高电压技术第四章 固体、液体和组合绝缘的电气强度介质的击穿

1、第四章第四章 固体、液体和固体、液体和组合绝缘的电气强度介质组合绝缘的电气强度介质的击穿的击穿n气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高强度最高n固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一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集中，也可指介质的不均匀性4.14.1 固体电介质击穿的机理固体电介质击穿的机理区域B区域A区

2、域Cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （）电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 1. 固体电介质击穿特性的划分固体电介质击穿特性的划分AB：电击穿电击穿C：热击穿热击穿n电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基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，在电场础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速

3、下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿2. 电击穿电击穿3. 热击穿热击穿A AB B504030201000 20 40 60 80 100 120 140 160crcr()()Ub（kV）（有效值）交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系 热击穿的概念：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。，损耗发热也随之增大。 在电介质不断

4、发热升温的同时，也存在一个通过电极及其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，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。最终击穿，这一过程称为电介质的热击穿过程。 热击穿的理论分析热击穿的理论分析电压：电压：U1U2U3曲线曲线1,2,31,2,3：电介质发热量电介质发热量Q与介质中最高温度与介质中最高温度tm的关系的关系 直线直线4 4：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度表示固体介

5、质中最高温度大于周围环境温度t0 时，散出的热量时，散出的热量Q与介质中最高温度与介质中最高温度tm的关系的关系 btmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 曲线曲线 1 1： 发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1下最终必定发生热击穿下最终必定发生热击穿btmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 曲线曲线 3 3：t t ta ta 时：曲线在直线时：曲线在直线4 4之上之上，不发生热击穿

6、，介质温度，不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在逐渐升高并稳定在tata，称，称tata为稳定热平衡点为稳定热平衡点ttb ttb 时：情况类似曲线时：情况类似曲线1 1，最终发生热击穿最终发生热击穿t=tb t=tb 时：发热等于散热，时：发热等于散热，但因扰动使但因扰动使t t大于大于tbtb，则介，则介质温度上升，回不到质温度上升，回不到tbtb，直，直至热击穿。称至热击穿。称tbtb为不稳定热为不稳定热平衡点平衡点 tattbtat180 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4.5 4.5 液体电介质击穿的机理液

7、体电介质击穿的机理 液体电介质液体电介质 ：纯净的液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质（水分工程用液体电介质（水分+ +杂质）杂质） 击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论小桥击穿理论n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n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n与长空气间隙的放电过程很相似 /221. 1. 纯净液体电介质的电击穿理论纯净液体电介质的电击穿理论n当外加电场较高

8、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。n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/222. 2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论纯净液体电介质的气泡击穿理论 (a) (a) 形成形成“小桥小桥” ” (b) (b) 未形成未形成“小桥小桥”受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图 /223. 3. 非纯净液体电介质的小桥击穿理论非纯净液体电介质的小桥击穿理论

9、n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n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n液体电介质最后在气体通道中发生击穿 /224.6 4.6 影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介质击穿电压的因素 n用标准油杯来检查油的质量用标准油杯来检查油的质量n平板电极间电场均匀，油中平板电极间电场均匀，油中稍有含水、含杂，含气等击稍有含水、含杂，含气等击穿电压就明显下降穿电压就明显下降n规程规定用来灌注高压电力规程规定用来灌注高压电力变压器等的变压器油，在此变压器等的变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求油杯中的工频击穿电压要

10、求在在25 40kV以上以上(与设备的额与设备的额定电压有关定电压有关)；灌注高压电缆；灌注高压电缆和电容器的用油，在油杯中和电容器的用油，在油杯中的击穿电压常要求在的击穿电压常要求在50或或 60kV以上以上 1. 杂质（悬浮水、纤维）Ub（有效值）/kV00.040.022040含水量100变压器油的工频击穿电压和含水量的关系变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 /222. 电压作用时间Ubp（kV）（峰值）01002003004005006007001234567891010-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102t（s）冲击系数Kl最小值5020稍不均

11、匀电场中变压器油的伏秒特性曲线稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线/222001.5/40（）1.5/40（）800700600500400300200100010-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102 1033.02.52.01.51.00.5t（s）冲击系数，K（最小值）Ub,p（kV）(峰值)极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线/221分钟（分钟（60S）击穿电压近似等于持久击穿电压击穿电压近似等于持久击穿电压3. 电场情况n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n液体电介质不同

12、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 /224. 温度t,4060408012020-400Ub，千伏（有效值）2.5毫米12标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系1-1-干燥的油；干燥的油； 2-2-受潮的油受潮的油/22水当水当T增加时：固增加时：固液液汽汽5.5.压强压强p/MPa0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7dd = 7.5cm2.55.0200150100500Ub(有效值)/kV变压器油（工程电介质）工频击穿电压与压强的关系变压器油（工程电介质）工频击穿电压与压强的关系 /22油中含有气体油中含有气体4.7 4.7 提高液体电介质击穿电压的方法