1、高電壓技術(shù),高電壓工程系 劉春氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度最高 空氣的耐電強(qiáng)度一般在3 4 kV/mm左右； 液體的耐電強(qiáng)度在10 20 kV/mm； 固體的耐電強(qiáng)度在十幾 幾百kV/mm 固體電介質(zhì)的擊穿過(guò)程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣 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(lái)的，這里的缺陷可指電場(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性,2.3 固體電介質(zhì)的擊穿,固體擊穿特性,一、固體電介質(zhì)的擊穿過(guò)程,1. 固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分 區(qū)域A：擊穿時(shí)間小于10s 的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓隨擊穿時(shí)間的縮短而提高。類(lèi)似于氣體介質(zhì)擊穿的伏

2、秒特性 區(qū)域B：擊穿時(shí)間在100.2S范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時(shí)間無(wú)關(guān) 這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的擊穿都具有電擊穿的性質(zhì),電工紙板的擊穿電壓 與電壓作用時(shí)間的關(guān)系,區(qū)域C：擊穿電壓隨擊穿前時(shí)間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點(diǎn) 區(qū)域D ：C區(qū)以外,電工紙板的擊穿電壓 與電壓作用時(shí)間的關(guān)系,A、B 區(qū)：屬于電擊穿 C 區(qū)：屬于熱擊穿 D 區(qū)：為電化學(xué)擊穿、電老 化，擊穿時(shí)間在幾十 個(gè)小時(shí)以上，甚至幾年,機(jī)理：建立在碰撞電離基礎(chǔ)上，少量傳導(dǎo)電子，在電場(chǎng)加速下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子碰撞，最終導(dǎo)致?lián)舸?二、 擊穿理論（一）電擊穿理論,碰撞電離引起擊穿的兩種理論,固有擊穿理論單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場(chǎng)獲得的能

3、量與因碰撞而失去的能量不平衡，能量堆積（超過(guò)電離能）而引起擊穿 A(E,T0)=B(,T0) A(E,T0)：電場(chǎng)作用下單位時(shí)間內(nèi)電子獲得的能量 B(,T0)：電場(chǎng)作用下單位時(shí)間內(nèi)電子碰撞損失的能量 E：電場(chǎng)，：標(biāo)志電子的狀態(tài)因子，T0：晶格溫度 電子崩擊穿理論傳導(dǎo)電子由電場(chǎng)得到了可使晶格原子電離的能量，產(chǎn)生了電子崩，當(dāng)電子崩發(fā)展到足夠強(qiáng)時(shí)（d足夠大），引起固體介質(zhì)擊穿,時(shí)間影響：電壓作用時(shí)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(duì)電場(chǎng)造成畸 變，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低 電場(chǎng)均勻度：電場(chǎng)的均勻程度影響極大 累積效應(yīng)：在極不均勻電場(chǎng)及沖擊電壓作用下，介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致

4、絕緣性能逐漸下降，稱(chēng)為累積效應(yīng)。介質(zhì)擊穿電壓會(huì)隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降 無(wú)關(guān)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(wú)關(guān),電擊穿的特點(diǎn),擊穿理論（二）熱擊穿理論,機(jī)理：介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱和散熱的不平衡導(dǎo)致。 介質(zhì)溫度升高，引起介質(zhì)分解、炭化，最終導(dǎo)致?lián)舸?特點(diǎn)： 與電壓作用時(shí)間有關(guān)； 與發(fā)熱和散熱條件有關(guān)； 當(dāng)電壓頻率增大時(shí)，擊穿電壓將下降。,熱擊穿 A范圍：擊穿電壓和介質(zhì)溫度無(wú)關(guān)，屬于電擊穿性質(zhì) B范圍：溫度超過(guò)某臨界值后，擊穿電壓隨介質(zhì)溫度的升高而下降，表明擊穿已涉及到明顯的熱過(guò)程,交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系,熱擊穿理論分析 電壓：U1U2U3 曲線1,2,

5、3 ：電介質(zhì)發(fā)熱量Q與介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系 直線4：表示固體介質(zhì)中最高溫度大于周?chē)h(huán)境溫度t0 時(shí)，散出的熱量Q與介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系,不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系,曲線 1： 發(fā)熱永遠(yuǎn)大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷升高，在電壓U1下最終必定發(fā)生熱擊穿,不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系,曲線 2： 與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓；tk為臨界熱擊穿溫度,不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系,曲線 3： tta 時(shí)：曲線在直線4之上，不發(fā)生熱擊穿，介質(zhì)溫度逐漸升高并穩(wěn)定在ta，稱(chēng)ta為穩(wěn)定熱平衡點(diǎn) ttb 時(shí)：情況類(lèi)似曲線1，最終發(fā)生熱擊穿 t=tb 時(shí)：發(fā)熱等

6、于散熱，但因擾動(dòng)使t偏離tb，則介質(zhì)溫度上升或下降，回不到tb。稱(chēng)tb為不穩(wěn)定熱平衡點(diǎn) tattb：不會(huì)發(fā)生熱擊穿，介質(zhì)溫度將穩(wěn)定在ta,不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系,機(jī)理： 介質(zhì)劣化的結(jié)果。局部放電使介質(zhì)引起化學(xué)離解，形成樹(shù)枝狀通道，這些樹(shù)枝狀通道，隨時(shí)間推移不斷伸長(zhǎng)，使絕緣進(jìn)一步劣化，最終發(fā)展到整個(gè)電介質(zhì)擊穿。 特點(diǎn)：電化學(xué)擊穿由絕緣性能下降引起，比電擊穿和熱擊穿電壓低，可以在工作電壓下發(fā)生。,擊穿理論（3）電化學(xué)擊穿理論,電介質(zhì)中的樹(shù)枝老化,局部放電的后果,放電過(guò)程產(chǎn)生的活性氣體O3、NO、NO2等對(duì)介質(zhì)的氧化、腐蝕作用 放電過(guò)程有帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫升，加速介質(zhì)氧

7、化并使局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增大 帶電粒子的撞擊還可能切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞 局放對(duì)有機(jī)介質(zhì)的影響尤為顯著,有機(jī)絕緣材料的樹(shù)老化,樹(shù)老化類(lèi)型：電樹(shù)老化和水樹(shù)老化 樹(shù)老化的原因 電離性老化：該氣隙或氣泡內(nèi)容易發(fā)生電離。氣隙或氣泡的電離，造成鄰近絕緣物的分解、破壞(表現(xiàn)為變酥、炭化等形式)，并沿電場(chǎng)方向逐漸向絕緣層深處發(fā)展，在有機(jī)絕緣材料中會(huì)呈樹(shù)枝狀發(fā)展，稱(chēng)作“電樹(shù)枝” 電導(dǎo)性老化：在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)(例如水)，當(dāng)該處場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)某定值時(shí)，該液體會(huì)沿電場(chǎng)方向逐漸深入到絕緣層中，形成近似樹(shù)枝狀的痕跡，稱(chēng)作“水樹(shù)枝”,Tree-like 樹(shù)枝狀,Bush-like 灌木叢狀,chest

8、nut-like 栗子狀,樹(shù)枝老化的一般形狀,電介質(zhì)中的樹(shù)枝老化,設(shè)備中樹(shù)老化 無(wú)法觀測(cè) 微觀形態(tài)控制 樹(shù)枝老化觀察 微觀形態(tài)和樹(shù)枝 老化二者的觀測(cè),試品薄膜化 控制微觀結(jié)構(gòu) 絕緣缺陷模擬 樹(shù)枝老化監(jiān)測(cè) 樹(shù)枝老化研究,樹(shù)老化 的研究 難點(diǎn) 特征,三、影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素,電壓作用時(shí)間 溫度 電場(chǎng)均勻程度 電壓種類(lèi) 累積效應(yīng) 受潮 機(jī)械負(fù)荷 二次效應(yīng)如空間電荷等,（1)電壓作用時(shí)間,常用固體電介質(zhì)的工頻電氣強(qiáng)度與加壓時(shí)間的關(guān)系 1聚乙烯 2聚四氟乙烯 3黃蠟布 4硅有機(jī)玻璃云母帶,（2)溫度,小于t0 時(shí)，屬于電擊穿 當(dāng)溫度超過(guò)t0 值時(shí)，溫度越高，散熱條件越差，擊穿電壓越低，此時(shí)屬于熱

9、擊穿。t0 稱(chēng)為轉(zhuǎn)折溫度。,（3)電場(chǎng)均勻程度,均勻電中，擊穿電壓較高，而且擊穿電壓隨介質(zhì)厚度的增加呈線性關(guān)系上升 不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓不隨介質(zhì)厚度的增加呈線性上升可能會(huì)出現(xiàn)熱擊穿，因此介質(zhì)厚度達(dá)到一定程度后，厚度再增加對(duì)提高擊穿電壓意義不大。,（4)電壓種類(lèi),直流擊穿電壓：高于工頻交流擊穿電壓，因?yàn)閮H有電導(dǎo)損耗 工頻交流擊穿電壓：高于高頻交流擊穿電壓，因?yàn)闃O化損耗高 沖擊擊穿電壓：高于工頻交流擊穿電壓,油浸電工紙板與加壓時(shí)間的關(guān)系（25C）,（5）累積效應(yīng) 擊穿電壓隨加壓次數(shù)增加而下降，累積效應(yīng)局部損傷的擴(kuò)展。 （6）受潮 固體電介質(zhì)受潮后擊穿電壓會(huì)迅速下降。 （7）機(jī)械負(fù)荷 當(dāng)材料出現(xiàn)開(kāi)

10、裂或微觀裂縫（熱、化學(xué)等作用）時(shí)，擊穿電壓將顯著下降。如在這些裂縫中充有污濁物或受潮后，擊穿電壓下降更多。,提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法,改進(jìn)制造工藝：消除雜質(zhì) 改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)：電場(chǎng)均勻 改善運(yùn)行條件：散熱、防潮,2.4 組合絕緣的電氣強(qiáng)度,油屏障式絕緣 油紙絕緣 擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)500600kV/cm，大大超過(guò)各組成成分的電氣強(qiáng)度（油200kV/cm，紙100150kV/cm）,2.4.1 組合絕緣中的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗,公式推導(dǎo),2.4.2 組合絕緣中的電場(chǎng),直流電壓作用下電壓與電阻成正比，電場(chǎng)與電導(dǎo)率成反比（與電阻率成正比）,交流電壓作用下,交流電壓作用下電壓與電容成反比，電場(chǎng)與介電常數(shù)成反比

11、,分層絕緣中的電場(chǎng)分配交流條件下,油屏障式絕緣 1E2,直流條件下,電場(chǎng)按電阻率正比分配。（紙） （油），故E2E1，電場(chǎng)分配合理。同一根油紙絕緣電纜在直流下的耐壓關(guān)于交流耐壓（約為3）倍。,隨著d2的加大，E1持續(xù)增大在油隙中設(shè)置多個(gè)屏障，會(huì)使油中場(chǎng)強(qiáng)顯著增大，反而不利。,電纜的絕緣,單相圓芯均質(zhì)電纜,r,分階絕緣,在r0rr1內(nèi),在r1rr2內(nèi),分階絕緣,優(yōu)點(diǎn)：絕緣材料的利用率高 實(shí)現(xiàn)：電纜絕緣中用不同的絕緣紙。 電纜紙的介電常數(shù)與密度有關(guān) ，密度大的紙（高）與低密度 紙搭配使用，做多層分階。,2.5 電介質(zhì)的老化,絕緣老化的成因 電老化局部放電老化 熱老化熱作用下的氧化 環(huán)境老化污染性化

12、學(xué)老化,（二）電介質(zhì)的熱老化,主要取決于溫度及熱作用時(shí)間 液體電介質(zhì)的熱老化主要是由于熱作用下的氧化。變壓器油氧化后酸價(jià)升高，顏色逐漸加深，粘度增大，絕緣性能降低。 固體電介質(zhì)的熱老化主要是由于溫度升高，使固體電介質(zhì)熱裂解、氧化裂解，產(chǎn)生交聯(lián)，低分子揮發(fā)物逸出 表征機(jī)械強(qiáng)度降低，介質(zhì)失去彈性，變脆，絕緣性能降低。 不可逆過(guò)程,耐熱性：指保證電介質(zhì)可靠安全運(yùn)行的最高允許溫度 壽 命：在一定溫度下，電介質(zhì)不產(chǎn)生熱損壞的時(shí)間稱(chēng)為壽命 短時(shí)耐熱性： 長(zhǎng)期耐熱性：給定壽命下，電介質(zhì)不產(chǎn)生熱損 壞的最高允許溫度,電介質(zhì)的熱性能,電介質(zhì)的耐熱等級(jí) 介質(zhì)熱老化的程度主要決定于溫度及介質(zhì)經(jīng)受熱作用的時(shí)間。為此國(guó)際電工委員會(huì)按照材料的耐熱程度劃分耐熱等級(jí)。如 Y A E B F H C 90 105 120 130 155 180 180 根據(jù)這個(gè)絕緣耐熱等級(jí)可以進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷的最佳經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì),電介質(zhì)的耐寒性 耐寒性是絕緣材料在低溫