 1 n气、固、液三种电介质中，耐电强度依次为： 空气：一般在3 4 kV/mm左右； 液体：10 20 kV/mm； 固体：十几 几百kV/mm n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 n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 2.3 固体电介质的击穿 2 固体击穿特性 固体介质击穿电压与时间变化 曲线 3 一、固体电介质的击穿过程 固体电介质击穿特性的划分： 区域A：击穿时间小于10s 的区 域，此范围内击穿电压随击穿时 间的缩短而提高。 区域B：击穿时间在100.2S范围 的区域，击穿电压恒定。 这两个区域内的击穿都具有电击 穿的性质 区域C：击穿电压随击穿前时间 的增加明显下降，具有热击穿的 特点 区域D ：C区以外 电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 A、B 区：属于电击穿; C 区：属于热击穿 D 区：为电化学击穿、电老化，击穿时间在几十个小时以上，甚至几 年 4 u电击穿理论：基础是发生碰撞电离，类似于气体汤 逊理论和液体电击穿理论； u热击穿理论：介质内部热不平衡； u电化学击穿理论：电介质受电、热、化学和机械 力的长期作用。 二、 固体介质击穿理论 5 n机理：建立在碰撞电离基础上，少量传导电子 ，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，最 终导致击穿 （一）电击穿理论 n时间影响：电压作用时间短，击穿电压高 n介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸 变，导致介质击穿电压降低 n电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 n累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有明 显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积 效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降 n无关因素：电击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度 、频率等因素都无关 6 碰撞电离引起击穿的两种理论 u固有击穿理论单位时间内传导电子从电 场获得的能量与因碰撞而失去的能量不平衡 ，能量堆积（超过电离能）而引起击穿 u电子崩击穿理论传导电子由电场得到了 可使晶格原子电离的能量，产生了电子崩， 当电子崩发展到足够强时（d足够大），引 起固体介质击穿 7 （二）热击穿理论 u机理：介质内部发热和散热的不平衡导致。 电导电流和介质极化引起介损，使介质发热，而电导率 随温度升高急剧增大，损耗发热进一步增加。如果发热 量大于散热量，介质温度不断升高，将引起介质分解、 炭化，最终导致击穿。 u特点：击穿电压随环境温度的升高按指数规律降低； 与电压作用时间有关； 与发热和散热条件有关；如介质厚度大，散热困难 ； 当电压频率增大时，击穿电压将下降。 8 u机理： 介质劣化的结果。介质的局部缺陷区域发生局部放电 ，这种放电并不立即形成贯穿性通道（不完全击穿）， 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。 特点：电化学击穿由绝缘性能下降引起，因此击穿电压比 电击穿和热击穿电压低，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 （3）电化学击穿理论 9 电介质中的树枝老化 10 有机绝缘材料的树老化 n树老化类型：电树老化和水树老化 n树老化的原因 电离性老化：该气隙或气泡内容易发生电离，造 成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化 等形式)，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展 ，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作“电 树枝” 电导性老化：在两电极之间的绝缘层中存在液态 导电物质(例如水)，当该处场强超过某定值时， 该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成 近似树枝状的痕迹，称作“水树枝” 11 Tree-like 树枝状 Bush-like 灌木丛状 chestnut-like 栗子状 树枝老化的一般形状 12 三、影响固体电介质击穿电压的因 素 u电压作用时间 u 温度 u 电场均匀程度 u 电压种类 u累积效应 u受潮 u机械负荷 u二次效应如空间电荷等 13 （1)电压作用时间 固体介质击穿电压与电压作用时间变 化曲线 14 （2)温度 小于t0 时，属于电击穿 当温度超过t0值时，温 度越高，散热条件越差 ，击穿电压越低，此时 属于热击穿。t0 称为转 折温度。 15 （3)电场均匀程度 u均匀电场中，击穿电压较高，而且击穿电压随介质厚 度的增加呈线性关系上升 u不均匀电场中，击穿电压随介质厚度的增加不呈线性 上升。可能会出现热击穿，因此介质厚度达到一定程 度后，厚度再增加对提高击穿电压意义不大。 16 （4)电压种类(固体介质击穿电压) 直流击穿电压工频交流击穿电压【仅有电导损耗】 工频交流击穿电压高频交流击穿电压 【极化损耗高】 冲击击穿电压工频交流击穿电压 （5）累积效应 击穿电压随加压次数增加而下降，累积效应局部损 伤的扩展。 （6）受潮 固体电介质受潮后击穿电压会迅速下降。 （7）机械负荷 当材料出现开裂或微观裂缝（热、化学等作用）时，击 穿电压将显著下降。如在这些裂缝中充有污浊物或受潮 后，击穿电压下降更多。17 提高固体电介质击穿电压的方法 u改进制造工艺：消除杂质 u改进绝缘设计：电场均匀 u改善运行条件：散热、防潮 18 2.4组合绝缘的电气强度 u单一电介质往往不能满足多种要求，实际应用中采用多 种电介质组合而成。 u不同电介常数的电介质组合在一起构成组合绝缘，当各 层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，整个组 合绝缘的电气强度最高。 u直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘承受的电 压与其绝缘电阻成正比；【电气强度高、电导率小的材 料用在电场最强处】 u交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘承受的 电压与其电容成反比；【电气强度高、介电常数小的材 料用在电场最强处】 19 2.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损 耗 以两层介质的平行层状结构为例 【电介质界面与等位面重合】 组合绝缘的介电常 数 组合绝缘的介损角正 切 20 公式推导 介损模型（并联模型为例） 21 2.4.2 组合绝缘中的电场 直流电压作用下电压与电 阻成正比，电场与电导率成反 比（与电阻率成正比） 22 交流电压作用下 交流电压作用下电压与 电容成反比，电场与介电常 数成反比 23 分层绝缘中的电场分配交流条件 下 u油1 屏障2式绝 缘 u1E2 随着d2的加大，E1持续增大在油隙中设置多个屏障， 会使油中场强显著增大，反而不利。 直流条件下 电场按电阻率正比分配。（纸） （油）E2E1，电 场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压等于交 流耐压（约为3）倍。 24 电缆的绝缘 单相圆芯均质电缆 【电介质界面是同心圆】 r 越大电场越均匀 25 分阶绝缘 u在r0rr1内 在r1rr2内 优点：绝缘材料的利用率高 实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密度 有关 ，密度大的纸（高）与低密度纸搭配使用多层分阶。 26 2.5 电介质的老化 u绝缘老化的成因 电老化局部放电 热老化热作用下的氧化 环境老化污染性化学老化 27 （一）电介质的电老化局部放 电 局部放电过程产生的活性气体O3、NO、NO2等对 介质的氧化、腐蚀作用 放电过程有带电粒子撞击介质，引起局部温升，加 速介质氧化并使局部电导和介质损耗增大 带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致介质破 坏 局放对有机介质的影响尤为显著 28 （二）电介质的热老化 u主要取决于温度及热作用时间 u液体电介质的热老化主要是由于热作用下的氧化。 变压器油氧化后酸价升高，颜色逐渐加深，粘度增 大，绝缘性能降低。 u固体