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1、高电压技术,高电压工程系李黎,2,第8讲 液体、固体电介质的绝缘特性（三）,3,上一讲回顾,电介质中的物理过程极化电导损耗tg（设计绝缘时需要控制的参量）液体电介质的击穿电击穿理论小桥效应工程中的液体电介质,4,气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右；液体的耐电强度在10 20 kV/mm；固体的耐电强度在十几 几百kV/mm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普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性,2.3 固体电介质的击穿,5,6,一、固体电介质的
2、击穿过程,1.固体电介质击穿特性的划分区域A：击穿时间小于10s 的区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性区域B：击穿时间在100.2 s范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关这两个区域内的击穿都具有电击穿的性质,电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系,7,区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点区域D：C区以外,电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系,A、B 区：属于电击穿 C 区：属于热击穿 D 区：为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年,8,机理：建立在碰撞电离基础上，少量传导电子，在电场加速下与晶格结
3、点上的原子碰撞，最终导致击穿,二、击穿理论（一）电击穿理论,9,碰撞电离引起击穿的两种理论,固有击穿理论单位时间内传导电子从电场获得的能量与因碰撞而失去的能量不平衡，能量堆积（超过电离能）而引起击穿A(E,T0)=B(,T0)A(E,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量E：电场，：标志电子的状态因子，T0：晶格温度电子崩击穿理论传导电子由电场得到了可使晶格原子电离的能量，产生了电子崩，当电子崩发展到足够强时（d足够大），引起固体介质击穿,10,时间影响：电压作用时间短，击穿电压高介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸 变，
4、导致介质击穿电压降低 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关,电击穿的特点,11,击穿理论（二）热击穿理论,机理：介质内部发热和散热的不平衡导致。介质温度升高，引起介质分解、炭化，最终导致击穿。特点：与电压作用时间有关；与发热和散热条件有关；当电压频率增大时，击穿电压将下降。,12,热击穿A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的升
5、高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程,交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系,13,热击穿的理论分析电压：U1U2U3曲线1,2,3：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系 直线4：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0 时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,14,曲线 1：发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1下最终必定发生热击穿,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,15,曲线 3：tta 时：曲线在直线4之下，不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在ta，称ta为稳定热平衡点ttb 时：情况类似曲线1，最终发生热击穿t
6、=tb 时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点 tattb：不会发生热击穿，介质温度将稳定在ta,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,16,曲线 2：与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,17,机理：介质劣化的结果。局部放电使介质引起化学离解，形成树枝状通道，这些树枝状通道，随时间推移不断伸长，使绝缘进一步劣化，最终发展到整个电介质击穿。特点：击穿由绝缘性能下降引起，比电击穿和热击穿电压低，可以在工作电压下发生。,击穿理论（3）电化学击穿理论,18,局部放电的
7、后果,放电过程产生的活性气体O3、NO、NO2等对介质的氧化、腐蚀作用放电过程有带电粒子撞击介质，引起局部温升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增大带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致介质破坏局放对有机介质的影响尤为显著,19,有机绝缘材料的树老化,树老化类型：电树老化和水树老化树老化的原因电离性老化：该气隙或气泡内容易发生电离。气隙或气泡的电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化等形式)，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作“电树枝”电导性老化：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质(例如水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入
8、到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝”,20,Tree-like树枝状,Bush-like灌木丛状,chestnut-like栗子状,树枝老化的一般形状,21,电介质中的树枝老化,22,设备中树老化 无法观测 微观形态控制 树枝老化观察 微观形态和树枝 老化二者的观测,试品薄膜化控制微观结构绝缘缺陷模拟树枝老化监测树枝老化研究,树老化的研究 难点 特征,23,三、影响固体电介质击穿电压的因素,电压作用时间 温度 电场均匀程度 电压种类累积效应受潮机械负荷二次效应如空间电荷等,24,（1)电压作用时间,常用固体电介质的工频电气强度与加压时间的关系1聚乙烯2聚四氟乙烯3黄蜡布4硅有机玻璃
9、云母带,25,（2)温度,小于t0 时，属于电击穿当温度超过t0 值时，温度越高，散热条件越差，击穿电压越低，此时属于热击穿。t0 称为转折温度。,26,（3)电场均匀程度,均匀电中，击穿电压较高，而且击穿电压随介质厚度的增加呈线性关系上升；不均匀电场中，击穿电压不随介质厚度的增加呈线性上升可能会出现热击穿，因此介质厚度达到一定程度后，厚度再增加对提高击穿电压意义不大。,27,（4)电压种类,直流击穿电压：高于工频交流击穿电压，因为仅有电导损耗工频交流击穿电压：高于高频交流击穿电压，因为极化损耗高冲击击穿电压：高于工频交流击穿电压,油浸电工纸板与加压时间的关系（25C）,28,（5）累积效应击
10、穿电压随加压次数增加而下降，累积效应局部损伤的扩展。（6）受潮固体电介质受潮后击穿电压会迅速下降。（7）机械负荷当材料出现开裂或微观裂缝（热、化学等作用）时，击穿电压将显著下降。如在这些裂缝中充有污浊物或受潮后，击穿电压下降更多。,29,提高固体电介质击穿电压的方法,改进制造工艺：消除杂质改进绝缘设计：电场均匀改善运行条件：散热、防潮,30,2.4 组合绝缘的电气强度,油屏障式绝缘油纸绝缘 击穿场强可达500600kV/cm，大大超过各组成成分的电气强度（油200kV/cm，纸100150kV/cm）,31,2.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损耗,32,2.4.2 组合绝缘中的电场,直流电
11、压作用下电压与电阻成正比，电场与电导率成反比（与电阻率成正比）,33,交流电压作用下电压与电容成反比，电场与介电常数成反比,34,分层绝缘中的电场分配交流条件下,油屏障式绝缘1E2,35,直流条件下,电场按电阻率正比分配。（纸）（油），故E2E1，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压关于交流耐压（约为3）倍。,随着d2的加大，E1持续增大在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。,36,电缆的绝缘,单相圆芯均质电缆,37,分阶绝缘,在r0rr1内,在r1rr2内,38,分阶绝缘,优点：绝缘材料的利用率高实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密度有关，密度大的纸
12、（高）与低密度纸搭配使用，做多层分阶。,39,2.5 电介质的老化,绝缘老化的成因电老化局部放电老化热老化热作用下的氧化环境老化污染性化学老化,40,（二）电介质的热老化,主要取决于温度及热作用时间液体电介质的热老化主要是由于热作用下的氧化。变压器油氧化后酸价升高，颜色逐渐加深，粘度增大，绝缘性能降低。固体电介质的热老化主要是由于温度升高，使固体电介质热裂解、氧化裂解，产生交联，低分子挥发物逸出表征机械强度降低，介质失去弹性，变脆，绝缘性能降低。不可逆过程,41,耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度寿 命：在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命短时耐热性：长期耐热性：给定寿命
13、下，电介质不产生热损 坏的最高允许温度,电介质的热性能,42,电介质的耐热等级介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐热等级。如 Y A E B F H C 90 105 120 130 155 180 180根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计,43,电介质的耐寒性耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40,44,(三）环境老化,环境老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。其中最主要时光氧老化，如紫外线的照射会使绝缘材料加速老化，有些绝缘材料不宜用于户外日晒雨淋及污秽尘埃的环境。用于湿热地区的材料还应注意其抗生物（昆虫、霉菌）作用的性能。,
