高電壓技術(shù)第二章

1、液體介質(zhì)和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣。應(yīng)用的最多的液體介質(zhì)是變壓器油以及電容器油和電纜油。用作內(nèi)絕緣的固體介質(zhì)常見(jiàn)的有絕緣紙、紙板、云母、塑料等, 以及用于制造絕緣子的電瓷、玻璃和硅橡膠等。,Chapter 2. 液體和固體介質(zhì)的電氣性能,一. 常用的液體介質(zhì),二. 液體電介質(zhì)的擊穿理論,,,目前常用的主要有變壓器油、電容器油、電纜油等礦物油,電擊穿：認(rèn)為在電場(chǎng)作用下，陰極上由于強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射或熱發(fā)射出來(lái)的電子產(chǎn)生碰撞電離形成電子崩，

2、最后導(dǎo)致液體擊穿,§2.2 液體電介質(zhì)的擊穿,,,氣泡擊穿：認(rèn)為液體分子由電子碰撞而產(chǎn)生氣泡，或在電場(chǎng)作用下因其它原因產(chǎn)生氣泡，由氣泡內(nèi)的氣體放 電，產(chǎn)生電和熱而引起液體擊穿。,液體中氣泡產(chǎn)生的原因：油中易揮發(fā)的成分；陰極的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射或熱發(fā)射的電子電流加熱液體介質(zhì)，分解出氣體；溶解于油中的外來(lái)氣體；由電場(chǎng)加速的電子碰撞液體分子，使液體分子解離產(chǎn)生氣體；電極上尖的或不規(guī)則的凸起物上的電暈放電引起液體氣化,,,液體中沿氣

3、泡擊穿過(guò)程：,電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊液體分子，使之分解出氣體，擴(kuò)大氣體通道,電導(dǎo)增大，氣泡溫度升高、體積膨脹、電離進(jìn)一步發(fā)展,,,纖維橋接擊穿：（小橋理論）,工程用變壓器油中含有水分和纖維等雜質(zhì)，由于它們的 很大容易沿電場(chǎng)方向極化定向，排列成雜質(zhì)小橋：,1. 如果雜質(zhì)小橋尚未接通電極，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于 纖維的 大以及含水分纖維的電導(dǎo)大，使其端部油中電場(chǎng)強(qiáng) 度顯著增高并引起電離，于是油分解出

4、氣體，氣泡擴(kuò)大，電 離增強(qiáng)，這樣發(fā)展下去必然會(huì)出現(xiàn)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(dǎo)大而導(dǎo)致泄漏電流增 大，發(fā)熱會(huì)促使水分汽化，氣泡擴(kuò)大，發(fā)展下去也會(huì)出現(xiàn)氣 體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。,工程用變壓器油的擊穿有如下特點(diǎn)：在均勻電場(chǎng)中，當(dāng)工頻電壓升高到某值時(shí)，油中可能出現(xiàn)一個(gè)火花放電，但旋即消失，油又恢復(fù)其電氣強(qiáng)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(fù)多次，最后才會(huì)發(fā)生穩(wěn)定的

5、擊穿,工程判斷變壓器油質(zhì)量方法：,判斷油的質(zhì)量，依靠測(cè)量其電氣強(qiáng)度、tgδ和含水量等。其中最重要的試驗(yàn)項(xiàng)目是用標(biāo)準(zhǔn)油杯測(cè)量油的工頻擊穿電壓。我國(guó)采用的標(biāo)準(zhǔn)油杯極間距離為2.5mm，電極是直徑等于25mm的圓盤(pán)型銅電極，電極的邊緣加工成半徑為2.5mm的半圓以減弱邊緣效應(yīng)。,三. 影響液體介質(zhì)擊穿電壓的因素,,,3. 溫度　含水量較低時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)基本與溫度無(wú)關(guān)；　含水量較高時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度上升而上升．,2. 含水量、含氣量　含水量

6、越大擊穿場(chǎng)強(qiáng)越小，但是降到某一極限時(shí)基本不變,4. 雜質(zhì)的影響,1.電壓形式和電極形狀的影響　擊穿電壓跟電壓的作用時(shí)間和電壓上升率有關(guān)，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，Ｕb越??；電壓上升越快Ｕb越大,5. 油量的影響　油量越大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)越小，因?yàn)槿毕莞怕试黾?,潮濕的油由0℃開(kāi)始 上升時(shí)，一部分水分從懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)為害處較小的溶解狀態(tài)，使擊穿電壓上升；超過(guò)80 ℃后，水開(kāi)始汽化，產(chǎn)生氣泡，引起擊穿電壓下降，從而在60 ℃～80℃間出現(xiàn)最大值,水分和油

7、溫 懸浮狀水滴在油中是十分有害的，如右圖，當(dāng)含水量為 萬(wàn)分之幾時(shí)，它對(duì)擊穿電壓就有明顯的影響，這意味著油中已出現(xiàn)懸浮狀水滴；含水量達(dá)0.02%時(shí)擊穿電壓已下降至約15kV，比不含水分時(shí)低很多 。含水量繼,續(xù)增大擊穿電壓下降已不多，因?yàn)橹挥幸欢〝?shù)量的水分能懸浮于水中，多余的會(huì)沉淀到油底部。,標(biāo)準(zhǔn)油杯實(shí)驗(yàn),四、提高液體介質(zhì)擊穿電壓的方法,１．提高油的品質(zhì) 　　　過(guò)濾；防潮；除去水分和氣體2 ．覆蓋層　　　在金屬電極上貼

8、固體絕緣薄層，可阻斷雜質(zhì)小橋 　　　油本身品質(zhì)越差，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，效果越好。 3 ．絕緣層 　　　當(dāng)覆蓋層厚度增大，本身承擔(dān)一定電壓時(shí)，成為絕緣層。 　　　用在不均勻電場(chǎng)中，被覆在曲率半徑較小的電極上 。4 ．屏障 　　　放在電極間油間隙中的固體絕緣板 　　　作用可以割斷雜質(zhì)小橋的形成,一. 固體介質(zhì)擊穿的特點(diǎn),擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般比氣體和液體電介質(zhì)高得多；空氣30kV/cm，變壓器油120～250 kV/cm，云母(電擊穿)

9、2000～3000kV/cm擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間有很大的關(guān)系；絕緣是非自恢復(fù)的，一旦發(fā)生擊穿，其絕緣性能不能再自行恢復(fù)；,,,§2.3 固體電介質(zhì)的擊穿,,,電擊穿,熱擊穿,電化學(xué)擊穿,二. 擊穿理論,電擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)下電介質(zhì)內(nèi)部電子劇烈運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的更多自由電子，這些二次電子參與隨后電離，形成電子崩，同時(shí)碰撞破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)增大而導(dǎo)致?lián)舸?,,特點(diǎn)：電壓作用時(shí)間短、擊穿電壓高，電介質(zhì)發(fā)熱

10、不顯著；擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電場(chǎng)均勻程度密切相關(guān)，而與周?chē)h(huán)境溫度無(wú)關(guān)。,2. 熱擊穿：由于固體介質(zhì)內(nèi)部熱不穩(wěn)定性造成。,,,特點(diǎn)：(1)在電壓作用下，產(chǎn)生的電導(dǎo)電流和介質(zhì)極化引起介質(zhì)損耗， 使介質(zhì)發(fā)熱．發(fā)熱溫度升高，電導(dǎo)率進(jìn)一步增大，溫度進(jìn)　一步上升，發(fā)熱大于散熱而擊穿．(2)熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高而下降,熱擊穿電壓直接與 散熱條件有關(guān)．熱擊穿時(shí)間較長(zhǎng)．,電壓作用下介質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱,3. 電化學(xué)擊穿：固體介質(zhì)在

11、長(zhǎng)期（幾個(gè)月乃至幾年）工作電壓下，由于介質(zhì)內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致發(fā)生局部放電，產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)使使絕緣劣化，電氣強(qiáng)度逐漸下降并引起的擊穿。,,,局部放電使電介質(zhì)劣化損傷的機(jī)理：絕緣層表面污穢，形成泄漏電流，引起熱破壞，稱(chēng)為電老化，發(fā)展下去電擊穿或熱擊穿．放電過(guò)程產(chǎn)生活性氣體O3、H2等對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，使介質(zhì)逐漸劣化；放電過(guò)程產(chǎn)生的帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫度上升，加速介質(zhì)氧化并使局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增加；帶電粒子撞擊還有可能破

12、壞有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)，使其裂解；放電產(chǎn)生的高能輻射線引起材料分解；,,,刷狀樹(shù)枝,灌木狀樹(shù)枝,聚乙烯中的樹(shù)枝化放電劣化,,,三. 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素,1. 電壓作用時(shí)間,2. 電場(chǎng)均勻程度與介質(zhì)厚度,3.溫度,4.受潮,5.累積效應(yīng),如果電壓作用時(shí)間很短（例如 0.1s以下），固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓下降，如果在加壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。

13、不過(guò)二者有時(shí)很難分清,例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。,1. 電壓作用時(shí)間,處于均勻電場(chǎng)中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨厚度的增加近似地成線性增大；若在不均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)厚度增加將使電場(chǎng)更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當(dāng)厚度增加到使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí)，增加厚度的意義就更小了。,2. 電場(chǎng)均勻程度與介質(zhì)厚度,常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時(shí)即使處于均勻電場(chǎng)中

14、，介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)分布也是不均勻的，最大電場(chǎng)強(qiáng)度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過(guò)真空干燥、真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。,固體介質(zhì)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，且與溫度幾乎無(wú)關(guān)。超過(guò)某個(gè)溫度將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低；如果其周?chē)劫|(zhì)的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。不同固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級(jí)是不同的，因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。,3. 溫度

15、,對(duì)不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；容易吸潮的極性介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時(shí)的百分之幾或更低。因?yàn)殡妼?dǎo)率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。,4. 受潮,固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中以及在幅值不是很高的過(guò)電壓、特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時(shí)，局部損傷會(huì)逐步發(fā)展，這稱(chēng)為累積效應(yīng)。它會(huì)導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿電壓的下降。,

16、5. 累積效應(yīng),,,四. 提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的措施,1. 改進(jìn)制造工藝,2. 改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì),3. 改善運(yùn)行條件,清除雜質(zhì)、水分、氣泡；使介質(zhì)盡可能致密均勻,注意防潮、防塵；加強(qiáng)散熱,采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)；改進(jìn)電極形狀，使電場(chǎng)盡可能均勻；改善電極與絕緣體的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙,五. 絕緣老化,,,電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行過(guò)程中受到電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的長(zhǎng)期作用，導(dǎo)致其物理、化學(xué)、電氣和機(jī)械等性能的劣化，稱(chēng)為絕緣的老化。,1. 電老

17、化 (電解,局部放電),2. 熱老化,3. 固體介質(zhì)的機(jī)械應(yīng)力老化,4. 固體介質(zhì)的環(huán)境老化,,,§2.4 組合絕緣的電氣強(qiáng)度,一. 介質(zhì)的組合原則,組合目的：同時(shí)滿足電氣性能、機(jī)械性能、熱性能的要求,配合原則：在外加電壓的作用下，組合絕緣中各層絕緣所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度與其電氣強(qiáng)度成正比，這樣整個(gè)組合絕緣的電氣強(qiáng)度最高，各種絕緣材料的利用最合理、最充分。,,,二. “油－屏障”式絕緣,以變壓器油為主要的絕緣介質(zhì)，在

18、油隙中放置若干個(gè)屏障，廣泛用在電力變壓器、油斷路器、充油套管中。三種不同的形式：覆蓋、絕緣層、屏障,1. 覆蓋,緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層稱(chēng)為覆蓋作用：阻止雜質(zhì)小橋直接接觸電極，因而能有效限制泄漏電流，從而阻礙雜質(zhì)小橋擊穿過(guò)程的發(fā)展。,2. 絕緣層,當(dāng)覆蓋的厚度增大到能分擔(dān)一定電壓時(shí)，即成為絕緣層，作用：像覆蓋層那樣減小雜質(zhì)的有害影響;降低電極表面附近的最大電場(chǎng)強(qiáng)度,,,3. 屏障,如果在油隙中放置尺寸較大、形狀與

19、電極相適應(yīng)層壓紙板（筒）或?qū)訅翰及澹ㄍ玻┢琳献饔茫鹤璧K雜質(zhì)小橋的形成；攔住一部分帶電粒子，使原有電場(chǎng)變得比較均勻相鄰屏障的距離不能太小，屏障的總厚度也不能取得太大,三. 油紙絕緣,油紙絕緣是以固體介質(zhì)為主體的組合絕緣，液體只是用作填充空隙的浸漬劑。廣泛用于電纜、電容器、電容式套管等電力設(shè)備中。缺點(diǎn)是：散熱條件差、易受污染、受潮。,,,四. 組合絕緣中的電場(chǎng)分析,1 . 均勻電場(chǎng)雙層介質(zhì),,,,油紙絕緣中，令

20、 代表油層參數(shù)， 代表浸漬紙參數(shù)，浸漬紙的電氣強(qiáng)度比油大得多在交流電壓下，電壓按介電常數(shù)反比分配，則 ，電場(chǎng)分布不合理；在直流電壓下，電壓按電導(dǎo)率反比分配，則 ，電場(chǎng)分布合理，同一根電纜在直流下的耐壓遠(yuǎn)高于交流耐壓（約3倍）,,,2 . 分階絕緣,

21、分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層介質(zhì)絕緣構(gòu)成的組合絕緣分階原則是對(duì)越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越大的材料，以達(dá)到電場(chǎng)均勻化的目的。,,,單相圓芯均勻介質(zhì)電纜：,平均場(chǎng)強(qiáng)：,利用系數(shù)：,,,－分階半徑,,,例題:用多層介質(zhì)計(jì)算絕緣材料中含氣泡時(shí)，氣泡 中電場(chǎng)增加的倍數(shù)。 設(shè)絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)為?1；氣泡的相對(duì)介電 常數(shù)為1；外加交流電壓為U，絕緣層和氣泡中 電場(chǎng)分別為E1和E2，電極距離為d，氣泡直徑為r,解題：

22、d1=d-r；d2=r； E = U/d； E2 = ?1U/(?1d2 + ?2d1)= ?1U/[（?1-1）r +d] 增加的倍數(shù)：(E2 –E)/E=d?1/[(?1 -1)r +d] – 1； 如?1=1，則(E2 –E)/E=0; 如?1=3，d = 10r, (E2 –E)/E = 30/12-1= 1.5, 即增加了1.5倍。已知空氣的Eb = 30kV/cm； 一般絕緣材料的Eb > 100k

23、V/cm，多層介質(zhì)使用20%電場(chǎng)載荷時(shí)(20kV/cm),氣泡中E2= 50kV/cm，即氣泡會(huì)產(chǎn)生擊穿！,小結(jié)：一. 電介質(zhì)在弱電場(chǎng)下的電氣特性極化的概念、基本形式和特點(diǎn)，介電常數(shù)ε 電介質(zhì)電導(dǎo)的概念、特征，電導(dǎo)率γ ，固體電介質(zhì)的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻介質(zhì)損耗的形式、介質(zhì)的三支路等值電路、直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象，交流電壓作用下電介質(zhì)的并聯(lián)、串聯(lián)等值電路，介質(zhì)損耗角tgδ 的意義，影響tgδ 的各種因素二. 液