《城市轨道交通电气设备测试（第2版）》 课件2.3液体电介质绝缘及应用

《绝缘材料特性》液体电介质绝缘及应用目录01液体绝缘介质定义02液体绝缘介质特性03影响液体绝缘介质的因素04提高液体绝缘介质绝缘性能措施05液体绝缘介质劣化及处理01液体绝缘介质定义

液体绝缘介质是指电气设备中起绝缘作用的液体电介质，如变压器油，在电气设备中主要起着绝缘、冷却、灭弧、填充的作用。液体绝缘介质定义

由于液体绝缘介质和气体绝缘介质的流动性，所以介质击穿后具有“自愈性”，同时比气体绝缘介质绝缘性能好，所以应用广泛，主要应用在变压器、断路器、电抗器、互感器、套管、油开关、电容器和电缆等油浸式的电气设备中。02液体绝缘介质特性2.1变压器油的作用液体绝缘介质特性2.2绝缘作用液体绝缘介质特性

变压器油首要功能就是绝缘性能可靠。在电气设备中，变压器油可将不同电位的带电部分隔离开来，增加了绝缘强度，使其不至于形成短路，避免被击穿。空气的介电常数为1.0，而变压器油的介电常数为2.25，也就是说，油的绝缘强度要比空气的大得多。2.3冷却作用

变压器在带电运行过程中，由于线圈有电流通过，因电阻引起功率损耗，这部分损耗称为“铜耗”。电流通过铁心时，由于铁心磁通发生作用，引起功率损耗，这部分损耗称为“铁心损耗”。这两部分损耗均以发热的形式表现出来。如果不将线圈内的这种热量散发出去，它必然会使线圈和铁心内积蓄的热量越积越多而使铁心内部温度升高，从而会损坏线圈外部包覆的固体绝缘，以致烧毁线圈。若是使用变压器油，那么线圈内部产生的这部分热量，先是被油吸收，然后通过油的循环而使热量散发出来，从而保证设备的安全运行。2.4灭弧液体绝缘介质特性

在开关设备中，变压器油主要起灭弧作用。当油浸开关在切断电力负荷时，其固定触头和滑动触头之间会产生电弧，此时的电弧温度很高，并且随开断电流的大小而不同。如果不将弧柱的热量带走，使触头冷却，那么在初始电弧发生之后，还会有连续的电弧产生，从而很容易使设备烧毁，同时还会引起过电压的产生而使设备损坏。当油浸开关在最初开断而受到电弧作用时，由于高温会使油发生剧烈的热分解，而产生约70%的氢气，同时由于氢的导热系数较大（该系数约为41），此时氢气就可以吸收大量的热，并且将热量传导至油中，而直接将触头冷却，从而达到了灭弧的目的。2.5填充液体绝缘介质特性

由于变压器油能充填在绝缘材料的空隙中，所以可以起到保护铁心和线圈组件的作用，同时可将易于氧化的纤维素和其他材料所吸收的氧含量减少到最低限度。也就是说，油会使混入设备中的氧首先起氧化作用，从而延缓了氧对绝缘材料的侵蚀。

绝缘油在热和电的作用下，能分解出氢、一氧化碳、二氧化碳以及多种小分子烃类气体，充油设备内部故障的类型及其严重程度与这些气体组分及产气速率有着密切关系。目前利用这一关系监视充油设备的运行状况，判断充油设备内部故障，已成为电力系统对充油设备进行技术监督，保证电网安全运行不可缺少的手段。液体绝缘介质特性

以油浸变压器为例，变压器油大大提高了电气绝缘强度，缩短了绝缘距离，减小了设备的体积，提高了变压器的有效热传递和散热效果，提高了导线中允许的电流密度，减轻了设备重量。它是将运行变压器器身的热量通过变压器油的热循环，传递到变压器外壳和散热器进行散热，从而提高了有效的冷却降温水平。由于油浸密封而降低了变压器内部某些零部件和组件的氧化程度，延长了使用寿命。根据变压器使用周期，也需要制订相应的试验计划对变压器油进行在线监测和离线试验，在线监测以变压器色谱在线监测为主，离线试验其中一项重要试验就是绝缘油介质强度耐压试验。03影响液体绝缘介质的因素影响液体绝缘介质的因素

纯净液体的击穿主要是碰撞电离击穿和气泡击穿，因而密度大的液体击穿强度较高；升温使密度减小，击穿强度降低；减薄油层可提高击穿强度；随着电压作用时间的减少与环境压力的提高，击穿电压提高。

绝缘油水中微量水分是影响绝缘特性的重要因素之一。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能和理化性能都有极大的危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低，介质损耗因数tan增大，促进绝缘油老化，使绝缘性能劣化，损坏电力设备，导致运行安全与人身安全。影响液体绝缘介质的因素液体绝缘性能会受到的影响有：影响液体绝缘介质的因素

杂质包括水分、纤维、微生物、金属粉尘微粒等。有微量水在变压器油中，就会使用油的击穿电压大幅下降。当油中含水量达十万分之几时，就会对击穿电压有明显的影响。3.1杂质

高压电气设备中油长期在高温、电磁场作用下，极易产生化学复分解反应，在油中生成新的化学成分使油老化。油产生劣化的因素很多，其中最主要是空气的影响。空气中含有水分、杂质、微生物等，在与油接触中，这些杂质均可进入油中；尤其是空气中的氧气是变压器油被氧化时氧的主要来源之一。

在热、氧、水分、触媒以及电场作用下，如果发生油的颜色变深、黏度增大、酸值变大、闪点降低、电气性能下降、界面张力减小，甚至生成褐黑色沉淀物，则认为此油已经老化。当变压器油老化时，不溶于油的杂质沉淀于固体绝缘物上，导致绝缘性能下降。影响液体绝缘介质的因素

环境因素对绝缘内部造成的老化主要是使其受潮。绝缘受潮后其绝缘电阻和介质损耗将增大.从而有可能引起热击穿。由于水分是强极性液体，绝缘受潮后其介电常数也将增加。如果材料受潮不均匀，将引起电场分布的变化，从而降低其耐电强度。绝缘油只要轻微受潮，例如每吨油中只需含有几十克水分，浸油绝缘的短时耐电强度就将显著降低。如图2-13所示为水对绝缘油的绝缘性能影响，图2-14所示为绝缘油微量水分测定仪。图2-13水对绝缘油的绝缘性能影响影响液体绝缘介质的因素图2-14绝缘油微量水分测定仪影响液体绝缘介质的因素

绝缘受潮后原则上是可逆的，即通过干燥而恢复其性能。

水分能通过各种途径影响氧化，它能提高金属的催化活性，使油加速氧化并生成大量的沉淀物。

微量的油泥和各种形式的杂质也起着不同程度的催化作用。油的某些氧化物对油的进一步氧化来说也是催化剂，所以应避免不同氧化程度的油混合。混合时，严重氧化的油可能有些改善，但是这种好处远远补偿不了轻度氧化油寿命的降低。当用新油更换严重污染的油时，必须彻底清洗器身。旧油中通常含有铜和铁的可溶性化合物，一旦它们混在新油中，将对新油的氧化起着强烈的催化作用。影响液体绝缘介质的因素

击穿电压与温度的关系比较复杂，与电场均匀程度、油品、电压类型都有关系。3.2温度

局部过热和温度升高，将使油裂解为低分子烃，造成油的闪点降低。而局部放电的电弧会使油碳化，使油的绝缘性能变劣。油被空气中的氧氧化，生成醛、酮和有机酸等，使酸值和黏度增加。而日光的照射也加速油的老化。

油的劣化速度还决定于温度，平均温度每升高10C，油的劣化速度就增加2倍。另外，油的烃类组成成分对油的劣化速度也有关系，因为油是多种烃类化合物，而各种烃类的抗氧化能力也是各不相同的，特别是一些油中杂质，对油的劣化也起着一定的影响。油氧化的起始温度是60～70C。在此温度以下，油几乎很少发生任何变质。当温度达到120C时，氧化较剧烈，温度达160C时，氧化最剧烈。影响液体绝缘介质的因素

电压作用时间越长，击穿电压越低，会使击穿更容易。3.3电压作用时间3.4压力

压力越大，液体中气泡的电离电压增高，气体在油中的溶解度增大，击穿电压也增大。3.5电场均匀程度

液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关，电场不均匀程度越大，击穿电压的分散性越小。工频击穿电压的分散性在极不均匀电场不超过5%，在均匀电场往往达到30%～40%。04提高液体绝缘介质绝缘性能措施提高液体绝缘介质绝缘性能措施

采用过滤、脱气、干燥等方法消除液体中的杂质，这个方法能有效消除“杂质小桥”的形成，从而提高击穿电压。4.1提高油的品质4.2覆盖层

当油品较差，电场均匀、电压长时间作用时，使用覆盖层效果较好。例如，变压器中常利用薄的绝缘纸包裹高压引线和绕组导线，从而提高绝缘耐压水平，减少放电。4.3绝缘层

这个方法适用于不均匀电场，例如变压器中常利用厚的绝缘层包裹金属高压引线和屏蔽环，提高绝缘耐压水平。这个是由于固体介质的介电常数大于液体绝缘介质，从而减少电极附近的电场强度，防止电极局部放电。提高液体绝缘介质绝缘性能措施

这个方法适用于均匀电场和不均匀电场中电压作用时间较长的情况，例如，在变压器中利用多个绝缘板做成圆筒、圆环状，置于铁心和绕组、高低压绕组间，将一个油隙分隔成多个油隙，从而提高击穿电压。其原因在于固体绝缘板阻隔杂质形成小桥，改善电场分布,如图2-15所示为圆筒绝缘板。4.4.屏障提高液体绝缘介质绝缘性能措施图2-15圆筒绝缘板05液体绝缘介质劣化及处理液体绝缘介质劣化及处理

介质损耗tan、黏度、凝点和酸价等是绝缘油的主要性质指标，正常情况下绝缘油的氧化过程进行得很缓慢，具有稳定优良的绝缘性能和导热性能。如果维护得当甚至使用20年还可保持应有的质量而不老化，但混入油中的金属、杂质、气体等会加速氧化，使油质变坏，颜色变深，油的性质劣化。

5.1劣化的原因

变压器油劣化的原因主要是杂质的存在。变压器油质变坏，按轻重程度可分为污染和劣化两个阶段。污染是油中混入水分和杂质，这些不是油氧化的产物，污染油的绝缘性能会变坏，击穿电场强度降低，介质损失角增大。

变压器油氧化时，作为催化剂的水分及加速剂的热量，使变压器油生成油泥，其影响主要表现在：在电场的作用下沉淀物粒子大；杂质沉淀集中在电场最强的区域，对变压器的绝缘形成导电的“桥”；沉淀物并不均匀而是形成分离的细长条，同时可能按电力线方向排列，这样无疑妨碍了散热，加速了绝缘材料老化，并导致绝缘电阻降低和绝缘水平下降。液体绝缘介质劣化及处理

5.2劣化过程

油在劣化过程中主要阶段的生成物有过氧化物、酸类、醇类、酮类和油泥。早期劣化阶段,油中生成的过氧化物与绝缘纤维材料反应生成氧化纤维素，使绝缘纤维机械强度变差，造成脆化和绝缘收缩。生成的酸类是一种黏液状的脂肪酸，尽管腐蚀性没有矿物酸那么强，但其增长速率及对有机绝缘材料的影响是很大的。

后期劣化阶段，当酸侵蚀铜、铁、绝缘漆等材料时，反应生成油泥，是一种黏稠而类似沥青的聚合型导电物质，它能适度溶解于油中，在电场的作用下生成速度很快，黏附在绝缘材料或变压器箱壳边缘，沉积在油管及冷却器散热片等处，使变压器工作温度升高，耐电强度下降。液体绝缘介质劣化及处理

5.3变压器油质分析、判断及维护处理

纯净的变压器油的耐压强度，高压电压为35kV以下试验值不低于25kV；电压为35kV及以上试验值不小于35kV。油中只混有水分和杂质，这种污染情况并不改变油的基本性质。对于水分可用干燥的办法加以排除；对于杂质可用过滤的办法加以清除；油中的空气可通过抽真空的办法加以排除。绝缘油变质，对绝缘油进行再生处理，可能消除油变质的产物。绝缘油进水受潮，在电场的作用下易电离分解，而增加了绝缘油的电导电流，微量的水分可使绝缘油介质损耗显著增加。通过测试绝缘油的微水，判