《城市轨道交通电气设备测试（第2版）》 课件2.4固体电介质绝缘及应用

《绝缘材料特性》固体电介质绝缘及应用目录01固体电介质绝缘定义02固体绝缘材料分类03变压器固体绝缘材料04影响固体绝缘性能的主要因素05提高固体电介质绝缘措施01固体电介质绝缘定义

电力设备中由绝缘材料组成的绝缘系统，是设备正常工作和运行的基本条件，其使用寿命是由绝缘材料寿命所决定的。固体电介质绝缘定义

绝缘材料是用以隔绝不同导电体的固体。一般还要求固体绝缘材料兼具支撑作用。固体绝缘材料由于密度较高，因而击穿强度也高得多，固体绝缘材料的绝缘电阻、介电常数的变化范围很广泛。

固体纸绝缘包括：绝缘纸、绝缘板、绝缘垫、绝缘卷、绝缘绑扎带等，其主要成分是纤维素。绝缘纸老化后，老化产物大多对电气设备有害，会使绝缘纸的击穿电压和体积电阻率降低、介质损耗增大、抗拉强度下降，甚至腐蚀设备中的金属材料。固体绝缘具有不可逆转的老化特性，其机械和电气强度的老化降低都是不能恢复的。

固体电介质的击穿包括电击穿、热击穿、电化学击穿。02固体绝缘材料分类固体绝缘材料分类固体绝缘材料分类

无机固体绝缘材料：粉云母及云母制品，玻璃、玻璃纤维及其制品，以及电瓷、氧化铝膜等。它们耐高温、不易老化，具有相当的机械强度，其中某些材料成本低，在应用中占有一定地位。

有机固体绝缘材料：天然的有机如纸、棉布等。这些材料都具有柔顺性，能满足应用工艺要求，又易于获得。有机硅树脂结合大大提高了耐热等级，聚乙烯缩甲醛为漆基制成的漆包线开拓了漆包线的广阔前景，替代了丝包线和纱包线。聚酯薄膜的厚度仅几十个微米，用它代替原来的纸和布，使电机、电器的技术经济指标大为提高。03变压器固体绝缘材料变压器固体绝缘材料

油浸式变压器的内绝缘主要采用油纸绝缘结构，常采用的植物纤维纸及其制品包含电缆纸、电话纸、皱纹纸、金属皱纹纸、点胶绝缘纸、绝缘纸板等。3.1绝缘纸

绝缘纸是油浸式变压器中最常用的绝缘材料，具有透气性、吸水性和吸油性，击穿电场强度、机械强度和耐热性均不高。但干燥浸渍变压器油后，电气性能很好,如图2-17所示绝缘纸。变压器固体绝缘材料图2-17绝缘纸变压器固体绝缘材料

绝缘纸具有良好的电气性能、机械强度和热稳定性等良好特性，使用广泛。良好的电气性能指电导率小，介质损耗低，介电常数越接近变压器油的介电常数。较高的机械强度主要指抗张强度和伸长率，在一定力的作用下不发生变形和破坏。较好的热稳定性指足够的耐热性能，极小的介电损耗，较高的导热系数。3.2绝缘纸板

绝缘纸板由木质纤维或掺有适量棉纤维的混合纸浆经抄纸、压光而制成，主要有木质纤维和棉纤维1∶1压制型和不掺棉纤维的木质纤维型等。在变压器绝缘中，绝缘纸板被广泛用于主绝缘的隔板（纸筒）、线圈间支撑条、垫块、线圈的支撑绝缘和铁轭绝缘。在100

kV及以上变压器中用作隔板、角环等的绝缘纸板，厚度有0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.5mm和3

mm，目前已开始采用4～8

mm的厚纸板。变压器固体绝缘材料

电缆纸（0.08~0.12mm厚）用于导线绝缘、层间绝缘和引线绝缘，电话纸用于出线头和引线绝缘，皱纹纸用于出线头和引线绝缘，绝缘纸板用于绕组间的垫块、隔板、绝缘筒、角环，绝缘成型件直接用纸浆按电场形状制成，如图2-18所示固体绝缘纸板。图2-18固体绝缘纸板变压器固体绝缘材料3.3绝缘纸的性能油浸式变压器中使用的绝缘纸（纸板）特性：（1）良好的电气性能，电导率γ小，介质损耗低，介电常数越接近变压器油的介电常数越好。（2）较高的机械强度，主要是抗张强度和伸长率，在一定力的作用下不发生变形和破坏。（3）较好的热稳定性，又有足够的耐热性能、极小的介电损耗，较高的导热系数。

干燥的绝缘纸绝缘特性好，机械性能佳，应用广泛，相对介电常数约为3.74。变压器油除了为主要绝缘介质，也是冷却介质，其相对介电常数约为2.2。由绝缘纸和变压器油组成的油纸绝缘有非常好的电气性能，在短时间的电压作用下，耐压强度可达50～120

kV/mm。变压器固体绝缘材料

绝缘纸同样会由于在变压器运行过程中受到电、热、机械等多种应力的综合作用而发生老化，导致其电气性能和机械强度逐渐降低。变压器固体绝缘纤维素大分子的老化过程就是纤维素的降解过程，它是由水解、氧化裂解、光化学裂解、热裂解、微生物分解等多种外界因素、多种降解过程综合作用的结果，但起主要作用的是水解、氧化降解和热降解三种降解方式。04影响固体绝缘性能的主要因素影响固体绝缘性能的主要素影响固体绝缘性能的主要因素4.1温度的影响影响固体绝缘性能的主要因素

电力变压器为油、纸绝缘，在不同温度下油、纸中含水量有着不同的平衡关系曲线。一般情况下，温度升高，纸内水分要向油中析出；反之，则纸要吸收油中水分。因此，当温度较高时，变压器内绝缘油的微水含量较大；反之，微水含量就小。

国际电工委员会（1EC）认为A级绝缘的变压器在80～140C温度范围内，温度每增加6C，变压器绝缘有效寿命降低的速度就会增加1倍，这就是6C法则。变压器的寿命取决于绝缘的老化程度，而绝缘的老化又取决于运行的温度。如油浸变压器在额定负载下，绕组平均温升为65C，最热点温升为78C，若平均环境温度为20C，则最热点温度为98C；在这个温度下，变压器可运行20～30年，若变压器超载运行，温度升高，促使寿命缩短。4.2湿度的影响影响固体绝缘性能的主要因素

水分的存在将加速纸纤维素降解，因此，CO和CO2的产生与纤维素材料的含水量也有关。当湿度一定时，含水量越高，分解出的CO2越多；反之，含水量越低，分解出的CO就越多。

绝缘油中的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与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，绝缘性能劣化。而设备受潮，不仅导致电力设备的运行可靠性和寿命降低，更可能导致设备损坏甚至危及人身安全。4.3过电压的影响影响固体绝缘性能的主要因素

对于运行中的暂态过电压，例如变压器正常运行产生的相、地间电压是相间电压的58%，但发生单相故障时主绝缘的电压对中性点接地系统将增加30%，对中性点不接地系统将增加73%，因而可能损伤固体绝缘。

雷电过电压的影响在于雷电过电压由于波头陡，引起纵绝缘（匝间、并间、绝缘）上电压分布很不均匀，可能在绝缘上留下放电痕迹，从而使固体绝缘受到破坏。

操作过电压的影响在于操作过电压的波头相当平缓，所以电压分布近似线性，操作过电压波由一个绕组转移到另一个绕组上时，约与这两个绕组间的匝数成正比，从而容易造成主绝缘或相间绝缘的劣化和损坏。4.4短路电动力的影响影响固体绝缘性能的主要因素

出口短路时的电动力可能会使变压器绕组变形、引线移位，从而改变了原有的绝缘距离，使绝缘发热，加速老化或受到损伤造成放电、拉弧及短路故障。

判断固体绝缘性能可以设法取样测量纸或纸板的聚合度，或利用高效液相色谱分析技测量油中糠醛含量，以便分析变压器内部存在故障时，是否涉及固体绝缘或是否存在引起线圈绝缘局部老化的低温过热，或判断固体绝缘的老化程度。对纸纤维绝缘材料在运行及维护中，应注意控制变压器额定负荷，要求运行环境空气流通、散热条件好，防止变压器温升超标和箱体缺油。还要防止油质污染、劣化等造成纤维的加速老化，而损害变压器的绝缘性能、使用寿命和安全运行。05提高固体电介质绝缘措施5.1改进绝缘设计提高固体电介质绝缘措施

均匀电场的平均击穿场强比极不均匀电场间隙的要高得多。电场分布越均匀，平均击穿场强也越高。因此改善电场均匀分布，改进电极形状，增大电极曲率半径，电极表面应尽最避免毛刺、棱角等，以消除电场局部增强的现象，从而提高绝缘水平。5.2改进制造工艺

绝缘材料制造过程中，清除气泡、水分等，采用干燥、浸渍等工艺技术，采用更高等级的绝缘材料，可以提高固体材料绝缘水平。

氧化锌避雷器采用氧化锌压敏电阻材料取代阀型避雷器的阀片电阻，通流能力提高4倍以上，氧化锌避雷器在制造工艺上是无间隙，比有间隙的阀型避雷器更能防潮。提高固体电介质绝缘措施

HY型复合氧化锌避雷器采用老化性能好、气密性好的优质复合外套，采用控制密封圈压缩量和增涂密封胶等措施，陶瓷外套作为密封材料，确保密封可靠，使避雷器的性能稳定，同时无间隙氧化锌避雷器具有较高的耐污秽性能。由于HY型复合氧化锌避雷器内部采用特殊结构，用先进工艺方法装配而成，具有硅橡胶材料和氧化锌电阻片的双重优点。除具有瓷外套氧化锌避雷器的所有优点外，还具有绝缘性能好、高的耐污秽性能、良好的防爆性能以及体积小、重量轻、平时不需维护、不易破损、密封可靠、耐老化性能优良等优点，如图2-19所示10KV氧化锌避雷器HY5WS-17/50。提高固体电介质绝缘措施图2-1910KV氧化锌避雷器HY5WS-17/505.3改善运行条件提高固体电介质绝缘措施

在高压设备运行中，注意防潮、防污、散热、防腐、机械损伤等，加强散热冷却，例如变压器排风散热，如图2-20所示为变压器强排风扇。图2-20变压器强排风扇5.4.定期清扫提高固体电介质绝缘措施

在输电线路长期运行的过程中，绝缘子表面附着上一层杂质，对绝缘性能下降，因此需要进行清扫工作，将绝缘子表面的杂质清除掉，可以采用干布擦拭或大电阻率的绝缘水带电冲洗