高铁高压供电设备之液体和固体电介质的击穿特性-液体电介质的击穿特性

液体电介质的击穿机理液体电介质的击穿机理液体电介质：天然的矿物油人工合成油蓖麻油从石油中提炼出来的矿物绝缘油，通过不同程度的精炼，可分别作为高压电气设备中的变压器油、电缆油和电容器油等。变压器中的绝缘油：散热、灭弧。液体电介质的击穿机理液体电介质的击穿1.纯净液体电介质的击穿：（1）电击穿理论介质中总存在一些初始电子在电场作用下向阳极作加速运动并积累能量，与液体分子发生碰撞产生碰撞游离，形成电子崩导致液体电介质失去绝缘能力而发生击穿。纯净液体的耐电强度比常态气体的耐电强度高得多，击穿场强可达1000kV（幅值）/cm以上。液体电介质的击穿机理（2）气泡击穿理论电子在电场作用下运动所形成的电子电流会使液体发热而分解出气泡；产生气泡的原因：电子在电场中运动会与液体电介质分子发生碰撞而导致液体分子解离产生气泡；由于电极表面粗糙等原因导致局部电场集中处发生电晕放电而使液体加热汽化产生气泡。气泡击穿理论依赖于气泡的形成、发热膨胀、气体通道的扩大并排列成“小桥”，有热的过程，属于热击穿的范畴。液体电介质的击穿机理（2）气泡击穿理论当纯净液体电介质承受较高的电场强度时，在其中会有气泡产生。在交流电压下，气泡中的电场强度与油中的电场强度按各自的介电常数成反比分配，因而在气泡上分配到较大的场强，但气体的击穿场强又比液体介质的击穿场强低得多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度升高、体积膨胀，电离进一步发展。与此同时，电离产生的带电粒子又不断撞击液体分子，使液体分解出气体，扩大了气体通道。如果许多电离的气泡在电场中排列成连通两电极的“小桥”，击穿就可能在此通道中发生。液体电介质的击穿机理2.工程用液体电介质的击穿工程用液体电介质杂质的存在使液体的击穿场强大大降低，约为120～200kV（幅值）/cm。工程用变压器油所含杂质主要是：油与大气接触时从大气中吸收的气体和水分、脱落的纸或布的纤维以及油质劣化分解出的气体、水分和聚合物等。液体电介质的击穿机理2.工程用液体电介质的击穿工程用液体电介质杂质的存在使液体的击穿场强大大降低，约为120～200kV（幅值）/cm。工程用变压器油这些杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同，因而会畸变油中电场的分布，影响油的击穿场强。液体电介质的击穿机理“小桥”理论液体电介质中水和纤维的εr（分别为81和6～7）比油的εr（1.8～2.8）大得多，这些杂质很容易极化并沿电场方向定向排列成杂质小桥。液体电介质的击穿机理这时会发生两种情况：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电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。液体电介质的击穿机理这时会发生两种情况：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，发热严重，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。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施01液体电介质击穿电压的影响因数02提高液体电介质击穿电压的措施液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施一、液体电介质击穿电压的影响因数影响液体电介质击穿电压的因数1液体电介质品质的影响11温度的影响21电场均匀度的影响31电压作用时间的影响41油压的影响5液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施1液体电介质品质的影响1从液体电介质的品质取决于其所含杂质的多少。含杂质越多，液体的品质越差，击穿电压越低。对于液体电介质，通常用标准油杯按标准试验方法测得的工频击穿电压来衡量其品质的优劣。我国采用的标准油杯（单位：mm）1——绝缘杯体2——黄铜电极液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施变压器油的电气强度要求：额定电压等级（KV）用标准油杯测得的工频击穿电压有效值（KV）额定电压等级（KV）用标准油杯测得的工频击穿电压有效值（KV）新油，不低于运行中的油，不低于新油，不低于运行中的油，不低于15及以下20~3563~22025304020303533050050604550变压器油在标准油杯和标准试验条件下的击穿场强在20～60kV之间，相应的击穿场强有效值为80～240kV/cm，约为空气击穿场强[30kV（峰值）/cm=21kV（有效值）/cm]的4～10倍。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施变压器油本身的某些杂质对耐电强度的影响：标准油杯中变压器油的工频击穿电压有效值与含水量的关系含水量1液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施水分在油中有三种存在方式：溶解态当含水量极微小时，水分以分子状态溶解于油中，这种溶解态的水分高度分散、分布均匀，对油的耐电强度影响不大；悬浮态当含水量超过其溶解度时，多余的水分便以乳化状态悬浮于油中，这种悬浮态的小水滴在电场的作用下将极化而沿电场方向伸长，会畸变油中的电场分布，并可能在电极间连成小桥，对油的耐电强度有很强烈的影响；液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施油水分层当含水量继续增大时，只有一定数量的水分能悬浮于油中，多余的水分沉淀到油的底部，击穿电压不再下降，但这对于油的绝缘性能是非常有害的。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施含纤维量2当油中有纤维存在时，在电场力的作用下，纤维将沿着电场方向极化排列成杂质小桥，使油的击穿电压大大下降。纤维具有很强的吸附水分的能力，吸湿的纤维对击穿电压的影响更大。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施含气量3绝缘油能够吸收和溶解相当数量的气体，其饱和溶解量主要由气体的化学成分、气压、油温等因素决定。溶解于油中的气体在短时间内对油的性能影响不大，主要是使油的黏度和耐电强度稍有降低。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施含碳量4一方面，碳粒本身为导体，它散布在油中，使碳粒附近局部电场增强，从而使油的耐电强度降低；碳粒对油的耐电强度有两方面的作用：另一方面，新生的活性炭粒有很强的吸附水分和气体的能力，从而使油的耐电强度提高。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施总的来说，细而分散的碳粒对油的耐电强度的影响并不显著，但碳粒（再加吸附了某些水分和杂质）逐渐沉淀到电气设备的固体介质表面形成油泥，易造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施1温度的影响2标准油杯中变压器油工频击穿电压有效值与温度的关系1——干燥的油2——潮湿的油液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施曲线2：油为潮湿的油，油中水分的状态视温度的情况而异。油温在0℃以下，水滴冻结成冰粒，油将逐渐凝固，使击穿电压升高。油温度为0～5℃范围内，全部水分转化为乳浊状态，导电小桥最易形成，出现击穿电压最小值。油温由0℃开始上升，一部分水分从悬浮态转化为溶解态，使击穿电压上升；油温超过80℃，水开始汽化产生气泡，引起击穿电压下降，在60～80℃范围内出现击穿电压的最大值；液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施1电场均匀度的影响3保持油温不变，改善电场的均匀度，能使优质油的工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。品质差的油由于含杂质较多，改善电场对提高其工频击穿电压的效果较差。在冲击电压下，因杂质来不及形成小桥，杂质对击穿电压的影响很小，所以改善电场总能显著提高其冲击击穿电压。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施1电压作用时间的影响4变压器油的击穿电压峰值与电压作用时间的关系液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施当电压作用时间极短小于毫秒级（如雷电冲击电压）时，油的击穿属于电击穿性质，击穿电压比较高，且影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度，杂质在其中的影响还不能显示出来；当电压作用时间更长时，油中的杂质开始聚集，且有足够的时间在间隙中形成小桥，油隙的击穿开始出现热过程，击穿电压随电压作用时间的增长而显著下降，属于热击穿的性质。液体电介质击穿电压的影响因数及提高措施1油压的影响5不论电场是否均匀，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增大而增大，尤其在均匀电场中更为明显。这是因为随着压力的增加，油中气体的溶解度会随之增大，且气泡发生局部放电的起始电压也相