《高电压技术》第一篇电介质的电气强度--第三章液体和固体介质的电气特性--第四节组合绝缘的电气强度

1、高电压技术高电压技术普普 通通 高高 等等 教教 育育 “十十 二二 五五” 国国 家家 规规 划划 教教 材材电电 气气 工工 程程 及及 其其 自自 动动 化化 专专 业业 系系 列列 教教 材材第第 一一 篇篇 电介质的电气强度电介质的电气强度绪绪 论论 高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。 高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。 对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝 缘这一对矛盾。 为了说明电力系统与高电压技术的密切关系， 以高压架空输电线路的设计为例，在图 0-1中 列出了种种与高电压技术直接相关的工程问

2、题。除了电力工业、电工制造业外，高电压技术 目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光 技术、核物理、等离子体物理、生态与环 境保护、生物学、医学、高压静电工业应 用等领域。第第 一一 篇篇 电介质的电气强度电介质的电气强度第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用 得最多的液体介质是变压器油，电容器油和电缆油也分别用 于电力电容器和电力电缆中。用作内绝缘的固体介质最常见 的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等，用于制造绝缘子的固体 介质有电瓷、玻璃和硅橡胶等。电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导 电性能、介电性能和电气强度；它

3、们分别以四个主要参数，即电导率（或绝缘电阻率 ）、介电常数、介质损耗角正切 tan和击穿电场强度（以下简称击穿场强）Eb来表示。第四节第四节 组组合绝缘的电气强度合绝缘的电气强度介质的组合原则介质的组合原则在分层的组合绝缘结构中，若各层绝缘所承受的电场强度与 其电气强度成正比，则整个组合绝缘的电气强度最高，使各层绝 缘材料都得到了最充分合理的利用。各层绝缘所承受的电压与作用电压类型和绝缘材料特性有 关，在直流电压下，各层绝缘所分担的电压与其绝缘电阻（电导） 成正比（反比），应该把电气强度高、电导率大的材料用在电场 最强的地方。在交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘 分担的电压与其电容成反

4、比，应把电气强度最高，介电常数大的 材料用在电场最强的地方。此外，还必须了解各种绝缘的理化特性，使它们组合起来、 互相配合，取得好的效果。高压电气设备一般采用多种电介质 组合的绝缘结构。对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，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，单一种类电介质往往难 以同时满足这些要求，所以实际绝缘结构往往采用多 种电介质的组合：一、一、“油屏障油屏障”式绝缘式绝缘例如油浸电力变压器的主绝缘采用的就是“油屏障式 绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介 质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分 布和阻止贯通性杂质小

5、桥的形成。一般能将电气强度提高 3050。在“油屏障”式绝缘结构中应用的固体介质有三种不同 的形式，即覆盖、绝缘层和屏障：1 1、覆盖、覆盖紧紧包在小曲率半径电极上的固体绝缘薄层。 2 2、绝、绝缘层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，一般厚度为数毫米到数十毫米。3 3、屏障、屏障油隙中放置尺寸较大、形状与电极相适应、厚度为 15mm的层压纸板（筒）或层压布板（筒）屏障，那 么它既能阻碍杂质小桥的形成，又能象气体介质中的 屏障那样拦住一部分带电粒子，使原有电场变得比较 均匀，从而达到提高油隙电气强度的目的。二、油纸绝缘二、油纸绝缘电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有

6、大 量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸 渍后，整体绝缘性能即可大大提高。前面介绍的“油屏障”式绝缘是以液体介质为主体 的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油 隙的电气强度。而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组 合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂。因此这 种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差，因此不 能用于发热严重的设备（例如变压器）中。绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿 场强可高达500600kVcm，大大超过了各组成成分的电 气强度 ( 油的击穿场强约为200kVcm，而干纸只有100 150kVcm)。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器

7、、 电容式套管等电力设备中。这种组合绝缘的最大缺点是: 易受污染(包括受潮)。因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即 使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐 渐吸潮和劣化。三三、组合绝缘中的电场、组合绝缘中的电场1 1. . 均匀电场双层介质模型均匀电场双层介质模型在组合绝缘中，同时采用多 种电介质，在需要对这一类绝缘 结构中的电场作定性分析时，常 常采用最简单的均匀电场双层介 质模型，如图3- 25所示。在这一 模型中，最基本的关系式为2. 2. 分阶绝缘分阶绝缘超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分阶 结构，以减小缆芯附近的最大电场强度。所谓分阶绝

8、缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘，分阶原 则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化 的目的。适当选择分阶绝缘的参数，可使各阶绝缘的最大电场强度分别与各 自的电气强度相适应，各层的电场分布比较均匀、从而使各阶绝缘材料的利 用更充分些，整体的击穿电压也就更高。电缆绝缘的分阶通常采用不同种类的绝缘纸来实现，电缆纸的相对介电 常数与纸的密度有关,r一般为3. 54. 3；最大的r值对应于密度为l.2g/cm3 的纸，最小的r值对应于密度为0.85g/cm3的纸。一般分阶只做成两层，层 数更多的分阶很少采用，仅见于超高压电缆中，例如某些500kV电缆中采用 35层分阶，以减小绝缘层的总厚度和电缆的直径。电力电缆的分阶绝