液体固体介质的击穿

1、第三章第三章 液体和固体电介质的击穿液体和固体电介质的击穿3.1 液体介质的击穿液体介质的击穿一、液体介质的击穿机理一、液体介质的击穿机理主要包括主要包括天然矿物油天然矿物油和和人工合成油人工合成油及及蓖麻油蓖麻油等植物油。等植物油。工程中使用的油含有工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒水分、气体、固体微粒和和纤维纤维等杂质，等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。它们对液体介质的击穿有很大的影响。1、纯净液体介质的击穿理论、纯净液体介质的击穿理论（1）电子碰撞游离理论（电击穿理论）电子碰撞游离理论（电击穿理论）在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子时可引起游离，使在外电场足够强时，电子在碰

2、撞液体分子时可引起游离，使电子数倍增，形成电子数倍增，形成。同时正离子在阴极附近形成空间。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。导致液体介质击穿。（2）气泡击穿理论（小桥理论）气泡击穿理论（小桥理论）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中场强分布与液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中场强分布与介质介质成反比。气泡的成反比。气泡的小，其电气强度又比液体介质低很小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上升、体积多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上

3、升、体积膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。许多游离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在许多游离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。此通道中发生。2、工程用变压器油的击穿过程及其特点、工程用变压器油的击穿过程及其特点可用气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的可用气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的、发热、发热、气泡、气泡并形成小桥，有热过程，属于并形成小桥，有热过程，属于范畴。范畴。由于水和纤维的由于水和纤维

4、的r很大，易沿电场方向极化定向，并排列成很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。杂质小桥。 (1)(1)如果杂质小桥接通电如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会致泄漏电流增大，发热会促使汽化，气泡扩大，发促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。使油隙发生击穿。(2) 杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的于纤维的r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起游离，于是油分解出气体

5、，气泡扩大，强度显著增高并引起游离，于是油分解出气体，气泡扩大，游离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。游离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。 有两种情况：有两种情况：油中受潮油中受潮水分水分(r=81) 纸布脱落纸布脱落纤维纤维(r=6-7)沿电场极化沿电场极化定向排列定向排列杂质杂质 小桥小桥 二、影响液体介质击穿电压因素二、影响液体介质击穿电压因素1、 水分和其他杂质水分和其他杂质（1）水分以三种状态存在于油中：）水分以三种状态存在于油中： 溶解态和沉渣态的水对工频溶解态和沉渣态的水对工频击穿电压无影响；击穿电压无影响； 悬浮态的水易在电场下形成悬浮态的水易在电场下

6、形成“小桥小桥”，对击穿电压影响很大；，对击穿电压影响很大； 2、油温、油温 0-60度：度： 温度温度水珠溶解度水珠溶解度Ub 80度以上：度以上： 温度温度汽化汽化Ub -5度度-0度：冰水、全部悬浮，度：冰水、全部悬浮，Ub最低最低 -5度以下：粘度度以下：粘度小桥不易形成小桥不易形成Ub （2）纤维越多，杂质小桥越易形）纤维越多，杂质小桥越易形成，击穿电压越低成，击穿电压越低（3）气体含量超过油中溶解度时，）气体含量超过油中溶解度时，将以自由态出现将以自由态出现Ub迅速迅速 3、电场均匀度、电场均匀度 电场较均匀时，电场越均匀杂质小桥越易形成，油的品质电场较均匀时，电场越均匀杂质小桥越

7、易形成，油的品质对工频对工频Ub影响越大；影响越大；电场极不均匀时，电极附近电场很强，造成强烈电离，电电场极不均匀时，电极附近电场很强，造成强烈电离，电场力对带电质点的强烈作用使该处的油剧烈扰动，杂质和水场力对带电质点的强烈作用使该处的油剧烈扰动，杂质和水分很难形成分很难形成“小桥小桥”。4、电压作用时间、电压作用时间 对工程油，其击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，对工程油，其击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，因杂质聚集、排列需一定的时间；因杂质聚集、排列需一定的时间；加电压时间还会影响油的击穿性质。加电压时间还会影响油的击穿性质。5、油压、油压 不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工

8、频击穿电压总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游离电压增是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的游离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。高和气体在油中的溶解度增大的缘故。油中含气体时：压力油中含气体时：压力 Ub油油(气体在油中溶解量气体在油中溶解量) 油经脱气处理：压力对油经脱气处理：压力对Ub油影响较小油影响较小三、提高液体击穿电压的措施三、提高液体击穿电压的措施电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。这时影响油隙显示出来，仍为电击穿，击穿

9、电压很高。这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；击穿电压的主要因素是电场的均匀程度； 电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的油隙的和和。（2）绝缘层）绝缘层2、采用固体介质降低杂质的影响、采用固体介质降低杂质的影响机理：阻止杂质小桥的形成

10、和发展机理：阻止杂质小桥的形成和发展（1）覆盖）覆盖紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。零点几毫米。1、减少液体中的杂质、减少液体中的杂质过滤、祛气、防潮过滤、祛气、防潮放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高倍或更高（3）屏障）屏障 3.2 固体介质的击穿固体介质的击穿一

11、、固体介质的击穿机理一、固体介质的击穿机理固体介质的特点：非自恢复绝缘体固体介质的特点：非自恢复绝缘体在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：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）电过程（电击穿） 热过程（热击穿）热过程（热击穿） 电化学过程（电化学击穿）电化学过程（电化学击穿） 1、电击穿理论、电击穿理论强电场作用下的碰撞游离导致的击穿。强电场作用下的碰撞游离导致的击穿。在介质电导很小、散热良好以及介质内部不存在局放情况下，在介质电导很小、散热良好以及介质内部不存在局放情况下，固介的击穿通常为电击穿，击穿场强可达固介的击穿通常为电击穿，击穿场强可达105-10

12、6kV /m 与周围环境温度无关；与周围环境温度无关； 介质发热不显著；介质发热不显著； 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； 电场均匀程度对击穿有显著影响。电场均匀程度对击穿有显著影响。电击穿的主要特点：电击穿的主要特点：2、热击穿理论、热击穿理论由于电导由于电导存在存在损耗损耗发热发热TRI损耗损耗发热发热(Q发发Q散散)T介质分解、劣化介质分解、劣化击穿击穿热击穿的主要特点：热击穿的主要特点：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。3、电化学击穿、电化学击穿固体介质在电、热、化学和

13、机械力长期作用下，会逐渐固体介质在电、热、化学和机械力长期作用下，会逐渐发生某些物理化学过程，使其绝缘性能逐渐劣化，这种发生某些物理化学过程，使其绝缘性能逐渐劣化，这种现象称为绝缘的老化。现象称为绝缘的老化。由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。 最终可能是电击穿也可能是热击穿。最终可能是电击穿也可能是热击穿。 电化学击穿特点：电化学击穿特点：长时间；击穿电压低（工作电压下即可能发生）长时间；击穿电压低（工作电压下即可能发生）二、影响固体介质击穿的因素二、影响固体介质击穿的因素电压作用时间、电压作用时间、 E均匀程度、温度、受潮、累积效应等

14、均匀程度、温度、受潮、累积效应等 不过二者有时很难分清，例如工频不过二者有时很难分清，例如工频1min耐压试验中试耐压试验中试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。2、电场均匀程度、电场均匀程度 处于处于均匀电场均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成随介质厚度的增加近似地成线性增大线性增大； 在在不均匀电场不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，击穿中，介质厚度增加使电场更不均匀，击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能

15、引起困难到可能引起热击穿热击穿时，增加厚度的意义就更小了时，增加厚度的意义就更小了。如果电压作用时间很短如果电压作用时间很短(例如例如0.1s以下以下)，固体介质的击穿，固体介质的击穿往往是往往是电击穿电击穿，击穿电压当然较高。，击穿电压当然较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压数分钟到数小时才引起击穿，则数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿热击穿往往起主要作用。往往起主要作用。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于属于电化学击穿电化学击穿的范畴的范畴。3、温度、温

16、度 固体介质在低于某个温度下其击穿性质属于固体介质在低于某个温度下其击穿性质属于电击穿电击穿，这，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。 超过这个温度后将发生超过这个温度后将发生热击穿热击穿，温度越高热击穿电压越，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。电压更低。 4、受潮、受潮受潮对固体介质受潮对固体介质Ub的影响与材料的性质有关。的影响与材料的性质有关。常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介

17、质内部的电场分布也是不均匀的，最大均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此由电击穿转为热击穿的由电击穿转为热击穿的临界温度临界温度t0一般也不同。一般也不同。所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。要注意防潮，并定期检查受潮情况。5、累积效应、累积效应固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特固体介质在不均匀电场中以及在幅

18、值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，称为伤会逐步发展，称为累积效应累积效应。 对聚乙烯、聚四氟乙烯等不易吸潮的中性介质，受潮后对聚乙烯、聚四氟乙烯等不易吸潮的中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；击穿电压仅下降一半左右； 容易吸潮的极性介质如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的容易吸潮的极性介质如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压仅为干燥时的百分之几或更低，因为电导率和介质击穿电压仅为干燥时的百分之几或

19、更低，因为电导率和介质损耗大大增加的缘故。损耗大大增加的缘故。显然，它会导致固体介质击穿电压下降。显然，它会导致固体介质击穿电压下降。3.3 组合绝缘的击穿特性组合绝缘的击穿特性 三、提高三、提高Ub措施措施对固体介质绝缘材料的电气设备进行耐压试验时应对固体介质绝缘材料的电气设备进行耐压试验时应注意：注意：加电压的次数加电压的次数和和试验电压值试验电压值应考虑这种累积效应。应考虑这种累积效应。一、介质的组合原则一、介质的组合原则组合绝缘的电气强度不仅取决于所用介质的电气特性，组合绝缘的电气强度不仅取决于所用介质的电气特性，还与各种介质特性的相互配合是否合理有关。还与各种介质特性的相互配合是否合

20、理有关。外加电压在外加电压在将决定组合绝缘的击穿电压将决定组合绝缘的击穿电压电压分布情况和电压分布情况和等有关。等有关。1.改进制造工艺。精选材料、真空干燥、加强浸渍，清除介质改进制造工艺。精选材料、真空干燥、加强浸渍，清除介质中的杂质、气泡水分等，使介质尽可能均匀致密。中的杂质、气泡水分等，使介质尽可能均匀致密。2.改进绝缘设计。采用合理的绝缘结构，使耐电强度与场强合改进绝缘设计。采用合理的绝缘结构，使耐电强度与场强合理配合；改进电极形状，消除电极表面棱角、毛刺等。理配合；改进电极形状，消除电极表面棱角、毛刺等。3.改善运行条件。注意防潮、防尘污和各种有害气体的侵蚀；改善运行条件。注意防潮、

21、防尘污和各种有害气体的侵蚀；加强散热冷却，避免过负荷运行等。加强散热冷却，避免过负荷运行等。对串联多层绝缘，理想的电压分布应是对串联多层绝缘，理想的电压分布应是各层介质所承受各层介质所承受的场强的场强与该层介质的与该层介质的耐电强度成正比耐电强度成正比。实际上各层介质所承受电压实际上各层介质所承受电压与电压类型有关。与电压类型有关。 1、直流电压下：、直流电压下： 各层绝缘所分担的各层绝缘所分担的电压与其绝缘电阻成正比电压与其绝缘电阻成正比，即即。 2、交流及冲击电压下：、交流及冲击电压下： 各层绝缘所分担电压与其电容成反比，即各层绝缘所分担电压与其电容成反比，即。 二、常用组合绝缘的特点二、常用组合绝缘的特点1、油、油-纸绝缘：纸绝缘： 以固体介质为主体的绝缘，液体以固体介质为主体的绝缘，液体介质用作填充空气隙的浸渍剂。介质用作填充空气隙的浸渍剂。 （1）油填充了纸中的空气隙，纸在油中又起了屏障）油填充了纸中的空气隙，纸在油中又起了屏障 作用，总体的电气强度提高很多；作用，总体的电气强度提高很多； （2）油）油-纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿