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1 第四章固体 液体和组合绝缘的电气强度 三态电介质的耐电特性 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 击穿特性 一般情况下 在气 固 液三种电介质中 固体密度最大 耐电强度也最高 固体电介质的击穿过程最复杂 且击穿后是唯一非自恢复的绝缘 2 电气强度 空气 一般在30 40kV cm 液体 一般在100 200kV cm 固体 一般几百 几千kV cm 3 4 1固体电介质击穿的机理 在电场的作用下 固体介质的击穿可能因电过程 热过程和电化学过程而引起 实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的 它不仅取决于介质本身的特性 还与绝缘结构型式 电场均匀性 外加电压波形和加电压时间以及工作环境 周围媒质的温度及散热条件 等多种因素有关 因此要用多种理论来说明其击穿过程 常用的有机绝缘材料在工作电压作用下 会产生电离 老化等过程 从而使其电气强度大幅度下降 因此 对这类绝缘材料或绝缘结构 不仅要注意其短时耐电特性 而且要重视它们在长期工作电压作用下的耐电性能 4 固体电介质击穿特性的划分 四个区域 区域A 10 s 电击穿 区域B 10 s 0 2s 电击穿 区域C 0 2s 热击穿 区域D 数十小时 电化学击穿 电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 5 一 电击穿 电击穿的建立 电击穿理论是建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上的 固体电介质中存在的少量传导电子 在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞电离 传导电子数迅速增多 引起电子崩 从而击穿 在介质的电导 或介质损耗 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 其击穿场强可达105 106kV m 比热击穿时的击穿场强高很多 后者仅为103 104kV m 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 6 电击穿的影响因素 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 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 不完全击穿导致绝缘性能逐渐下降的效应称累积效应 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 电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 7 二 热击穿 热击穿的发展过程 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的 当固体介质较长期地承受电压的作用时 会因介质损耗而发热 与此同时也向周围散热 如果周围环境温度低 散热条件好 发热与散热将在一定条件下达到平衡 这时固体介质处于热稳定状态 介质温度不会不断上升而导致绝缘的破坏 但是 如果发热大于散热 介质温度将不断上升 导致介质分解 熔化 炭化或烧焦 从而发生热击穿 8 热击穿的击穿电压与温度关系显著 在B范围内 热击穿 击穿电压随温度增加而下降 在A范围内 电击穿 击穿电压和介质温度无关 9 热击穿的理论分析 电介质发热曲线1 2 3对应于电压U1 U2 U3 直线4散出的热量Q与介质中温度tm的关系 10 称ta为稳定热平衡点 称tb为不稳定热平衡点 11 热击穿的特点 受周围媒质温度的影响 t0升高热击穿电压下降 与绝缘厚度的关系 热击穿电压随绝缘厚度的增加而降低 导热系数 散热系数增大 击穿电压上升 f或tan 增大会造成发热增加 使曲线1 2 3上移 临界击穿电压下降 12 三 电化学击穿 电化学击穿的概念 固体介质在长期工作电压的作用下 由于介质内部发生局部放电等原因 使绝缘发生不可逆劣化 电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿 在临近最终击穿阶段 可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成 也可以因介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成 13 局部放电使介质劣化 损伤 电气强度下降的主要原因 放电过程产生的活性气体O3 NO NO2等对介质产生氧化和腐蚀作用 放电过程有带电粒子撞击介质 引起局部温度上升 加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加 带电粒子的撞击还可能切断分子结构 导致介质破坏 14 电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切 但也因介质种类的不同而异 一般来说 无机绝缘材料耐局部放电的性能较好 15 4 2影响固体电介质击穿电压的因素 电压作用时间 温度的影响 电场均匀度和介质厚度的关系 电压频率的影响 受潮度的影响 机械力的影响 多层性的影响 积累效应的影响 16 4 3提高固体电介质击穿电压的方法 改进绝缘设计 采用合理的绝缘结构 使各部件绝缘的耐电强度与其承担的场强有适当的配合 对多层性绝缘结构 可充分利用中间多层电容屏的均压作用 改善电极形状及表面光洁度 尽可能使电场分布均匀 把边缘效应减到最小 改善电极与绝缘体的接触条件 消除接触气隙 或使接触气隙不承受电位差 改进密封结构 确保可靠密封 17 改进制造工艺 尽可能地清除固体介质中残留的杂质 气泡 水分等 使固体介质尽可能均匀致密 可以通过精选材料 改善工艺 真空干燥 加强浸渍等方法达到 18 改进运行条件 注意防潮 防止尘污和各种有害气体的侵蚀 加强散热冷却 如自然通风 强迫通风 氢冷 油冷 水内冷等 19 4 5液体电介质击穿的机理 一 概述 液体介质 矿物油 从石油中提炼的多种碳氢化合物的混合物 如 变压器油 电容器油 电缆油等 合成油 十二烷基苯应用于充油电缆和浸渍电容器 有机硅油 异丙基联苯等 20 耐电强度 比气体高且具有散热作用 击穿理论研究现状 不及气体介质 尚缺乏完善化 击穿机理分类 纯净的液体电介质的击穿机理 工程用液体电介质的击穿机理 电击穿理论 气泡击穿理论 21 二 纯净的液体电介质的击穿机理 电击穿理论 电击穿过程 当电场足够强时 在阴极产生的强场发射的电子将被电场加速而具有足够的功能 在碰撞液体分子时可引起电离 使电子数倍增 形成电子崩 与此同时 由碰撞电离产生的正离子将在阴极附近集结形成空间电荷层 增强了阴极附近的电场 使阴极机发射的电子数增多 当外加电压增大到一定程度时 电子崩电流会急剧增大 从而导致液体介质的击穿 22 电击穿的特点 液体密度增加 击穿场强增大 温度升高时液体膨胀 击穿场强下降 液体介质的冲击击穿场强高于工频击穿场强 23 气泡击穿理论 重要结论 在交流电压下 串联介质中电场强度的分布是与介质的成反比 气泡击穿过程 由于气泡的最小 并且其电气强度又比液体介质低得多 所以气泡必先发生电离 气泡电离后温度上升 体积膨胀 密度减小 这促使电离进一步发展 电离产生的带电粒子撞击油分子 使它又分解出气体 导致气体通道扩大 如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥 通道 击穿就可能在此通道中发生 24 气泡击穿的特点 如果液体介质的击穿因气体小桥而引起 那么增强液体的压力 就可使其击穿场强有所提高 因此 在高压充油电缆中总要加大油压 以提高电缆的击穿场强 25 三 工程用液体电介质的击穿机理 气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿 用来解释工程用变压器油的击穿过程 工程用变压器油是有杂质的 这些杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同 从而会畸变油中电场 影响油的击穿 工程用变压器是含有杂质的 这不仅是因为完全清除油中杂质极其困难 还因为油和大气接触时会逐渐氧化 并从大气中吸收气体和水分 况且在设备制造过程中也会有杂质混入 例如纸或布等纤维脱落到油中 在运行中油质劣化也会分解出气体 水分和聚合物 工程用液体电介质的杂质 26 由于水和纤维的很大 很易沿电场方向极化定向 并排列成杂质小桥 这时会发生两种情况 1 杂质小桥尚未接通电极 则纤维等杂质与油串联 由于纤维大以及含水分纤维的电导大 使其端部油中电场显著增高并引起电离 于是油分解出气体 气泡扩大 电离增强 这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿 2 如果杂质小桥接通电极 因小桥的电导大而导致泄漏电流增大 发热会促使水分汽化 气泡扩大 发展下去也会出现气体小桥 使油隙发生击穿 击穿过程 27 工业用变压器油的击穿特点 在均匀电场中 当工频电压升高到某值时 油中可能出现一个火花放电 但旋即消失 油又恢复其电气强度 电压再增油中又可能出现火花 但可能又旋即消失 这样反复多次 最后才会发生稳定的击穿 28 判断变压器油的质量 测量变压器油的电气强度 tan 和含水量 其中最重要的试验是用标准油杯测量油的工频击穿电压 29 我国规定不同电压等级电气设备中所用变压器油的电气强度 变压器油在极距为2 5mm的标准油杯中的击穿电压约20 60kV之间 相应的击穿场强有效值应为80 240kV cm 这比空气的击穿场强 30kV 峰值 cm 21kV 有效值 cm 高得多 30 4 6影响液体电介质击穿电压的因素 一 液体介质本身品质的影响 化学成分 矿物油中各种成分含量的比例对油的理化性能有一定的影响 而对油的短时耐电强度则没有明显的影响 含水量 标准油杯中 常温下变压器油的工频击穿电压有效值与含水量的关系 31 含纤维量 当油中有纤维存在时 在电场的作用下 纤维将沿着电力线方向定向排列 形成 小桥 使油的击穿电压大为降低 纤维有很强的吸附水分的能力 纤维与水分的联合作用对击穿电压影响强烈 含碳量 细而分散的炭粒对油的耐电强度的影响并不显著 但炭粒逐渐沉淀到电气设备的固体介质表面 形成油泥 则易造成油中沿固体介质表面的放电 同时也影响散热 含气量 32 二 电压作用时间的影响 油隙的击穿电压会随着电压作用时间的增加而下降 外加电压时间还会影响油的击穿性质 如图电压作用时间为数百微秒前 杂质的影响没有显示出来 为电击穿 这时影响因素主要是电场均匀度 时间更长 杂质开始聚集 油隙的击穿开始出现热过程 为热击穿 33 三 电场情况的影响 保持油温不变 而改善电场的均匀度 能使优质油的工频击穿电压显著增大 也能大大提高其冲击击穿电压 品质差的油含杂质较多 故改善电场对于提高其工频击穿电压的效果也较差 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 34 四 温度的影响 0 开始上升 一部分水分从悬浮状态转化为害处较小的溶解状态 使击穿电压上升 温度超过80 时 水开始汽化 产生气泡 引起击穿电压下降 因此在60 80 的范围内出现最大值 在0