绝缘放电基本原理 绝缘介质 固体电介质的击穿

高压绝缘基本理论第一章第二章第三章第四章第五章电介质极化电介质电导电介质能量损耗及介质损失角正切液体电介质的击穿固体电介质的击穿影响固体电介质击穿电压的因素固体电介质的击穿理论固体电介质的击穿提高固体电介质击穿电压的方法01固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高。空气的耐电强度一般在3—4kV/mm左右；液体的耐电强度在10—20kV/mm；固体的耐电强度在十几—几百kV/mm；固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是不可恢复的绝缘。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。固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论1.固体电介质击穿特性的划分区域A：击穿时间小于10µs的区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性。区域B：击穿时间在10~0.2µs范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关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而明显下降，具有热击穿的特点。区域D：C区以外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，甚至几年电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论二、击穿理论——（一）电击穿理论机理：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。碰撞电离引起击穿的两种理论：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。A(E,α,T0)=B(α,T0)A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量E：电场，α：标志电子的状态因子，T0：晶格温度电子崩击穿理论——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。固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论电击穿的特点时间影响：电压作用时间短，击穿电压高。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。电场均匀度：电场的均匀程度影响极大。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。无关因素：击穿场强和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关。击穿理论——（二）热击穿理论机理：介质内部发热和散热的不平衡导致。介质温度升高，引起介质分解、炭化，最终导致击穿。特点：与电压作用时间有关；与发热和散热条件有关；当电压频率增大时，击穿电压将下降。固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论热击穿A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质。B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的升高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程。交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论热击穿的理论分析电压：U1＞U2＞U3曲线1、2、3：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系直线4：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系。不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论曲线1：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。不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论曲线2：与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度。不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论击穿理论——（三）电化学击穿理论机理：介质劣化的结果。局部放电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：击穿由绝缘性能下降引起，比电击穿和热击穿电压低，可以在工作电压下发生。局部放电的后果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。固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论局部放电的后果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。电介质的老化作为电气设备绝缘用的固体及液体电介质，在长期运行中不可避免地会产生各种物理和化学变化，从而使其性能随时间的增长而逐渐劣化，其电气及机械强度降低，介质损耗及电导增大等等，这一现象称为电介质的老化。引起电介质老化的因素很多，主要有热的作用、电的作用、机械力的作用以及水分、氧气等的作用。固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论1、电老化110kV变压器电容式套管电容芯子上的绝缘劣化水树枝由绝缘材料内部的局部放电引起的老化称为电老化。在局部放电过程中形成的氧化氮、臭氧等对绝缘将产生氧化和腐蚀作用，使固体电介质的绝缘劣化；同时，游离产生的带电质点对绝缘介质的撞击也将对绝缘产生破坏作用。另外，局部放电产生时，介质局部温度上升，使介质加速氧化，并使局部电导和介质损耗增加，严重时，甚至出现局部烧焦现象.固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论有机绝缘材料的树老化树老化类型：电树老化和水树老化树老化的原因电离性老化：该气隙或气泡内容易发生电离。气隙或气泡的电离，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”固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论树枝老化的一般形状Tree-like树枝状Bush-like灌木丛状chestnut-like栗子状固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论电介质中的树枝老化固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论固体电介质树枝击穿固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论2、热老化电介质在热的长期作用下发生化学反应，从而使其电气性能和其它性能逐渐变差，这一现象称为热老化。ＳＨＰＶＣ绝缘材料在１２０℃下不同时间的变化（热老化实验）固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论耐热性电介质的工作温度是由电介质的耐热性决定的。电介质的耐热性是指保证其运行安全可靠时能承受的最高允许温度。耐热性分以下两种：短时耐热性热劣化与长期耐热性固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论电介质的耐热等级耐热等级最高持续工作温度℃最高耐受温度℃O90A105150E120175B130185F155210H180235C220260固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论固体电介质的击穿固体电介质的击穿理论材料的使用温度若超过规定温度，则劣化加速。使用温度越高，寿命越短。对A级绝缘材料，使用温度若每超过规定温度8℃，则其寿命大约缩短一半，称8℃规则；对B级绝缘材料，此温度约为10℃；对H级绝缘材料，此温度约为12℃左右。变压器绕组温度与材料寿命影响固体电介质击穿电压的因素固体电介质的击穿理论固体电介质的击穿提高固体电介质击穿电压的方法01固体电介质的击穿影响固体电介质击穿电压的因素电压作用时间、温度、电场均匀程度、电压种类、累积效应、受潮、机械负荷、二次效应如空间电荷等。常用固体电介质的工频电气强度与加压时间的关系1—聚乙烯2－聚四氟乙烯3－黄蜡布4－硅有机玻璃云母带固体电介质的击穿影响固体电介质击穿电压的因素（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。固体电介质的击穿影响固体电介质击穿电压的因素（3）电场均匀程度均匀电中，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；不均匀电场中，击穿电压不随介质厚度的增加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。固体电介质的击穿影响固体电介质击穿电压的因素（4）电压种类直流击穿电压：高于工频交流击穿电压，因为仅有电导损耗。工频交流击穿电压：高于高频交流击穿电压，因为极化损耗高。冲击击穿电压：高于工频交流击穿电压。油浸电工纸板与加压时间的关系（2