第三章液体和固体电介质的击穿特性2018ppt课件.ppt
第三章 液体和固体电介质的击穿特性,液体、固体电介质的电气强度比常压下的空气高得多，用它们作为绝缘介质，可大大缩小导体间的绝缘距离，减小电气设备的体积。,第一节 液体电介质的击穿特性,耐电强度：比气体高，且具有绝缘、散热冷却和灭弧作用。 和固体电介质一道使用，可填充固体电介质的空隙，提高绝缘的局部放电起始电压和电气强度。,分类：一类从石油中提炼出来的矿物油，如变压器油、电容器油、电缆油；一类是人工合成的液体介质，如硅油，十二烷基苯和聚丁烯。目前使用最广泛的是矿物油。,一、液体介质的击穿机理,击穿理论研究现状：远不及气体介质击穿机理研究，目前尚缺乏完善的击穿理论。,按击穿机理分类：纯净的和工程用(非纯净)。,液体电介质击穿形式：（1）电击穿（纯净液体电介质）（2）气泡击穿,工程用的液体电介质的击穿：可能发生电击穿，也可能气泡击穿,（一）电击穿过程液体中因强场发射等原因产生的电子在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离。使电子数倍增，形成电子崩。导致液体介质击穿。 因液体介质的密度比气体大得多，分子间的距离比气体小得多，电子运动的平均自由行程短，所以其击穿场强比气体高很多。,纯净油的电气强度：相当高，可达8001000kV/cm，但提取工艺相当复杂。电气设备在制造过程中难免混入杂质，运行中也会老化而分解出气体和聚合物（蜡状物）。因此，工程上用的绝缘油总是含有一些气体和杂质。,非纯净液体电介质（工程用液体电介质）,（二）气泡击穿过程,油中杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。,小桥形成：由于水和纤维的介电常数分别为81和67，比油的介电常数1.82.8大得 多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。,受潮纤维在电极间定向示意图,油中受潮水分(r=81)纸布脱落纤维(r=67),沿电场极化定向排列,杂质“小桥”,“杂质小桥”贯通两电极,“杂质小桥”未贯通两电极,受潮纤维在电极间定向示意图,如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使水分汽化，形成气泡；气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，气泡小桥贯穿，使油隙发生击穿。,“杂质小桥”贯通两电极,桥贯穿：G水、G纤大i泄发热水分汽化，气泡扩大,如果油中含有气泡，则他们在电场作用下可直接形成气泡“小桥” ，从而导致击穿。,小桥击穿的特点：,(1) 与热过程紧密相连；(2) 如果间隙较长则难以形成小桥，但因不连续的小桥也会畸变电场，而引起间隙击穿电压降低；(3) 小桥的形成和电极形状及电压种类有关：电场极不均匀时，由于尖电极附近发生局部放电现象造成油的扰动，而难以形成小桥；冲击电压下，由于作用时间极短，小桥来不及形成。,绝缘外壳,黄铜电极,标准试油杯（图中尺寸均为mm）,油间隙距离2.5mm,二、影响液体介质击穿的因素,对液体介质，通常用标准试油杯测得的工频击穿电压来衡量其品质的好坏。,对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为 Ub 25kV40kV;对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压一般为Ub 50kV60kV。在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油的品质的衡量标准，不能用此数值直接计算在不同条件下油间隙的耐受电压。,（一）杂质的影响,水分：水在变压器油中有三种状态：（1）溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；（2）悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。（3）沉渣态：沉淀于容器底部 溶解状的水对油的耐压影响不大；悬浮状的水分易形成小桥，对击穿电压的影响较大。 沉淀于容器底部的水分不在电场空间内，对油击穿无影响。,若气体和水分溶于液体介质则对Ub影响不大；若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显下降。含水继续增多仅增加几条击穿并联通道， Ub不再下降当有纤维存在时，水分影响特别明显,（二）温度的影响,干燥的油,受潮的油,标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系,干燥油的击穿强度与温度没有多大关系,080，Ub提高（水分溶解度增加）温度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0，Ub提高（水滴冻结成冰粒）,（三）电场均匀程度的影响,电场越均匀，杂质越易形成小桥，杂质对油的击穿电压的影响越大。当电场极不均匀时，杂质对油的击穿电压的影响很小。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。,（四）电压作用时间,无论电场均匀与否，变压器油的击穿电压都随电压作用时间的增大而减小。,（五）压力的影响 不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。,油中含气体时：压力 Ub油(气体在油中溶解量)油经脱气处理：压力对Ub油影响较小,三、减小杂质影响的措施,（一）减少液体介质中的杂质（1）过滤 使油在连续压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。,三、减小杂质影响的措施,（2）祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，油中所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件下将油注入电气设备中，可以达到去除油中水分和气体的目的。 （3）防潮 油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入口放干燥剂，以防潮气进入。,（二）采用固体电介质降低油中杂质的影响,覆盖层：指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层（小于1mm），它的作用主要是使油中的杂质、水分等形成的“小桥”不能直接与电极接触，从而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质小桥中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。,绝缘层：指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料（可达几十毫米），绝缘层不仅能起覆盖层的作用，减小杂质的有害影响，而且它能承担一定的电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀电场中，包在曲率半径较小的电极上。,充油电力设备中很少采用裸导体。,屏障：又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙中的固体绝缘板。屏障的作用一方面是阻隔杂质小桥的形成；另一方面可改善油间隙中的电场分布，从而提高油间隙的击穿电压。在极不均匀电场中，曲率半径较小的电极附近场强高，会发生电离，电离出的带电粒子被屏障阻挡，并分布在屏障的一侧，使另一侧油隙中的电场变得比较均匀，从而能提高油间隙的击穿电压。,变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。,电气设备的内绝缘中一般都离不开固体电介质，固体电介质有更高的击穿场强，发生击穿后其绝缘性能往往不能恢复。,第二节 固体电介质的击穿特性,在气、液、固三种电介质中，固体材料密度最大，耐电强度也最高。通常，空气的耐电强度3kV/mm4 kV/mm；液体的耐电强度10kV/mm20 kV/mm；固体的耐电强度几十kV/mm几百 kV/mm；,固体电介质的电气强度,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。,在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿： 电过程（电击穿） t0.2 s 电化学过程（电化学击穿） 数十小时,一、 固体电介质的击穿机理,1 电击穿过程,固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象，电击穿过程与气体中相似，碰撞电离形成电子崩。固体电介质中存在的少量传导电子，在电场加速下与原子碰撞，使其游离产生电子崩，从而引起击穿。,条件：介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿。电击穿的主要特征： 与周围环境温度有关； 击穿时间很短（10 s0.2s) ，击穿电压与时间无关； 击穿前介质发热不显著； 电场均匀程度对击穿有显著影响。,击穿机理：固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。,特点：击穿电压较低,击穿时间较长，击穿前介质发热显著；击穿与环境温度、电压作用时间、散热条件等关系密切。,2. 热击穿过程,固体介质在电、热、化学和机械力的长时间作用下（作用电压时间长达数十小时乃至几年甚至更长） ，逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，其绝缘性能和其他性能也逐渐劣化，并引起击穿（电击穿或热击穿）的现象称为电化学击穿。,3 电化学击穿过程,介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因。,电,化学,1) 产生活性气体对介质氧化、腐蚀；2) 温升使局部介质损耗增加；3) 切断分子结构，导致介质破坏。,介质的电老化,表面漏电起痕与电蚀损,电介质中的树枝老化,在电化学击穿中，有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材料的场合。,二、影响固体介质击穿电压的因素,tUb。1min击穿电压与长时间的击穿电压差不多。所以通常用1min工频试验电压估计固体介质的热击穿电压。,1、电压作用时间,浸油电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系,如果电压作用时间很短(例如0.2s以下)，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。,但两者并无明显的界限。例如在工频交流1min.耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。,电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。,周围环境温度小于t0时，击穿电压高，且与温度无关，属于电击穿。在温度高于t0时，击穿电压随温度的升高而迅速下降，属于热击穿。临界温度t0不是该固体介质固有的物理常数，而是随固体介质的厚度、冷却条件和所加电压等因素而变化。,2、温度,工频电压下电瓷的击穿电压与温度的关系,在均匀电场中，在电击穿的范围内，击穿电压随固体介质厚度近似呈线性关系增大；在热击穿的范围内，击穿电压随介质厚度的增大而增大，但增大程度减小。在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不均匀，击穿电压不再随厚度的增加而线性增加。即使在电击穿的范围内，随着介质厚度的增大，平均击穿场强仍将减小。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。,3、电场均匀程度,直流击穿电压比工频击穿电压（幅值）高。而交流电压下，工频交流击穿电压要高于高频交流击穿电压。在冲击电压下，由于电压作用时间极短，一般发生电击穿，因此击穿电压比工频交流和直流下都高。,4、电压种类,固体电介质属于非自恢复绝缘，在极不均匀电场中，当作用在固体介质上的电压为幅值较低或作用时间较短的冲击电压时，会使绝缘产生一定程度的损伤，那么在多次施加同样电压时，绝缘的损伤会逐步积累，其击穿电压也会降低，这种现象称为累积效应。,5、累积效应,固体电介质受潮后其击穿电压的下降程度与材料的吸水性有关。对不易吸潮的电介质，例如聚四氟乙烯，受潮后击穿电压下降一半左右；对易吸潮的电介质，如纸、纤维等，受潮后击穿电压仅为干燥时的几百分之一。所以高压电气设备的绝缘在制造时应注意烘干，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。,6、受潮,机械应力可能使某些原来较完整的电介质产生开裂、松散，如该介质放在气体中，则气体将填充到裂缝内，从而使击穿电压下降。,7、机械负荷,三、提高固体电介质击穿电压的方法,（1）改进制造工艺如精选材料、真空干燥，尽可能清除电介质中的杂质（2）改进绝缘设计如采用合理的绝缘结构、使电场尽可能均匀（3）改善运行条件注意防潮、防尘污，加强散热冷却，避免过负荷运行,作业三,P69 3-2、3-6、3-9,
