电击穿电压和介质温度.ppt

1、高电压技术,高电压工程系 刘春气、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 4 kV/mm左右； 液体的耐电强度在10 20 kV/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，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘 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,2.3 固体电介质的击穿,固体击穿特性,一、固体电介质的击穿过程,1. 固体电介质击穿特性的划分 区域A：击穿时间小于10s 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

2、秒特性 区域B：击穿时间在100.2S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,电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系,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,电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系,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,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,二、 击穿理论（一）电击穿理论,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

3、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,T0)=B(,T0) A(E,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量 E：电场，：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,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

4、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：电击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关,电击穿的特点,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。,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,热击穿理论分析 电压：U1U2U3 曲线1,2,

5、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t0 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,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,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,曲线 3： tta 时：曲线在直线4之上，不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在ta，称ta为稳定热平衡点 ttb 时：情况类似曲线1，最终发生热击穿 t=tb 时：发热等

6、于散热，但因扰动使t偏离tb，则介质温度上升或下降，回不到tb。称tb为不稳定热平衡点 tattb：不会发生热击穿，介质温度将稳定在ta,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,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：电化学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。,击穿理论（3）电化学击穿理论,电介质中的树枝老化,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

7、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,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”,Tree-like 树枝状,Bush-like 灌木丛状,chest

8、nut-like 栗子状,树枝老化的一般形状,电介质中的树枝老化,设备中树老化 无法观测 微观形态控制 树枝老化观察 微观形态和树枝 老化二者的观测,试品薄膜化 控制微观结构 绝缘缺陷模拟 树枝老化监测 树枝老化研究,树老化 的研究 难点 特征,三、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,（1)电压作用时间,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,（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

9、击穿。t0 称为转折温度。,（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。,（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（25C）,（5）累积效应 击穿电压随加压次数增加而下降，累积效应局部损伤的扩展。 （6）受潮 固体电介质受潮后击穿电压会迅速下降。 （7）机械负荷 当材料出现开

10、裂或微观裂缝（热、化学等作用）时，击穿电压将显著下降。如在这些裂缝中充有污浊物或受潮后，击穿电压下降更多。,提高固体电介质击穿电压的方法,改进制造工艺：消除杂质 改进绝缘设计：电场均匀 改善运行条件：散热、防潮,2.4 组合绝缘的电气强度,油屏障式绝缘 油纸绝缘 击穿场强可达500600kV/cm，大大超过各组成成分的电气强度（油200kV/cm，纸100150kV/cm）,2.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损耗,公式推导,2.4.2 组合绝缘中的电场,直流电压作用下电压与电阻成正比，电场与电导率成反比（与电阻率成正比）,交流电压作用下,交流电压作用下电压与电容成反比，电场与介电常数成反比

11、,分层绝缘中的电场分配交流条件下,油屏障式绝缘 1E2,直流条件下,电场按电阻率正比分配。（纸） （油），故E2E1，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压关于交流耐压（约为3）倍。,随着d2的加大，E1持续增大在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。,电缆的绝缘,单相圆芯均质电缆,r,分阶绝缘,在r0rr1内,在r1rr2内,分阶绝缘,优点：绝缘材料的利用率高 实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。 电缆纸的介电常数与密度有关 ，密度大的纸（高）与低密度 纸搭配使用，做多层分阶。,2.5 电介质的老化,绝缘老化的成因 电老化局部放电老化 热老化热作用下的氧化 环境老化污染性化

12、学老化,（二）电介质的热老化,主要取决于温度及热作用时间 液体电介质的热老化主要是由于热作用下的氧化。变压器油氧化后酸价升高，颜色逐渐加深，粘度增大，绝缘性能降低。 固体电介质的热老化主要是由于温度升高，使固体电介质热裂解、氧化裂解，产生交联，低分子挥发物逸出 表征机械强度降低，介质失去弹性，变脆，绝缘性能降低。 不可逆过程,耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度 寿 命：在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命 短时耐热性： 长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损 坏的最高允许温度,电介质的热性能,电介质的耐热等级 介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐热等级。如 Y A E B F H C 90 105 120 130 155 180 180 根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计,电介质的耐寒性 耐寒性是绝缘材料在低温