第8讲 液体、固体电介质特性(三)

1、高电压工程系何正浩第8讲 液体、固体电介质的绝缘特性（三）2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3n气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高气、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空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右；左右；液体的耐电强度在液体的耐电强度在10 20 kV/mm；固体的耐电强度在十几固体的耐电强度在十几 几百几百kV/mmn固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复不可恢复的绝缘的绝缘n普遍规律

2、：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷普遍规律：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的不均匀性42.3 2.3 固体电介质的击穿固体电介质的击穿5一、固体电介质的击穿过程1. 固体电介质击穿特性的划分固体电介质击穿特性的划分区域区域A：击穿时间小于击穿时间小于10 s 的的区域，此范围内击穿电压随击区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性气体介质击穿的伏秒特性区域区域B：击穿时间在击穿时间在10S 0.2 ms范围的区

3、域，此范围内击穿范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关电压恒定，与时间无关这两个区域内的击穿都具有电这两个区域内的击穿都具有电击穿的性质击穿的性质6区域B区域A区域Cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （）电工纸板的击穿电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 区域区域C：击穿电压随击穿前击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，时间的增加而明显下降，具有热

4、击穿的特点具有热击穿的特点区域区域D ：C区以外区以外7区域B区域A区域Cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （）电工纸板的击穿电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 A、B 区：区：属于电击穿属于电击穿 C 区：区：属于热击穿属于热击穿 D 区：区：为电化学击穿、电老为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年个小时以上，

5、甚至几年 二、 击穿理论（一）电击穿理论n机理：机理：建立在碰撞电离基础上，少量传导电子，在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点上的原子碰撞，最终导致击电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，最终导致击穿穿8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：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：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量E：电场，：电场，：标志电子的状态因

6、子，：标志电子的状态因子，T0：晶格温度：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9电击穿的特点n时间影响：时间影响：电压作用时间短，击穿电压高电压作用时间短，击穿电压高n介质特性：介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成如果介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸畸 变，导致介质击穿电压降低变，导致介质击穿电压降低 n电场均匀度：电场均匀度：电场的均匀程度影响极大电场的均匀程度影响极大 n累积效应：累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有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

7、穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为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而下降n无关因素：无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关频率等因素都无关10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。11热击穿热击穿A范围：范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质击穿电压和介

8、质温度无关，属于电击穿性质B范围：范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的升温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的升高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程12交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系 热击穿的理论分析热击穿的理论分析电压：电压：U1U2U3曲线曲线1,2,3 1,2,3 ：电介质发热量电介质发热量Q与介质中最高温度与介质中最高温度tm的关系的关系 直线直线4 4：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0 时，散出的热量时，散出的热量Q与介质中最高温度与介质中最高

9、温度tm的关系的关系 13btmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 曲线曲线 1 1： 发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1下最终必定发生热击穿下最终必定发生热击穿14btmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 曲线曲线 3 3：t t ta ta 时：曲线在直线时：曲线在直线4 4之下，之下，不发生热击穿，介质温度逐不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在渐升高并稳定在tata，称，称t

10、ata为为稳定热平衡点稳定热平衡点ttb ttb 时：情况类似曲线时：情况类似曲线1 1，最终发生热击穿最终发生热击穿t=tb t=tb 时：发热等于散热，时：发热等于散热，但因扰动使但因扰动使t t大于大于tbtb，则介，则介质温度上升，回不到质温度上升，回不到tbtb，直，直至热击穿。称至热击穿。称tbtb为不稳定热为不稳定热平衡点平衡点 tattbtattb：不会发生热击穿，：不会发生热击穿，介质温度将稳定在介质温度将稳定在tata15不同外施电压下介质发热散热不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系与介质温度的关系 曲线曲线 2 2：与直线与直线4相切，相切，U2为临界热击穿电压；为

11、临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度为临界热击穿温度16btmt0tatktb01234a不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 击穿理论（3）电化学击穿理论机理：机理：介质劣化的结果:使介质引起化学离解，形成通道，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：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。17局部放电的后果18放电过程产生的活性气体放电过程产生的活性气体O3、NO、NO2等对等对介质的氧化、腐蚀作用介质的氧化、腐蚀作用放电过程有带电粒子撞击介质，引起局部温放电过

12、程有带电粒子撞击介质，引起局部温升，加速介质氧化并升，加速介质氧化并带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致介质破坏介质破坏局放对有机介质的影响尤为显著局放对有机介质的影响尤为显著有机绝缘材料的树老化n树老化类型：树老化类型：电树老化和水树老化电树老化和水树老化n树老化的原因树老化的原因电离性老化：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：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

13、)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝” 1920树枝老化的一般形状Tree-like树枝状树枝状Bush-like灌木丛状灌木丛状chestnut-like栗子状栗子状21电介质中的树枝老化22树老化的研究 难点 特征 设备中树老化设备中树老化 无法观测无法观测 微观形态控制微观形态控制 树枝老化观察树枝老化观察 微观形态和树枝微观形态和树枝 老化二者的观测老化二者的观测试品薄膜化试品薄膜化控制微观结构控制微观结构绝缘缺陷模拟绝缘缺陷模拟树枝老化监测树枝老化监测树枝老化研究树枝老化研究三、影响固体电介质击穿电压的因素电压作用时间电

14、压作用时间 温度温度 电场均匀程度电场均匀程度 电压种类电压种类累积效应累积效应受潮受潮机械负荷机械负荷二次效应如空间电荷等二次效应如空间电荷等23 （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硅有机玻璃云母带24 （2)温度25小于小于t0 时，属于电击时，属于电击穿穿当温度超过当温度超过t0 值时，值时，温度越高，散热条件温度越高，散热条件越差，击穿电压越低越差，击穿电压越低，此时属于热击穿。，此时属于热击穿。t0 称为转折温度称为转折温度。 （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，

15、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。 26 （4)电压种类27直流击穿电压：高于直流击穿电压：高于工频交流击穿电压，工频交流击穿电压，因为仅有电导损耗因为仅有电导损耗工频交流击穿电压：工频交流击穿电压：高于高频交流击穿电高于高频交流击穿电压，因为极化损耗高压，因为极化损耗高冲击击穿电压：高于冲击击穿电压：高于工频交流击穿电压工频交流击穿电压油浸电工纸板与加压时间油浸电工纸板与加压时间的关系（的关系（25 C） （5）累积效应击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

16、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。28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292.4 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）302.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损耗3121111CCC2211111ddd12212121)(dddd1221212121ddtgdtgdtg2.4.2 组合绝缘中的电场32).(

17、).(1).(1)1.11().(221111112211111111112211221121nnnnnnnnndddUdUEdddUdRUSdISdIRURUIRIIdddSISdSdSdIRRRU直流电压直流电压作用下作用下电压与电阻电压与电阻成正比，电场与电导率成反比（成正比，电场与电导率成反比（与电阻率成正比）与电阻率成正比）33)(221111nndddUE交流电压交流电压作用下作用下电压与电电压与电容成反比，电场与介电常数成容成反比，电场与介电常数成反比反比分层绝缘中的电场分配交流条件下油屏障式绝缘1E221222221111)()(dddUddUE34直流条件下35电场按电阻率正比分配。电场按电阻率正比分配。 （纸）（纸） （油），故（油），故E2E1，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压相当于交流耐压（约为压相当于交流耐压（约为3）倍。）倍。随着随着d2的加大，的加大，E1持续增大持续增大在油隙中设置多个屏在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。障，会使油中场强显著增大，反而不利。电缆的绝缘单相圆芯均质电缆02020maxlnrrUErrrUEav361maxEEav分阶绝缘在r0rr1内37ln1ln112201111rrrrrUE在r