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1、第四章 固体电介质和液体电介质的击穿特性,高电压工程基础,主讲教师：张 博,高电压工程,2,4.1 固体电介质的击穿机理 4.2 影响固体电介质击穿电压的因素 4.3 固体电介质的老化 4.4 液体电介质的击穿机理 4.5 影响液体电介质击穿电压的因素 4.6 组合绝缘的击穿特性,高电压工程,3,固体电介质的击穿 电击穿 热击穿 电化学击穿,第一节 固体电介质的击穿机理,高电压工程,4,固体电介质的电击穿:是指仅仅由于电场的作用而直接造成固体绝缘击穿的现象。 机理:强电场下电介质内部存在的少量带电粒子作剧烈的运动，与固体介质晶格结点上的原子发生碰撞电离，形成电子崩，从而破坏了固体介质的晶格结构
2、，使电导增大而导致击穿。 特点: 击穿电压与周围环境温度无关； 与电压作用时间也关系不大； 介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电压影响很大； 电击穿所需的场强比较高，一般可达105106kV/m。 当介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电时，固体电介质所发生的击穿一般为电击穿。,一、电击穿,高电压工程,5,机理：热击穿是由于电介质内部的热不稳定所造成的。 热击穿的过程： 当固体电介质较长时间地在电压作用下，由于介质内部的损耗而发热，致使温度升高，从而使介质的电导和都增大，这反过来又使温度进一步升高。 若到达某一温度后，发热量等于散热量，介质的温度则停止上升而处于热稳定状
3、态，这时将不致引起绝缘强度的破坏。 如果散热条件不好，或电压达到某一临界值，使绝缘的发热量总是大于散热量，这时将会使介质的温度不断升高，直至介质分解、熔化、碳化或烧焦，造成热破坏而丧失其绝缘性能而发生击穿。,二、热击穿,高电压工程,6,介质的功率损耗P随温度变化的规律：,温度to时的介质损耗角正切； t 温度；,与介质有关的系数； C 绝缘结构的电容； U 外加电压。,高电压工程,7,单位时间产生的热量Q1：,式中 A比例常数,散热系数；,S 散热面积。,单位时间内散出的热量Q2：,介质的发热和散热与温度的关系,高电压工程,8,热击穿的主要特点： 1）击穿电压随环境温度的升高呈指数规律下降；
4、2）击穿电压直接与介质的散热条件相关。 介质厚度 加压时间 电压频率或介损,高电压工程,9,三、电化学击穿 机理： 固体电介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电，产生活性气体O3、NO、NO2，对介质产生氧化和腐蚀作用，同时产生热量引起局部发热; 在局部放电过程中带电粒子的撞击作用，导致绝缘劣化或损伤，使其电气强度逐步下降并引起击穿 电化学击穿是一个复杂的缓慢过程，在临近最终击穿阶段，可能因劣化处损耗增加，温度过高而以热击穿形式完成，也可能介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。,高电压工程,10,树枝状或丛状放电： 当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现
5、高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状或丛状放电，并在有机固体介质上留下纤细的放电痕迹，这就是树枝状放电劣化。 在交流电压下，树枝状放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。 在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所致。,高电压工程,11,第二节 影响固体电介质击穿电压的因素,1电压作用时间,高电压工程,12,2电场均匀程度 均匀、致密的固体介质如处于均匀电场中，其击穿电压往往比较高，且击穿电压随介质厚度的增加近似地成线性增加。 若在不均匀电场中，则击穿电压降低，且随着介质厚度的增加使电场更不均匀，击穿电压也不再随厚度的增加而线性增加。当介质厚度的增
6、加使散热困难时，又会促使发生热击穿，这时靠增加厚度来提高击穿电压的意义不大。,高电压工程,13,3温度 电击穿与温度几乎无关 热击穿电压则随温度的升高而降低（固体介质的散热） 为了降低绝缘的温度，常常采取一些散热措施，如加强风冷、油冷及加装散热器等。,高电压工程,14,4受潮 固体介质受潮会使击穿电压大大降低，其降低程度与介质的性质有关。 不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅降低一半左右； 易吸潮的材料，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能只有干燥时的百分之几或更低。 因为电导率和介质损耗均大大增加的缘故。所以高压绝缘结构不但在制造时要注意除去水分，在运行中也
7、要注意防潮，并定期检查受潮情况，一旦受潮必须进行干燥处理。,高电压工程,15,5累积效应 固体介质在不均匀电场中，或者在雷电冲击电压下，其内部可能出现局部放电或者损伤，但并未形成贯穿性的击穿通道，但在多次冲击或工频试验电压作用下，这种局部放电或者伤痕会逐步扩大，这称为累积效应。 累积效应会使固体介质的绝缘性能劣化，导致击穿电压下降。 在确定电气设备试验电压和试验次数时应充分考虑固体介质的这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时亦应保证一定的绝缘裕度。,高电压工程,16,老化：电介质在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理化学变化，从而使介质的物理、化学性能产生不可逆转的劣化，导致电介质的电气及机械
8、强度下降，介质损耗及电导增大等现象。 老化的原因 ： 热的作用 电的作用 机械力的作用 环境因素,第三节 固体电介质的老化,高电压工程,17,一、电介质的电老化,根据电老化的性质不同可分为： 电离性老化 电导性老化 电解性老化,高电压工程,18,1电离性老化 绝缘内部存在的气隙或气泡在较强电场下发生电离而产生局部放电所引起的绝缘老化。 机理： （电树枝） 带电粒子对介质的撞击可使有机介质主链断裂，使高分子解聚或部分变成低分子。 局部放电引起局部过热，高温使绝缘材料产生化学分解。 局部放电产生的活性气体O3、NO、NO2对介质的氧化和腐蚀以及由局部放电产生的紫外线或X射线使介质分解和解聚。,高电
9、压工程,19,局部放电的机理 ： 固体介质内部含有气隙时，气隙及与其相串联的固体介质中的场强分布是与它们的介电常数成反比。气体介质的介电常数比固体介质的介电常数小得多，因此气隙中的场强要比固体介质中的场强高得多，而气体的电气强度又较固体介质低，所以当外加电压还远小于固体介质的击穿电压时，气隙中的气体就首先发生电离而产生局部放电。,高电压工程,20,厚度为d的固体电介质内含一个厚度为t的扁平圆柱形空气隙，其轴线与电场平行。固体电介质的剖面及气隙放电时的等效电路如图所示。,固体电介质中局部放电的等效电路及放电过程,固体电介质中气隙放电及其等效电路,高电压工程,21,其中Cg为空气隙的电容 ，Cb为
10、与空气隙串联的电介质的电容，Ca为除Cb、Cg以外其余电介质的电容。通常气隙尺寸很小，有CaCgCb。电极间的全部电容为,高电压工程,22,如果电极间加上瞬时值为u的交变电压，当介质的tan很小时，则Cg上分配到的电压瞬时值为,高电压工程,23,当ug随u增加达到气隙放电电压Ug时，气隙发生放电，放电后Cg上的电压急剧下降，同时Cb通过气隙被充电。,气隙放电时气隙上的电压变化,高电压工程,24,当气隙上电压降至剩余电压Ur时，放电熄灭。随着外施电压瞬时值u的上升，气隙Cg上的电压又达到Ug，便发生第二次放电。,当电压再继续上升时，放电依次重复发生。当外施电压U经峰值后下降，分配在Cg上的电压也
11、相应降低。,高电压工程,25,气隙放电时气隙上的电压变化,当U降至一定值时，它将低于Cb在Cg放电时已充上的电压，则Cb向Cg反充电，在Cg上的电压达到Ug时发生反向放电，放电后Cg上的电压下降至Ur时放电熄灭。随着外施电压继续下降到反方向上升，放电则不断发生。,高电压工程,26,Cg每次放电时，其放电电荷量为：,Qr称为真实放电量，但由于Cg、Cb和Ca实际上都是无法测定的，所以Qr也无法测定。,高电压工程,27,由于气隙放电使气隙上电压下降 =UgUr，必引起Cb上的电压增加 。随着Cb上电压的增加，需要补充的电荷增量为,且有,称Q为视在放电量。由于CbCg，视在放电量比真实放电量要小得多
12、。因后者目前尚无法求得而前者可以实测，故将视在放电量Q作为局部放电量。,高电压工程,28,2电导性老化,电导性老化是指某些高分子有机合成绝缘材料，由于其内部存在某些液态的导电物质（最常见的是水分或制造过程中残留的某些电解质溶液），在电场强度超过某一定值时，这些导电液就会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树枝状的泄痕，称为“水树枝”，使介质的绝缘特性老化 产生“水树枝”所需的场强要比产生“电树枝”所需的场强低得多。“水树枝”一旦产生其发展速度亦比“电树枝”快。,高电压工程,29,电解性老化是指在所加电压还远低于局部放电起始电压的情况下，由于介质内部进行着的化学过程（尤其在直流电压下最为严重
13、）造成对介质的腐蚀、氧化，使介质逐渐老化。当有潮气侵入电介质时，由于水分本身就能离解出H+和O-离子，则会加速电解性老化。随着温度的升高，化学反应速度加快，电解老化的速度也随之加快。,3、电解性老化,高电压工程,30,固体电介质的性能在长期受热的情况下逐渐劣化，失去原来的优良性能，称为热老化。 热老化过程： 热裂解、氧化裂解以及低分子挥发物的逸出。 热老化的特征： 介质失去弹性、变硬、变脆，机械强度降低，也有些介质表现为变软、发粘、变形，失去机械强度，与此同时介质的电导变大，介质损耗增加，击穿电压降低，绝缘性能变坏。,二、电介质的热老化,高电压工程,31,第三节 液体电介质的击穿机理,油的击穿
14、存在两种不同的击穿形式： 纯净的变压器油主要发生电击穿； 含有水蒸汽或其他悬浮杂质的工程用变压器油则主要发生热击穿(小桥击穿理论)。,纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般在200kV/cm250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在标准试油杯中所得数据）,高电压工程,32,一、纯净液体介质的电击穿理论,液体介质中存在有一些初始电子，这些电子在电场的作用下，向阳极作加速运动，产生碰撞电离，形成电子崩，导致液体介质的击穿。但由于液体介质的密度远较气体的大，电子的自由行程很小
15、，所以纯净液体介质的击穿强度大大超过气体的击穿强度（约大一个数量级）。,高电压工程,33,二、气泡击穿理论,不论由于何种原因使液体中存在气泡时，由 于在交变电压下两串联介质中电场强度与介质介 电常数成反比，气泡中的电场强度比液体介质高， 而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以总 是气泡先发生电离，这又使气泡的温度升高，体 积膨胀，电离将进一步发展；而气泡电离产生的 高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成 更多的气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形 成“气桥”时，液体介质就能在此通道中发生击穿。,高电压工程,34,三、工程用变压器油的击穿机理,“小桥”理论：工程用变压油属于不很纯净的液体介
16、质，会有气体、水分、纤维杂质混入。这些杂质的介电常数和电导与油本身的相应参数不相同，会在这些杂质附近造成局部强电场。在电场力的作用下，这些杂质很容易沿电场方向极化定向，并排列成杂质“小桥”，如果杂质“小桥”贯穿于两电极之间，由于组成“小桥”的纤维及水分的电导较大，发热增加，促使水分汽化，形成气泡小桥连通两极，导致油的击穿。 即使杂质小桥尚未贯通两极，但在各段杂质小桥的端头，其场强也会增大很多，使该处的油发生电离而分解出气体，使小桥中气泡增多，促使电离过程增强，最终也将出现气泡小桥连通两极而使油击穿。,高电压工程,35,第四节 影响液体电介质击穿电压的因素,水分及其他杂质 电压作用时间 电场的均
17、匀程度 温度的影响 压力的影响 绝缘油的老化,高电压工程,36,一、水分及其他杂质,水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。,标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系,W为110-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大,高电压工程,37,二、电压作用时间,高电压工程,38,三、电场的均匀程度,对于纯净油，如电场比较均匀则可以大大提高油的工频击穿电压和冲击击穿电压。 对于含有杂质的油，由于其击穿电压主要取决于杂质小桥的形成，所以电场的均匀程度对击穿电压的影响相对减小。,高电压工程,39,四、温度的影响,干燥的油,受潮的
18、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）,高电压工程,40,五、压力的影响,压力对油隙的击穿电压的影响主要是因为油中所含气体的电离电压随压力的增大而增大，但压力对油的击穿电压的影响远不如气体那样显著。如果把油中所含气体处理干净，则压力就几乎没有什么影响 由于油中气体等杂质不影响冲击击穿电压，所以压力也不影响冲击击穿电压。,高电压工程,41,六、绝缘油的老化,绝缘油老化的机理主要是油的氧化。 延缓绝缘油老化的方法： （1）装设扩张器，油与大气隔绝。 （
19、2）在油呼吸器通道中装设吸收氧气和水分的过滤器。 （3）用氮气来排挤出油内吸收的空气。 （4）掺入抗氧化剂，以提高油的稳定性。 （5）将已老化的变压器油进行再生处理。,高电压工程,42,设法减少油中杂质，提高油的品质，是提高工程用变压器油击穿电压的首要措施。最常用的方法： 1通过过滤提高油的品质。 2在绝缘结构设计中采用对金属电极覆盖一层很薄（小于1mm）的固体绝缘层。有效地隔断杂质小桥连通电极，减小回路流经杂质小桥的电导电流，阻碍热击穿过程的发展。 3包绝缘层。减少电极附近油的局部放电，从而提高油的击穿电压。 4采用极间障（绝缘屏障）。与提高气隙击穿电压所使用的绝缘屏障相类似。,高电压工程,
20、43,第六节 组合绝缘的击穿特性,一、组合绝缘的组合原则 对由多种介质构成的层叠绝缘，应尽可能使组合绝缘中各层介质所分配到的电场强度与其耐电强度成正比。 注意温度差异对各层介质的电气特性和电压分布的影响 应尽可能使它们各自的优缺点进行互补，扬长避短，从而使总体的电气强度得到加强。 采取合理工艺，处理好每层介质的接缝及介质与电极界面的过渡处理。,高电压工程,44,二、组合绝缘中的电场,（1）介质界面与等位面重合的情况,在极间绝缘距离d=d1+ d2不变的情况下，增大2 时使E2减小，但却使E1增大。,高电压工程,45,（2）介质界面与电极表面斜交的情况,介质2,介质1,在介质2中发生折射,高电压
21、工程,46,P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加以注意！,高电压工程,47,三、组合绝缘的击穿特性,1工频交流电压下的击穿特性 高压电力电缆的绝缘都是采用分阶绝缘结构，适当设计分阶绝缘的参数，可使各阶绝缘强度具有接近相同的利用率,高电压工程,48,采用分阶绝缘的电力电缆,12n，且1r1=2r2=nrn=常数。离缆芯较远 的介质层也能得到充分的利用，因此可使电缆尺寸缩小。,高电压工程,49,2直流电压作用下的击穿特性 直流电压下短时击穿场强约为交流时的2倍以上，长时间击穿场强则为交流时的3倍以上 在直流电压下，绝缘只存在较小的电导损耗，而在交流电压下，既有电导损耗，又有反复进行的极化所引起的极化损耗，使介质损耗大大增加，温度升高，使击穿电压降低。 在直流电压下，油纸组合绝缘的直流电压分布按油和纸的电导率成反比分布,