高电压技术(第二章2)

1、 液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝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、塑料等纸、纸板、云母、塑料等, 以及用于制造绝缘子的电以及用于制造绝缘子的电 瓷、玻璃和硅橡胶等。瓷、玻璃和硅橡胶等。 Chapter 2. 液体和固体介质的电气性能液体和固体介质的电气性能 一一. 常用的液体介常用的液体介 质质 二二. 液体电介质的击穿理液体电介质的击穿理 论论 目前常用的主要有变压器油、电容器油、

2、目前常用的主要有变压器油、电容器油、 电缆油等矿物油电缆油等矿物油 电击穿：电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发认为在电场作用下，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，射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩， 最后导致液体击穿最后导致液体击穿 2.2 液体电介质的击穿液体电介质的击穿 气泡击穿：气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气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，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气 泡内的气体放泡内的气体放 电，产生电和热而引起液体击穿。电，产生电和热而引起液体击穿。 液体中气泡产生的原因：液

3、体中气泡产生的原因： 1.油中易挥发的成分；油中易挥发的成分； 2. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解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；出气体； 3. 溶解于油中的外来气体；溶解于油中的外来气体； 4. 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离产生气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；体； 5. 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：液体中沿气泡击穿过程： 交流电压下串联介质中交流电压下串联介质中 的分布与的分布与 成反比成反比 E 气体的击

4、穿场强气体的击穿场强 比液体低得多比液体低得多 气泡先电离气泡先电离 电离产生的带电粒子撞击电离产生的带电粒子撞击 液体分子，使之分解出气液体分子，使之分解出气 体，扩大气体通道体，扩大气体通道 电离的气泡在电场作用电离的气泡在电场作用 下容易排列形成连通两下容易排列形成连通两 极的气体极的气体“小桥小桥”，击，击 穿穿 沿沿“小桥小桥”通道发生通道发生 电导增大，气泡温度升电导增大，气泡温度升 高、体积膨胀、电离高、体积膨胀、电离 进一步发展进一步发展 纤维桥接击穿：（小桥理论）纤维桥接击穿：（小桥理论） 工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，

5、由于它们的 很大很大 容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥：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 纤维的纤维的 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强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。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如

6、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。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，最后才会发生稳定花，但可能又旋即消失；这样反复

7、多次，最后才会发生稳定 的击穿的击穿 工程判断变压器油质量方法：工程判断变压器油质量方法： 判断油的质量，依靠测量其电气强度、判断油的质量，依靠测量其电气强度、tg和含水量等和含水量等 。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿。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电压。我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直电极是直 径等于径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为 2.5mm的半圆以减弱边缘效应。的半圆以减弱边缘效应。 三三. 影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素

8、 3. 温度温度 含水量较低时，击穿场强基本与温度无关；含水量较低时，击穿场强基本与温度无关； 含水量较高时，击穿场强随温度上升而上升含水量较高时，击穿场强随温度上升而上升 2. 含水量、含气量含水量、含气量 含水量越大击穿场强越小，但是降到某一极限时基本不变含水量越大击穿场强越小，但是降到某一极限时基本不变 4. 杂质的影响杂质的影响 1.电压形式和电极形状的影响电压形式和电极形状的影响 击穿电压跟电压的作用时间和电压上升率有关，电压作击穿电压跟电压的作用时间和电压上升率有关，电压作 用时间越长，用时间越长，b越小；电压上升越快越小；电压上升越快b越大越大 5. 油量的影响油量的影响 油量越

9、大，击穿场强越小，因为缺陷概率增加油量越大，击穿场强越小，因为缺陷概率增加 潮湿的油由潮湿的油由0开始开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为上升时，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；超过害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 后，水开始后，水开始 汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 80间出间出 现最大值现最大值 水分和油温水分和油温 悬浮状水滴在油中是十分有悬浮状水滴在油中是十分有 害的，如右图，当含水量为害的，如右图，当含水量为 万万 分之几时，它对击穿电压就有明分之几时，它对击穿电压就有明 显的影响，这意

10、味着油中已出现显的影响，这意味着油中已出现 悬浮状水滴；含水量达悬浮状水滴；含水量达0.02%时时 击穿电压已下降至约击穿电压已下降至约15kV，比比 不含水分时低很多不含水分时低很多 。含水量继。含水量继 00.020.04 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。浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 标准油杯实验标准油杯实验 四、提高液体介质击穿电压的方法四、提高液体介质击穿电压的方法 n提高油的品质提高油的品质 n过滤；防潮；除去水分和气体过滤；防潮；除去

11、水分和气体 n2 覆盖层覆盖层 n在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥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。油本身品质越差，电压作用时间越长，效果越好。 n3 绝缘层绝缘层 n当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。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用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上 。 n4 屏障屏障 n放在电极间油间隙中的固体绝缘板放在电极间油间隙中的固体绝缘板 n作用可以割断杂质小桥的形成作用可以割断杂质小桥的形成 n 一一. 固体介质击穿的特点固

12、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；击穿场强一般比气体和液体电介质高得多；空气空气 30kV/cm，变压器油变压器油120250 kV/cm，云母云母(电击电击 穿穿)20003000kV/cm 击穿场强与电压作用时间有很大的关系；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；能再自行恢复； 2.3 固体电介质的击穿固体电介质的击穿 短时电压短时电压周期性过电压周期性过电压 交流试验电压交流试验电压 持续运行电压持续运行电压 电击穿电击穿热击穿热击穿 电化学击穿电化学击穿 10-

13、610-31031106 Eb t/s 二二. 击穿理论击穿理论 1. 电击穿：电击穿：在强电场下电介质内部电子剧烈运动，在强电场下电介质内部电子剧烈运动， 发生碰撞电离，产生新的更多自由电子，这些二发生碰撞电离，产生新的更多自由电子，这些二 次电子参与随后电离，形成电子崩，同时碰撞破次电子参与随后电离，形成电子崩，同时碰撞破 坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击 穿穿。 特点：特点：电压作用时间短、击穿电压高，电介质发热电压作用时间短、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，而不显著；击穿场强与电场均匀程度密切相关，而

14、与周围环境温度无关与周围环境温度无关。 2. 热击穿：热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成由于固体介质内部热不稳定性造成。 特点：特点： (1)在电压作用下，产生的电导电流和介质极化引起介质损耗，在电压作用下，产生的电导电流和介质极化引起介质损耗， 使介质发热发热温度升高，电导率进一步增大，温度进使介质发热发热温度升高，电导率进一步增大，温度进 一步上升，发热大于散热而击穿一步上升，发热大于散热而击穿 (2)热击穿电压随环境温度的升高而下降热击穿电压随环境温度的升高而下降,热击穿电压直接与热击穿电压直接与 散热条件有关热击穿时间较长散热条件有关热击穿时间较长 电压作用下电压作用下 介质损耗，

15、介质损耗， 使介质发热使介质发热 发热大于散发热大于散 热时，介质温热时，介质温 度不断升高度不断升高 介质分解、介质分解、 熔化、碳化熔化、碳化 或烧焦或烧焦 热击穿热击穿 3. 电化学击穿：电化学击穿：固体介质在长期（几个月乃至几年）工作固体介质在长期（几个月乃至几年）工作 电压下，由于介质内部缺陷，导致发生局部放电，产生的电压下，由于介质内部缺陷，导致发生局部放电，产生的 腐蚀性物质使使绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击腐蚀性物质使使绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击 穿。穿。 局部放电使电介质劣化损伤的机理：局部放电使电介质劣化损伤的机理： 绝缘层表面污秽，形成泄漏电流，引起热破坏

16、，称为电老化，发展下绝缘层表面污秽，形成泄漏电流，引起热破坏，称为电老化，发展下 去电击穿或热击穿去电击穿或热击穿 放电过程产生活性气体放电过程产生活性气体O3、H2等对介质产生氧化和腐蚀作用，使介质等对介质产生氧化和腐蚀作用，使介质 逐渐劣化；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；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；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；放电产生的高能

17、辐射线引起材料分解； 刷状树枝刷状树枝灌木状树枝灌木状树枝 聚乙烯中的树枝化放电劣化聚乙烯中的树枝化放电劣化 三三. 影响固体电介质击穿电压的因素影响固体电介质击穿电压的因素 1. 电压作用时间电压作用时间 2. 电场均匀程度与介质厚度电场均匀程度与介质厚度 3.温度温度 4.受潮受潮 5.累积效应累积效应 如果电压作用时间很短（例如如果电压作用时间很短（例如 0.1s以下），固体介质的以下），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间的增长，击穿电压下降，如果在加

18、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 清清,例如在工频交流例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电耐压试验中的试品被击穿，常常是电 和热双重作用的结果。和热双重作用的结果。 1. 电压作用时间电压作用时间 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增加将使电场更不均匀，于

19、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。厚度的意义就更小了。 2. 电场均匀程度与介质厚度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、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。真空浸油或浸

20、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。热击穿的临界温

21、度一般也是不同的。 3. 温度温度 对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介对不易吸潮的材料，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，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。故。 4. 受潮受潮 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，

22、介质内部可能出现局部损伤，并、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。压的下降。 5. 累积效应累积效应 四四. 提高固体电介质击穿电压的措施提高固体电介质击穿电压的措施 1. 改进制造工艺改进制造工艺 2. 改进绝缘设计改进绝缘设计 3. 改善运行条件改善运行条件 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀 注意防潮、防

23、尘；加强散热注意防潮、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 接触处的气隙接触处的气隙 五五. 绝缘老化绝缘老化 电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、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。和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。 1. 电老化电老化 (电解电解,局部放电局部放电) 2. 热老化热老化 3. 固体介质的机械

24、应力老化固体介质的机械应力老化 4. 固体介质的环境老化固体介质的环境老化 2.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度 一一. 介质的组合原则介质的组合原则 组合目的：同时满足电气性能、机械性能、组合目的：同时满足电气性能、机械性能、 热性能的要求热性能的要求 配合原则：在外加电压的作用下，组合绝缘中配合原则：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。绝缘材料的利用最合理、最充分。 二二. “油屏障油屏障”式绝

25、缘式绝缘 以变压器油为主要的绝缘介质，在油隙中放置若干个屏障，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。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、屏障三种不同的形式：覆盖、绝缘层、屏障 1. 覆盖覆盖 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。电流，从而阻碍杂质小桥击穿过程的发展。 2. 绝缘层绝缘层 当覆盖的厚度增大到

26、能分担一定电压时，即成为绝缘层，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作用：像覆盖层那样减小杂质的有害影响;降低电极表面附降低电极表面附 近的最大电场强度近的最大电场强度 3. 屏障屏障 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（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相邻屏障的距离不

27、能太小，屏障的总厚度也不能取得太大 三三. 油纸绝缘油纸绝缘 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 填充填充 空隙的浸渍剂。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。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。缺点是：散热条件差、易受污染、受潮。 四四. 组合绝缘中的电场分析组合绝缘中的电场分析 1 . 均匀电场双层介质均匀电场双层介质 1 1 E 2 2 E U d1d2 d 2211 EE 2211 dEdEU )/( 22111 1 dd U E )/( 22112

28、 2 dd U E 2122 2 1 )(dd U E 12 Edd不变， 油纸绝缘中，令油纸绝缘中，令 代表油层参数，代表油层参数， 代表浸渍纸参数，浸渍纸的电气强度比代表浸渍纸参数，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，油大得多在交流电压下，电压按介电常数反比分配， 则则 ，电场分布不合理；，电场分布不合理； 在直流电压下，电压按电导率反比分配，在直流电压下，电压按电导率反比分配， 则则 ，电场分布合理，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（约同一根电缆在直流下的耐压远高于交流耐压（约3倍）倍） 111 E、 222 E、 1212 ,EE 1

29、212 ,EE 2 . 分阶绝缘分阶绝缘 分阶绝缘是指由介电常数不同的多层介质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。常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。 0 r R U E R r 0 r0 max E min E 单相圆芯均匀介质电缆：单相圆芯均匀介质电缆： 0 ln r R r U E 0 0 max ln r R r U E 0 rR U Eav 平均场强：平均场强： 00 0 max ln r R rR r E Eav 利用系数：利用系数： 0 r 2 rR U E R r 0 r 2 r 0 1 2 max2 E max1 E min2 E min1 E 2 r分阶半径分阶半径 ： 20 rrr 220 2 1 1 1 ln 1 ln 1 r R r r r U E : 2 Rrr 220 2 1 2 2 ln 1 ln 1 r R r r r U E 例题例题:用多层介质计算绝缘材料中含气泡时，气泡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。中电场增加的倍数。 设绝缘层的相对介电常数为设绝缘层的相对介电常数为 1；气泡的；气泡的相对介电相对介