液体固体电介质特性三

1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第2页/共43页第1页/共43页第一页，共44页。2 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3—4kV/mm左右；液体的耐电强度在10—20kV/mm；固体的耐电强度在十几—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 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2.3固体电介质的击穿第3页/共43页第2页/共43页第二页，共44页。3第4页/共43页第3页/共43页第三页，共44页。4一、固体电介质的击穿过程1.固体电介质击穿特性的划分

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 电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系

第5页/共43页第4页/共43页第四页，共44页。5

区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点

区域D

：C区以外电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系

A、B区：属于电击穿

C区：属于热击穿

D区：为电化学击穿、电老化，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年

第6页/共43页第5页/共43页第五页，共44页。6机理：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，最终导致击穿二、击穿理论——（一）电击穿理论第7页/共43页第6页/共43页第六页，共44页。7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,α,T0)=B(α,T0)

A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量

B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量

E：电场，α：标志电子的状态因子，T0：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），引起固体介质击穿第8页/共43页第7页/共43页第七页，共44页。8

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，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而下降

无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关电击穿的特点第9页/共43页第8页/共43页第八页，共44页。9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。第10页/共43页第9页/共43页第九页，共44页。10

热击穿

A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质

B范围：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交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系第11页/共43页第10页/共43页第十页，共44页。11

热击穿的理论分析

电压：U1＞U2＞U3

曲线1,2,3：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系

直线4：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Q与介质中最高温度tm的关系不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系

第12页/共43页第11页/共43页第十一页，共44页。12

曲线1：

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不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系第13页/共43页第12页/共43页第十二页，共44页。13

曲线3：

tta时：曲线在直线4之下，不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在ta，称ta为稳定热平衡点

t>tb时：情况类似曲线1，最终发生热击穿

t=tb时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点

ta<t<tb：不会发生热击穿，介质温度将稳定在ta不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系第14页/共43页第13页/共43页第十三页，共44页。14

曲线2：

与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系

第15页/共43页第14页/共43页第十四页，共44页。15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。击穿理论——（3）电化学击穿理论第16页/共43页第15页/共43页第十五页，共44页。16局部放电的后果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第17页/共43页第16页/共43页第十六页，共44页。17有机绝缘材料的树老化树老化类型：电树老化和水树老化树老化的原因

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：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质(例如水)，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”第18页/共43页第17页/共43页第十七页，共44页。18Tree-like树枝状Bush-like灌木丛状chestnut-like栗子状树枝老化的一般形状第19页/共43页第18页/共43页第十八页，共44页。19电介质中的树枝老化第20页/共43页第19页/共43页第十九页，共44页。20设备中树老化无法观测微观形态控制树枝老化观察微观形态和树枝老化二者的观测试品薄膜化控制微观结构绝缘缺陷模拟树枝老化监测树枝老化研究树老化的研究

难点

特征第21页/共43页第20页/共43页第二十页，共44页。21三、影响固体电介质击穿电压的因素 电压作用时间 温度电场均匀程度 电压种类 累积效应 受潮 机械负荷 二次效应如空间电荷等第22页/共43页第21页/共43页第二十一页，共44页。22

（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－硅有机玻璃云母带第23页/共43页第22页/共43页第二十二页，共44页。23

（2)温度小于t0

时，属于电击穿当温度超过t0

值时，温度越高，散热条件越差，击穿电压越低，此时属于热击穿。t0

称为转折温度。第24页/共43页第23页/共43页第二十三页，共44页。24

（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。第25页/共43页第24页/共43页第二十四页，共44页。25

（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油浸电工纸板与加压时间的关系（25C）第26页/共43页第25页/共43页第二十五页，共44页。26（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。第27页/共43页第26页/共43页第二十六页，共44页。27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、防潮第28页/共43页第27页/共43页第二十七页，共44页。282.4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500－600kV/cm，大大超过各组成成分的电气强度（油~200kV/cm，纸100－150kV/cm）第29页/共43页第28页/共43页第二十八页，共44页。292.4.1组合绝缘中的介电常数和介质损耗第30页/共43页第29页/共43页第二十九页，共44页。302.4.2组合绝缘中的电场直流电压作用下——电压与电阻成正比，电场与电导率成反比（与电阻率成正比）第31页/共43页第30页/共43页第三十页，共44页。31交流电压作用下——电压与电容成反比，电场与介电常数成反比第32页/共43页第31页/共43页第三十一页，共44页。32分层绝缘中的电场分配—交流条件下油－屏障式绝缘1<2，E1>E2第33页/共43页第32页/共43页第三十二页，共44页。33直流条件下电场按电阻率正比分配。（纸）>（油），故E2>E1，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压关于交流耐压（约为3）倍。随着d2的加大，E1持续增大——在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。第34页/共43页第33页/共43页第三十三页，共44页。34电缆的绝缘单相圆芯均质电缆第35页/共43页第34页/共43页第三十四页，共44页。35分阶绝缘在r0<r<r1内在r1<r<r2内

第36页/共43页第35页/共43页第三十五页，共44页。36分阶绝缘优点：绝缘材料的利用率高实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密度有关，密度大的纸（高）与低密度纸搭配使用，做多层分阶。第37页/共43页第36页/共43页第三十六页，共44页。372.5电介质的老化绝缘老化的成因电老化——局部放电老化热老化——热作用下的氧化环境老化——污染性化学老化第38页/共43页第37页/共43页第三十七页，共44页。38（二）电介质的热老化主要取决于温度及热作用时间液体电介质的热老化主要是由于热作用下的氧化。变压器油氧化后酸价升高，颜色逐渐加深，粘度增大，绝缘性能降低。固体电介质的热老化主要是由于温度升高，使固体电介质热裂解、氧化裂解，产生交联，低分子挥发物逸出表征——机械强度降低，介质失去弹性，变脆，绝缘性能降低。——不可逆过程第39页/共43页第38页/共43页第三十八页，共44页。39

耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允 许温度

寿命：

在一定温度下，电介质不产生热损坏 的时间称为寿命短时耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损 坏的最高允许温度电介质的热性能第40页/共43页第39页/共43页第三十九页，共44页。40

电介质的耐热等级 介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐热等级。如

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