1、1第四章 固體、液體和組合絕緣的電氣強度三態(tài)電介質(zhì)的耐電特性普遍規(guī)律：普遍規(guī)律：任何介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性。擊穿特性：擊穿特性：一般情況下，在氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強度也最高。固體電介質(zhì)的擊穿過程最復雜，且擊穿后是唯一非自恢復的絕緣。2電氣強度：電氣強度：空氣：一般在3040kv/cm液體：一般在100200kv/cm固體：一般幾百幾千kv/cm34-1 固體電介質(zhì)擊穿的機理固體電介質(zhì)擊穿的機理 在電場的作用下，固體介質(zhì)的擊穿可能因電過程、熱過程和電化學過程而引起。 實際電氣設備中的固體介質(zhì)擊穿過程是

2、錯綜復雜的，它不僅取決于介質(zhì)本身的特性，還與絕緣結(jié)構(gòu)型式、電場均勻性、外加電壓波形和加電壓時間以及工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）等多種因素有關，因此要用多種理論來說明其擊穿過程。 常用的有機絕緣材料在工作電壓作用下，會產(chǎn)生電離、老化等過程，從而使其電氣強度大幅度下降。因此，對這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓作用下的耐電性能。4固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分（四個區(qū)域）區(qū)域a：0.2s， 熱擊穿區(qū)域d： 數(shù)十小時， 電化學擊穿電工紙板的擊穿電壓與電壓電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關系作用時間的關系5一、電擊穿一、電擊穿 電擊穿的建立：電擊穿理論是

3、建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎上的，固體電介質(zhì)中存在的少量傳導電子，在電場加速下與晶格結(jié)點上的原子碰撞電離，傳導電子數(shù)迅速增多，引起電子崩，從而擊穿。 在介質(zhì)的電導（或介質(zhì)損耗）很小、又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿，其擊穿場強可達105106kv/m，比熱擊穿時的擊穿場強高很多，后者僅為103104kv/m。 固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。6電擊穿的影響因素時間影響：電壓作用時間短，擊穿電壓高。介質(zhì)特性：如果介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其它缺陷，對電場造成畸變，導致介質(zhì)擊穿電壓降低。電場均勻度：電場的均勻程度

4、影響極大。累積效應：在極不均勻電場及沖擊電壓作用下，介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，不完全擊穿導致絕緣性能逐漸下降的效應稱累積效應。介質(zhì)擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降。無關因素：電擊穿電壓和介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素都無關。7二、熱擊穿二、熱擊穿 熱擊穿的發(fā)展過程：熱擊穿是由于固體介質(zhì)內(nèi)熱不穩(wěn)定過程造成的。當固體介質(zhì)較長期地承受電壓的作用時，會因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，與此同時也向周圍散熱，如果周圍環(huán)境溫度低，散熱條件好，發(fā)熱與散熱將在一定條件下達到平衡，這時固體介質(zhì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，介質(zhì)溫度不會不斷上升而導致絕緣的破壞。但是，如果發(fā)熱大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷上升，導致介質(zhì)分解、熔化

5、、炭化或燒焦，從而發(fā)生熱擊穿。8 熱擊穿的擊穿電壓與溫度關系顯著 在b范圍內(nèi)：熱擊穿，擊穿電壓隨溫度增加而下降。在a范圍內(nèi)：電擊穿，擊穿電壓和介質(zhì)溫度無關。9 熱擊穿的理論分析電介質(zhì)發(fā)熱曲線1,2,3對應于電壓u1u2u3直線4散出的熱量q與介質(zhì)中溫度tm的關系10稱ta為穩(wěn)定熱平衡點 稱tb為不穩(wěn)定熱平衡點11 熱擊穿的特點受周圍媒質(zhì)溫度的影響：t0升高熱擊穿電壓下降。與絕緣厚度的關系：熱擊穿電壓隨絕緣厚度的增加 而降低。導熱系數(shù)、散熱系數(shù)增大，擊穿電壓上升。f或tan增大會造成發(fā)熱增加，使曲線1、2、3上 移，臨界擊穿電壓下降。12三、電化學擊穿三、電化學擊穿 電化學擊穿的概念 固體介質(zhì)在

6、長期工作電壓的作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣發(fā)生不可逆劣化、電氣強度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學擊穿。在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處溫度過高而以熱擊穿形式完成，也可以因介質(zhì)劣化后電氣強度下降而以電擊穿形式完成。13 局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強度下降的主要原因：放電過程產(chǎn)生的活性氣體o3、no、no2等對介質(zhì)產(chǎn)生氧化和腐蝕作用。放電過程有帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫度上升、加速介質(zhì)氧化并使局部電導和介質(zhì)損耗增加。帶電粒子的撞擊還可能切斷分子結(jié)構(gòu)，導致介質(zhì)破壞。14電化學擊穿電壓的大小與加電壓時間的關系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。一般來說，無機絕緣材料耐局部放

7、電的性能較好。154-2 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素電壓作用時間溫度的影響電場均勻度和介質(zhì)厚度的關系電壓頻率的影響受潮度的影響機械力的影響多層性的影響積累效應的影響164-3 提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法改進絕緣設計采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部件絕緣的耐電強度與其承擔的場強有適當?shù)呐浜稀Χ鄬有越^緣結(jié)構(gòu)，可充分利用中間多層電容屏的均壓作用。改善電極形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻，把邊緣效應減到最小。改善電極與絕緣體的接觸條件，消除接觸氣隙，或使接觸氣隙不承受電位差。改進密封結(jié)構(gòu)，確保可靠密封。17改進制造工藝盡可能地清除固體介質(zhì)中

8、殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使固體介質(zhì)盡可能均勻致密，可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強浸漬等方法達到。18改進運行條件注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強散熱冷卻（如自然通風、強迫通風、氫冷、油冷、水內(nèi)冷等）。194-5 液體電介質(zhì)擊穿的機理液體電介質(zhì)擊穿的機理一、概述一、概述液體介質(zhì)礦物油:從石油中提煉的多種碳氫化合物的 混合物,如:變壓器油、電容器油、 電纜油等。合成油:十二烷基苯應用于充油電纜和浸漬 電容器；有機硅油、異丙基聯(lián)苯等。20耐電強度：比氣體高且具有散熱作用。擊穿理論研究現(xiàn)狀：不及氣體介質(zhì)，尚缺乏完善化擊穿機理分類純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機理工程用液體電介質(zhì)的擊穿

9、機理電擊穿理論氣泡擊穿理論21二、二、純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機理電擊穿理論電擊穿過程 當電場足夠強時，在陰極產(chǎn)生的強場發(fā)射的電子將被電場加速而具有足夠的功能，在碰撞液體分子時可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。與此同時，由碰撞電離產(chǎn)生的正離子將在陰極附近集結(jié)形成空間電荷層，增強了陰極附近的電場，使陰極機發(fā)射的電子數(shù)增多；當外加電壓增大到一定程度時，電子崩電流會急劇增大，從而導致液體介質(zhì)的擊穿。22電擊穿的特點液體密度增加，擊穿場強增大；溫度升高時液體膨脹，擊穿場強下降；液體介質(zhì)的沖擊擊穿場強高于工頻擊穿場強；23氣泡擊穿理論重要結(jié)論：在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中電場強度的分布是與介質(zhì)的 成反比。

10、r氣泡擊穿過程 由于氣泡的 最小，并且其電氣強度又比液體介質(zhì)低得多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導致氣體通道擴大。如果許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋（通道），擊穿就可能在此通道中發(fā)生。r24氣泡擊穿的特點 如果液體介質(zhì)的擊穿因氣體小橋而引起，那么增強液體的壓力，就可使其擊穿場強有所提高。因此，在高壓充油電纜中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場強。25三、三、工程用液體電介質(zhì)的擊穿機理 氣泡理論可推廣到其他懸浮物所引起的擊穿，用來解釋工程用變壓器油的擊穿過程。工程用變壓器油是有雜質(zhì)的，這些

11、雜質(zhì)的介電常數(shù)和電導率均與變壓器油不同，從而會畸變油中電場，影響油的擊穿。 工程用變壓器是含有雜質(zhì)的，這不僅是因為完全清除油中雜質(zhì)極其困難，還因為油和大氣接觸時會逐漸氧化、并從大氣中吸收氣體和水分；況且在設備制造過程中也會有雜質(zhì)混入，例如紙或布等纖維脫落到油中；在運行中油質(zhì)劣化也會分解出氣體、水分和聚合物。工程用液體電介質(zhì)的雜質(zhì)26 由于水和纖維的 很大，很易沿電場方向極化定向，并排列成雜質(zhì)小橋。這時會發(fā)生兩種情況： （1）雜質(zhì)小橋尚未接通電極，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于纖維 大以及含水分纖維的電導大，使其端部油中電場顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴大，電離增強，這樣下去必然會出現(xiàn)

12、由氣體小橋引起的擊穿。 （2）如果雜質(zhì)小橋接通電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發(fā)熱會促使水分汽化，氣泡擴大，發(fā)展下去也會出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。擊穿過程rr27工業(yè)用變壓器油的擊穿特點在均勻電場中，當工頻電壓升高到某值時，油中可能出現(xiàn)一個火花放電，但旋即消失，油又恢復其電氣強度；電壓再增油中又可能出現(xiàn)火花，但可能又旋即消失；這樣反復多次，最后才會發(fā)生穩(wěn)定的擊穿。28判斷變壓器油的質(zhì)量測量變壓器油的電氣強度、tan和含水量，其中最重要的試驗是用標準油杯測量油的工頻擊穿電壓。29額定電壓等級（kv）用標準油杯測得的工頻擊穿電壓有效值（kv）新油，不低于運行中的油，不低于15及以下25

13、202035353063220403533050455006050我國規(guī)定不同電壓等級電氣設備中所用變壓器油的電氣強度變壓器油在極距為2.5mm的標準油杯中的擊穿電壓約2060kv之間，相應的擊穿場強有效值應為80240kv/cm，這比空氣的擊穿場強（30kv（峰值）/cm=21kv（有效值）/cm）高得多。304-6 影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素一、一、液體介質(zhì)本身品質(zhì)的影響化學成分礦物油中各種成分含量的比例對油的理化性能有一定的影響，而對油的短時耐電強度則沒有明顯的影響。含水量00.020.042040ub(kv)含水量(%)標準油杯中，常溫下變壓器油的工頻擊穿

14、電壓有效值與含水量的關系31含纖維量當油中有纖維存在時，在電場的作用下，纖維將沿著電力線方向定向排列，形成“小橋”，使油的擊穿電壓大為降低。纖維有很強的吸附水分的能力，纖維與水分的聯(lián)合作用對擊穿電壓影響強烈。含碳量細而分散的炭粒對油的耐電強度的影響并不顯著，但炭粒逐漸沉淀到電氣設備的固體介質(zhì)表面，形成油泥，則易造成油中沿固體介質(zhì)表面的放電，同時也影響散熱。含氣量32二、二、電壓作用時間的影響100ub(kv)t(s)102104106801602403200d=64=152 d=6.35mm d=25.4mm油隙的擊穿電壓會隨著電壓作用時間的增加而下降，外加電壓時間還會影響油的擊穿性質(zhì)。如圖電

15、壓作用時間為數(shù)百微秒前，雜質(zhì)的影響沒有顯示出來，為電擊穿。這時影響因素主要是電場均勻度。時間更長，雜質(zhì)開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，為熱擊穿。33三、三、電場情況的影響保持油溫不變，而改善電場的均勻度，能使優(yōu)質(zhì)油的工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質(zhì)差的油含雜質(zhì)較多，故改善電場對于提高其工頻擊穿電壓的效果也較差。在沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質(zhì)好壞幾乎無關。34四、四、溫度的影響 0開始上升，一部分水分從懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化為害處較小的溶解狀態(tài)，使擊穿電壓上升。溫度超過80時，水開始汽化，產(chǎn)生氣泡，引起擊穿電壓下降，因此在6080的范圍內(nèi)出現(xiàn)最大