第三章(液固击穿)

1、高电压技术高电压技术邱巍邱巍电气工程系电气工程系输电教研室输电教研室High Voltage Technology第三章第三章 液体和固体介质的电气性能液体和固体介质的电气性能主要内容主要内容n液体电介质的击穿理论n影响液体电介质击穿电压的因素n提高液体电介质击穿电压的方法一、一、 常用的液体介质常用的液体介质 变压器油、电容器油、电缆油等矿物油变压器油、电容器油、电缆油等矿物油二、分类二、分类 纯净的液体电介质纯净的液体电介质 工程用液体电介质工程用液体电介质 三、击穿机理不同三、击穿机理不同 电击穿理论电击穿理论 气泡击穿理论气泡击穿理论 小桥击穿理论小桥击穿理论 3.2 液体电介质的击穿

2、液体电介质的击穿纯净液体的电击穿理论纯净液体的电击穿理论电击穿：电击穿：认为在电场作用下，阴极上认为在电场作用下，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，最后导产生碰撞电离形成电子崩，最后导致液体击穿致液体击穿纯净液体的电击穿理论纯净液体的电击穿理论n气泡击穿：气泡击穿：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，由气泡内的气体放电而引起液体击穿。纯净液体的电击穿理论纯净液体的电击穿理论液体中气泡产生的原因：液体中气泡产生的原因：n电子流加热液体介质，分解出气体；电子流加热液体介质，分解出气体；n电子碰撞液体分子，使之解

3、离产生气体；电子碰撞液体分子，使之解离产生气体；n电极表面吸附的气泡脱离出来；电极表面吸附的气泡脱离出来；n电极上的凸起物上的电晕放电引起液体电极上的凸起物上的电晕放电引起液体气化气化气泡击穿机理气泡击穿机理n机理： 串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比。气泡的 小于液体的 ，小于液体的 ，承担比液体更 高的场强，而气体耐电强度却低，因此，气泡先行电离。当电离的气泡在电场气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生1rr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n液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，

4、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二二. 影响变压器油击穿电压的因素影响变压器油击穿电压的因素2. 电压作用时间电压作用时间3. 电场均匀度电场均匀度4. 温度温度油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量5. 压力压力标准油杯标准油杯n判断油的质量，用标准油判断油的质量，用标准油杯测量油的工频击穿电压。杯测量油的工频击穿电压。n我国采用的标准油杯极间我国采用的标准油杯极间距离为距离为2.5mm，电极是电极是直径等于直径等于25mm的圆盘型的圆

5、盘型铜电极，电极的边缘加工铜电极，电极的边缘加工成半径为成半径为2.5mm的半圆的半圆以减弱边缘效应以减弱边缘效应 00.020.042040Ub(kV)含水量(%)标准油杯实验标准油杯实验含水量的影响含水量的影响液态水在油中的两种状态：n以分子状态溶解于油中n以乳化状态悬浮在油中n随着温度的变化而相互转化0 80 n在电场的作用下，纤维形成“小桥 ”，使油的击穿电压降低n有很强的吸附水分的能力 ，联合作用使击穿电压降低更为严重含纤维量的影响含纤维量的影响四、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提高并保持油的品质提高并保持油的品质 n提高：去杂质、水分、有机酸提高：去杂质

6、、水分、有机酸:(制造时过滤制造时过滤) n去气体去气体:(制造时真空注油制造时真空注油)n保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化 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

7、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：割断杂质小桥的形成作用：割断杂质小桥的形成 n使另一侧油隙的电场变均匀（不均匀场中）使另一侧油隙的电场变均匀（不均匀场中） n在极不均匀场中效果明显。面积应足够大在极不均匀场中效果明显。面积应足够大 一一. 固体介质击穿的特点固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

8、；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；4.2 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10-610-31031106Ebt/s 二二. 击穿理论击穿理论电击穿：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，破坏了固体介质的晶格结构，使发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击穿电导增大而导致击穿。特点：特点：电压作用时间短、击穿电压高

9、，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：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，热击穿电压直接与散热条件有关热击穿电压直接与散热条件有关电压作用下电压作用下引起介质损耗，引起介质损耗，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

10、击穿：电化学击穿：固体介质在长期工作电压下，由于固体介质在长期工作电压下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击穿。气强度逐渐下降并引起的击穿。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：放电过程产生活性气体放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和等对介质产生氧化和腐蚀作用，使介质逐渐劣化；腐蚀作用，使介质逐渐劣化；放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升，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；加速介质氧化并使局部电导和介质损

11、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；解；放电产生的高能辐射线引起材料分解；放电产生的高能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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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，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

17、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 (

18、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 热老化的热老化的8规则规则4.4 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

19、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

20、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

21、能太小，屏障的总厚度也不能取得太大相邻屏障的距离不能太小，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11E22EUd1d2d2211EE2211dEdEU)/(221111ddUE)/(221122ddU

22、E212221)(ddUE12Edd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）111E、222E、1212,EE 1212,EE 2 . 分阶绝缘分阶绝缘分阶绝缘是指由介电

23、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。0rRUERr0r0maxEminE单相圆芯均匀介质电缆：单相圆芯均匀介质电缆：0lnrRrUE 00maxlnrRrUE0rRUEav平均场强：平均场强：000maxlnrRrRrEEav利用系数：利用系数：0r2rRUERr0r2r012max2Emax1Emin2Emin1E2r分阶半径分阶半径：20rrr2202111ln1ln1rRrrr

24、UE:2Rrr2202122ln1ln1rRrrrUE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电 常数为常数为1 1；外加交流电压为；外加交流电压为U U，绝缘层和气泡中绝缘层和气泡中 电场分别为电场分别为E E1 1和和E E2 2，电极距离为电极距离为d d，气泡直径为气泡直径为r r解题解题：d1=d-r；d2=r； E = U/d； E2 = 1U/( 1d2 + 2d1)= 1U/（ 1-1）r +d 增加的倍数：增加的倍数：( (