固体液体和组合绝缘.ppt

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1、第四章 固体、液体和组合绝缘的电气强度,南京师范大学电气与自动化工程学院2005年9月,固体电介质的击穿,固体电介质的击穿过程,电击穿,热击穿,电击穿010s，10s0.2s热击穿电化学击穿,固体电介质的击穿,电击穿电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素无关。和电场均匀程度关系极大，在极不均匀电场及冲击电压作用下，有明显的不完全击穿现象，产生累积效应。,固体电介质的击穿,热击穿 曲线1，2，3分别表示为在电压U1，U2，U3（U1U2U3）下介质发热量与介质中最高温度的tm的关系。,固体电介质的击穿,电化学击穿 固体电介质在长期工作电压作用下，由于介质内

2、部发生局部放电，产生活性气体O3、NO、NO2，对介质产生氧化和腐蚀作用，同时产生热量引起局部发热，以及在局部放电过程中带电粒子的撞击作用，导致绝缘劣化或损伤，使其电气强度逐步下降并引起击穿的现象。,固体电介质的击穿,影响固体电介质击穿的因素（1）电压作用时间（2）温度（3）电场均匀程度和介质厚度 均匀电场中，Ub随介质厚度的增加而线性增加；在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不均匀，Ub不再线性上升，具有饱和特性。,固体电介质的击穿,（4）电压种类冲击击穿电压比工频峰值击穿电压高直流击穿电压比工频峰值击穿电压高高频下有强烈的介质损耗发热促使热击穿过程，击穿电压最低。（5）受潮（6）机械负荷

3、机械应力可能造成绝缘材料开裂、松散，使得击穿电压下降。,固体电介质的击穿,（7）多层性的影响 如果某层介质中的场强超过了该层介质的耐受场强，则该层介质便会击穿，电场产生强烈畸变，使其他层的介质很容易被击穿。（8）累积效应 电压较高时，固体绝缘的损伤是不可恢复的，逐步累积，最终在该电压下击穿。,固体电介质的击穿,固体电介质的击穿电压与介质周围环境温度的关系,提高固体电介质击穿电压的方法,1.改进绝缘设计改善电极形状及表面光洁度改善电极与绝缘体的接触条件改进密封结构对多层性绝缘结构，充分利用中间多层电容屏的均压作用,提高固体电介质击穿电压的方法,2.改进制造工艺清除杂质，精选材料，真空干燥，加强浸

4、渍等3.改善运行条件防潮，防尘和有害气体，加强散热冷却,固体电介质的老化,1.环境老化 光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性老化2.电老化（1）电离性老化 气泡内很容易发生电离，对介质的绝缘造成不良后果：气泡体积膨胀使介质开裂、分层，电导和损耗增大，电场畸变使有机物分解，分解出的气体加入电离分解出有腐蚀作用的气体,固体电介质的老化,（2）电导性老化 如果在两电极间的绝缘层中存在液态导电物质，则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“水树枝”。水树枝的积累和发展，将最终导致绝缘层的击穿。产生和发展“水树枝”所需场强比产生和发展“电树枝”所需场强低的多。,固体电介质的老

5、化,（3）电解性老化 直流电压的长期作用下，介质内部进行电化学过程，电介质逐渐老化，最终导致击穿。所加电压远低于局部放电的起始电压。（4）表面漏电起痕及电蚀损 有机介质表面的电老化问题。在潮湿、脏污的介质表面会流过泄漏电流，电流密度较大处会形成干燥带，电压分布不均匀，在干燥带上分担较高电压，从而形成放电小火花或小电弧。此种放电现象会使绝缘体表面过热，局部炭化、烧蚀，形成漏电痕迹，漏电痕迹的持续发展可能逐渐形成沿绝缘体表面贯通两端电极的放电通道。,固体电介质的老化,3.热老化 热老化的主要过程为热裂解、氧化裂解、交联、以及低分子挥发物的逸出。有机材料热老化的程度主要取决于温度及热作用时间 最高持

6、续工作温度,液体电介质的击穿,液体电介质的击穿理论（1）纯净液体介质电击穿理论与长空气间隙的放电过程类似尖极附近电离，流注发展（分级发展），间隙击穿,液体电介质的击穿,气泡击穿理论产生气泡的原因电子电流加热液体，分解出气体；电子碰撞液体分子，使之解离产生气体；静电斥力，电极表面吸附的微小气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大；电极凸起处的电晕引起液体汽化。,液体电介质的击穿,气泡击穿理论气泡介电常数小，承担了较高的场强，气体耐电强度低，所以气泡首先电离；气泡中气体的温度升高，体积膨胀，电离进一步发展使油分解出气体；如果电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通道内发生

7、。,液体电介质的击穿,工程用液体介质小桥理论 液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥”，因为杂质的电导较大，从而使泄漏电流增大，并进而使“小桥”强烈发热，使油和水局部沸腾汽化，最后沿此“汽桥”发生击穿。,影响液体电介质击穿电压的因素,标准试油器GB/T507-2002推荐了两种形状的电极：球形球盖形,影响液体电介质击穿电压的因素,1.杂质（悬浮水、纤维）水的存在方式：溶解态：对耐压影响不大乳化状态：易形成小桥，对击穿电压影响较大 当有纤维存在时，含水量对击穿电压影响明显。沉淀状态,影响液体电介质击穿电压的因素,均匀电场，杂质对击穿电压影响大；极不均匀

8、电场因强场处扰动大，杂质不易形成小桥，故杂质对击穿电压影响小；冲击电压因作用时间短，杂质来不及形成小桥，所以杂质对击穿电压影响小。,影响液体电介质击穿电压的因素,2.温度与油的品质、电场均匀度及电压作用时间有关。,极不均匀电场中，水分和杂质不易形成小桥，随温度上升，击穿电压略有下降。,冲击电压作用下，击穿电压与温度没有显著关系。,影响液体电介质击穿电压的因素,3.电压作用时间与固体电介质击穿电压与电压作用时间的关系类似。,一般不太脏的油，电压作用时间为1min时击穿电压与持久作用时击穿电压相差很少，所以油耐压试验，只要做1min就可以了。,影响液体电介质击穿电压的因素,4.电场情况 工频电压下

9、，如电场较均匀，油的品质对击穿电压影响很大；如电场不均匀，油的品质对击穿电压很小。冲击电压作用下，杂质由于本身的惯性，不可能在很短时间内形成“小桥”，故不论电场均匀与否，油的品质对击穿电压影响都很小。,影响液体电介质击穿电压的因素,5.压强的影响工程液体介质，击穿电压随着压强的增加而提高纯净液体介质和冲击电压下，压强对击穿电压基本无影响。,压强增加，气体在油中的溶解度增加，气泡的局部放电起始电压提高,提高液体电介质击穿电压的方法,1.提高以及保持油的品质过滤真空喷雾法除去气体吸附剂法吸附微小颗粒2.覆盖紧贴在金属电极上的固体绝缘薄膜,提高液体电介质击穿电压的方法,3.绝缘层起覆盖的作用，承担电

10、压，改善电场分布4.屏障电极间油间隙中的固体绝缘板一方面阻隔杂质，另一方面起屏障作用,液体电介质的沿面放电,液体电介质的老化,变压器油的老化过程变压器油老化的现象和特征：（1）颜色逐渐深暗，从淡黄色变成棕褐色，从透明变为浑浊。（2）黏度增大；闪燃点增高；灰分褐水分增大。（3）酸价增加。（4）绝缘性能变坏，电阻率下降，介质损耗角增大，击穿电压降低。（5）产生沉淀物。,液体电介质的老化,变压器油的氧化初期A氧气与油中不饱和碳氢化合物化学反应，形成饱和的化合物B期生成稳定的油的氧化物和的分子量的有机酸，也生成部分高分子有机酸，油的酸价升高C期加聚和缩聚，生成中性的高分子树脂质及沥青质，浑浊悬胶状态,

11、液体电介质的老化,影响变压器油老化的因素1.温度 高于6070，氧化作用显著，此后温度每升高10，氧化速度就加快1倍；当温度超过115120，氧化进一步加速，可能伴有裂解。为了保证变压器运行寿命，防止绝缘油老化变质，规定装在变压器盖上专门用来测量上层油温的温度表读数一般不得85。,液体电介质的老化,2.触媒 当油接触到金属、纤维、水分、灰尘等物时，吸氧量显著增加，称为触媒的作用。A类不参与化学反应，B类参与化学反应3.光照4.电场 析气性：在油的正常工作温度时仅由电场的作用而造成的化学裂解，释放出气体（放气），或吸收某种气体与油分子化学结合（吸气）。,油的“析气性”表征油今后长时间在高场强下运

12、行时自身老化的速度和对总体绝缘强度的影响,液体电介质的老化,延缓变压器油老化的方法（1）装置油扩张器（2）装置隔离胶囊,液体电介质的老化,（3）将油与强烈触媒物质隔离（4）掺入抗氧化剂,液体电介质的老化,变压器油的再生（1）酸碱白土法酸与油中老化物反应，生成不溶于油的酸渣碱中和剩余的酸白土吸附剂（2）氢化法 油的氧化物被还原成碳氢化合物，氧与氢化合为水，并在真空中被抽去。,质量最好,组合绝缘的电气性能,组合绝缘的介电常数 对平板电极，设介质总厚度为d，单位面积的电极间电容C为,Cs固体电介质的电容；Cx气隙或浸渍介质的电容。,组合绝缘的相对介电常数为,组合绝缘的电气性能,介质损耗 组合绝缘的总

13、介质损失角正切为,tans固体介质的介质损耗角正切；tanx浸渍介质的介质损耗角正切。,组合绝缘的电气性能,组合绝缘的击穿特性串联多层绝缘结构，理想的电压分布应是各层介质所承受的场强与该层介质的耐电强度成正比。,干纸的耐电强度为10kV/mm13kV/mm纯油的耐电强度为10kV/mm20kV/mm油纸绝缘工频短时耐电强度达50kV/mm120kV/mm。,电介质的其他性能,1.热性能（1）耐热性短时耐热性热劣化：稍高温度下，长时间后，绝缘性能的不可逆变化长期耐热性：在确定寿命的条件下，电介质不产生热损坏的最高允许温度（2）电介质的耐热等级（3）电介质的耐寒性,电介质的其他性能,2.机械性能3.吸潮性能4.化学性能及抗生物性,