4 固体、液体和组合绝缘的电气强度.ppt

第四章固体、液体和组合绝缘的电气强度,2,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，所谓的缺陷可以指电场的集中，也可指介质的不均匀性。击穿特性：一般情况下，在气、液、固三种电介质中，固体密度最大，耐电强度也最高。耐电强度:空气一般在34kV/mm;液体一般在1020kV/mm;固体一般在十几几百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。,4-1固体介质的击穿,3,3,固体介质击穿特性曲线,4,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100.2s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,4,电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系,5,1电击穿,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，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。,在介质的电导很小，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。,6,电击穿的主要特征：,击穿电压高，击穿时间短；与周围环境温度无关；除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；介质发热不显著；电场均匀程度对击穿有显著影响；体积效应：击穿场强数据分散性很大，与材料不均匀性有关。加大试样的面积或体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低。,7,累积效应:固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压有可能低于单次冲击作用时的值。因为固体介质为非自恢复绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分损伤，则多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿。,有累积效应,基本无累积效应,有机材料,玻璃、云母等无机材料,固体介质冲击电压试验时的累积效应,8,2热击穿,绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，以致引起电介质分解、熔化、炭化或烧焦，造成材料的热破坏而导致击穿，这一过程称电介质的热击穿过程。,TGIT,UItanT,U较小时，在绝缘能够耐受的温度下达到热平衡，否则达到破坏温度。持续电压作用下，有足够的时间到达稳态。,9,介质发热（曲线1，2，3）及散热（曲线4）与介质温度的关系U1U2U3,发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc。Ta稳定，Tc不稳定,曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定。U2是临界热击穿电压，Tb则是热击穿的临界温度,根本不存在热平衡点，必然发生热击穿,10,热击穿的主要特征：,击穿电压较低，击穿时间较长；击穿电压与环境温度、周围媒质的散热能力和散热条件有关；击穿电压与电压作用时间有关；击穿电压与频率有关：击穿电压与介质本身的耐热能力有关；击穿电压与介质尺寸有关。,11,3电化学击穿,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。,12,12,电介质中的树枝老化,13,局部放电的危害：,13,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。,14,1.电压作用时间,2.电场均匀程度与介质厚度,3.温度,4.受潮,5.累积效应,4-2影响固体介质击穿电压的因素,15,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,16,如果电压作用时间很短（例如0.1s以下），固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压较高。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。工频交流1min耐压试验中试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。,17,许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低，这一点必须予以重视。在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中（例如旋转电机），就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料。,18,电击穿与温度无关，这时的击穿场强很高；环境温度越高、散热越差（厚度），热击穿电压越低；,2、温度,工频电压下电瓷的击穿电压与温度的关系,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。,19,（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。,19,20,4、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,同一根电缆的直流耐压约为交流耐压的3倍。,21,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，受潮后击穿电压下降一半左右，例如聚四氟乙烯、聚乙烯等中性介质；对易吸潮的电介质，受潮后击穿电压仅为干燥时的几百分之一，如纸、棉纱等纤维材料。注意：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。,5、受潮,22,在弹性形变范围内，其击穿电压变化不大。当绝缘结构承受较大的机械负荷，使材料出现开裂或微观裂缝时，击穿电压将显著下降。有机固体电介质在长期运行中因热、化学等作用而逐渐发脆，遇到较大的机械应力时就可能裂开或松散，如在这些裂缝中充有污浊物或受潮后，击穿电压下降更多.,6、机械负荷影响,23,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。,7、累积效应,注意：在确定电气设备试验电压和试验次数时都需要注意此累积效应，设计中要保证一定的绝缘裕度。,1.改进绝缘设计：如采取合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度能与共所承担的场强有适当的配合；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状态，消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差。,4-3提高固体击穿电压的方法,2.改进制造工艺：尽可能地清除固体电介质中残留的杂质、气泡、水分等，使固体介质尽可能做得均匀致密。这可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍等方法来实现。3.改善运行条件：如注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却。,26,4-4绝缘的老化,电气设备中的绝缘材料在运行过程中，由于受到各种因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，从而导致其物理、化学、机械和电气等性能的劣化，这种不可逆的变化称为绝缘的老化。,促使绝缘老化的因素：（1）物理因素：电、热、光、机械力等；（2）化学因素：氧气、臭氧、盐雾、酸、碱、潮湿等；（3）生物因素：微生物、霉菌等。,27,也称大气老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。对有机绝缘物，环境老化尤为显著。太阳光到达地面时，紫外光辐射仍很强烈。若有机绝缘物吸收的紫外线能量大于其化学键的电离能，则键断裂，造成老化。当存在氧气或臭氧时，还会引发高分子的氧化降解反应，称为光氧化反应。,1、环境老化,28,在高压电气装置的某些部分，常存在不同程度的电晕或局部放电，此处的臭氧含量较高。臭氧与某些有机绝缘物相互作用，可生成氧化物或过氧化物，导致主键断裂，造成老化。含有酸、碱、盐类成分的污秽尘埃与雨、露、雪、霜结合对绝缘物有腐蚀作用。延缓环境老化的方法：改善绝缘材料本身的性能。如在材料中加光稳定剂（反射或吸收紫外线）、抗氧化剂以及使用防护腊等。此外应注意加强高压电气设备的防晕、防局部放电的措施。,29,电介质在电场的长期作用下，其物理、化学性能发生劣化，导致其耐电强度降低的现象，称为电老化。介质电老化的主要原因是介质中的局部放电。,2、电老化,局部放电引起固体介质腐蚀、老化、损坏的原因有：局部电场畸变。使局部介质承受过高的电压；带电质点撞击气泡壁，造成绝缘物分解；化学腐蚀。气隙电离产生O3、NO、NO2等气体，遇水会产生硝酸或亚硝酸，对绝缘材料和金属有氧化和腐蚀作用；,30,在局部放电区，产生高能辐射线，引起材料分解；局部温度升高。造成热裂解，气隙膨胀而使固体绝缘开裂、分层、脱壳，且使该部分绝缘的电导和介质损耗增加。,直流电压下的局部放电较交流电压下的弱,31,交流电压下：每半周至少发生两次局部放电。,直流电压下：当气隙中的场强大于放电起始场强时，虽然也发生局部放电，但由此生成的正、负离子在电场作用下运动到气隙壁上形成与外施电场相反的空间电荷电场。空间电荷电场使气隙中的合成场强下降，放电可能熄灭。待气隙中的离子经过气隙表面的电导互相中和后，气隙中的场强又提高到放电起始场强，才发生第二次放电。由于气隙表面漏导很小，离子的中和需要较长时间（常以秒计），因此直流电压作用下局部放电的危害较交流时小。,32,各种绝缘材料耐局部放电的性能有很大差别：云母、玻璃纤维等无机材料有很好的耐局部放电能力。旋转电机采用云母、树脂作为绝缘材料；有机高分子聚合物等绝缘材料的耐局部放电的性能比较差。,由于各种上述原因，许多高压电气设备都将其局部放电水平作为检验其绝缘质量的重要指标之一。,33,3、热老化,在较高温度的长期作用下，绝缘性能也会发生不可逆的劣化，这就是电介质的热老化。温度越高，绝缘老化越快，寿命越短。,介质的热老化过程：固体介质的热老化过程受热带电粒子热运动加剧载流子增多电导和极化损耗增大介质温度升高加速老化液体介质的热老化过程油温升高氧化加速油裂解分解出多种能溶与油的微量气体绝缘破坏,34,热老化的象征：大多表现为介质失去弹性、变脆、发生龟裂，机械强度降低，也有些介质表现为变软、发黏、失去定形、液体酸价升高。同时介质的电气性能变坏。,35,热老化的程度主要决定于温度及热作用的时间。为使绝缘材料有一个经济合理的工作寿命，应找出与之相应的最高允许工作温度。所谓最高允许工作温度，指绝缘即使持续地在此温度下工作，仍有一定的、经济合理的工作寿命。最高允许工作温度须经综合经济技术比较后才能大致确定。IEC将各种电工绝缘材料按其耐热程度划分等级，并确定各等级绝缘材料的最高允许工作温度，即：O(Y)级90、A级105、E级120、B级130、F级155、H级180、C级180。,36,绝缘材料的使用温度超过规定温度，则劣化加速。热老化8规则：对A级绝缘介质，如果使用温度超过规定值8时，寿命约缩短一半。相应的对B级绝缘和H级绝缘则分别为10和12。,37,固体介质在各种机械力的作用下会产生裂缝并逐渐扩大，从而导致介质的绝缘性能下降。若裂缝中发生局部放电，介质损坏速度加快。对于绝缘子来说，温度的突变也会产生内部应力。对于电机绝缘来说，机械力的作用对绝缘老化也有很大的影响。,4、机械老化,38,电气设备的使用寿命一般取决其绝缘的寿命，后者与老化过程密切相关。绝缘老化的原因主要有热、电和机械力的作用，此外还有水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。各种原因同时存在、彼此影响、互相加强，加速老化过程。,绝缘老化小结,39,4-5液体介质的击穿,耐电强度：比气体高，且具有绝缘、散热冷却和灭弧作用。,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)。,纯净的液体电介质的击穿机理：（1）电击穿理论（2）气泡击穿理论,工程用的液体电介质的击穿机理：小桥击穿理论,40,41,（1）纯净的液体电介质的击穿机理,电击穿理论：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。因液体介质的密度比气体大得多，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。,42,气泡击穿理论：认为液体分子由电子碰撞而产生气泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气泡内的气体放电而引起液体击穿。,液体中气泡产生的原因：阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解出气体；由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离产生气体；电极表面吸附的气泡脱离出来；电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液体气化,43,液体中沿气泡击穿过程：,电离产生的带电粒子撞击液体分子，使之分解出气体，扩大气体通道,气泡温度升高、体积膨胀、电离进一步发展,44,（2）工程用的（非纯净）液体电介质的小桥击穿理论,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：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”，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,(a)形成“小桥”,(b)未形成“小桥”,45,小桥发热：组成小桥的纤维及水分电导大，从而使泄漏电流增加，并进而使小桥强烈发热。,小桥贯穿：使油和水局部沸腾汽化，最后沿此“气桥”发生击穿。,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。,46,工程用变压器油的击穿有如下特点：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,工程用变压器油的击穿特点：,47,2.电压作用时间,3.电场均匀度,4.温度,油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量,5.压力,4-6影响液体介质击穿的因素,48,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,电气强度、tg、含水量等。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。,判断油品质常用指标：,49,对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为Ub25kV40kV;对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压一般为Ub50kV60kV。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别的不同条件下油间隙的耐受电压。,50,（1）杂质以水分，特别是含水纤维的影响最为严重,水分：水在油中以溶解状或悬浮状存在。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。,当含水量0.020.03时，由于过多的水分将下沉底部，故抗电强度基本稳定,51,（2）电压形式的影响,油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多：杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长。,-1.2/50s波,+1.2/50s波,工频电压,稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系,52,加压后由于油中杂质聚集到电极以及介质的发热均需要一定的时间。,一般12分钟后，Ub不再随t而变。故工频耐压试验t通常取为1min。,53,3.电场情况的影响,工频或直流电压下：油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能使的击穿电压明显提高；油中稍有含水、含杂，含气等击穿电压就明显下降。,在冲击电压下，因小桥来不及形成，电场均匀与否对击穿电压无显著影响。,54,（4）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）,水当T增加时：固液汽,55,(5)压强的影响,变压器油的工频击穿电压与压强关系,油中含有气体,4-7提高液体介质击穿电压的方法,提高并保持油的品质提高：去杂质、水分、有机酸:(制造时过滤)去气体:(制造时真空注油)保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化2覆盖层在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥；通常油本身品质越差，电压作用时间越长，效果越好。,57,58,3绝缘层当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上。4屏障放在电极间油间隙中的固体绝缘板作用：割断杂质小桥的形成使另一侧油隙的电场变均匀在极不均匀场中效果明显。面积应足够大。,59,4-8组合绝缘的电气强度,对高压电气设备绝缘，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合。,实用的绝缘结构变压器：外绝缘（瓷套+空气）、主绝缘（油-屏障式）电缆、电容器：介质（纸、高分子薄膜）+浸渍剂电机：云母+浸渍剂等套管：油纸绝缘等普遍存在：油纸绝缘。,60,组合绝缘电压分配原则：各层电介质上所承受的场强和介质的击穿场强成正比。这时，各层介质绝缘利用最充分，整个组合绝缘能够承受的场强最高。直流下：电压与电阻成正比（电导）应用：电气强度高、电导率小用在电场最强处；交流和冲击下：电压与电容成反比（介电常数）应用：电气强度高、介电常数小用在电场最强处。,61,一、油-屏障绝缘和油纸绝缘的特点,1、油-屏障绝缘,以油为主要绝缘介质的组合绝缘，有很好的冷却作用。屏障的作用：改善油