第三章液体和固体电介质的击穿特性

第三章液体和固体电介质的击穿特性 第三章 液体和固体电介质的击穿特性 要求 熟悉液体、固体电介质的击穿机理和影响击穿电压的因素，能正确运用提高液体和固体电 介质击穿电压的方法。 知识点 高中化学知识点免费下载体育概论知识点下载名人传知识点免费下载线性代数知识点汇总下载高中化学知识点免费下载 ? 液体、固体电介质的击穿机理 ? 影响液体、固体电介质击穿电压的因素 ? 提高液体、固体电介质击穿电压的方法 ? 电介质的耐热性能 重点和难点 ? 影响液体、固体电介质击穿电压的因素 ? 提高液体、固体电介质击穿电压的方法 液体与固体电介质广泛应用于高压电气设备内，作为设备的内绝缘。 例如液体介质中，应用得最广泛的变压器油是变压器的主要绝缘介质，电容器油和电缆油则作为固体绝缘的浸渍剂分别用于电容器和电缆绝缘。 用作内绝缘的固体介质有绝缘纸、绝缘纸板、塑料薄膜等。 此外，云母是电机绝缘的主要绝缘介质。 用作外绝缘的固体电介 质有瓷、玻璃和 某些 合 成材 料，如硅 橡胶等。 液体和固体介质的击穿有各自的特点，与气体的击穿有很大的不同。 本章说明液体与固体的击穿特性，并介绍液体与固体电介质的老化问题。 第一节 液体电介质的击穿特性一、 液体电介质的击穿机理 ,(纯净液体电介质的击穿理论 对于纯净的液体电介质，其电气强度很高。 在高电场下发生击穿的机理有各种理论，主要分为电击穿理论和气泡击穿理论，前者以液体分子由电子碰撞而发生游离为前提条件，后者则认为液体分子由电子碰撞而产生气泡或在电场作用下因其他原因产生气泡，由气泡内气体放电而引起液体电介质的热击穿。 ,(非纯净液体电介质的小桥击穿理论 工程上用的液体电介质总是不纯净的，在运行中不可避免地会吸收气体和水分，混入杂质， 第一节 液 例如固体绝缘材料( 纸、布) 上脱落的纤维，液体本身也体电介质的击穿特性 45 会老化、分 解，所以工程用液体 电介质总含有一些杂质。 杂质的存在使工程液体电介质的击穿有新的特点，一般用小桥理论来说明工程液体电介质的击穿过程。 小桥理论认为，液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“ 小桥” 。 由于水和纤维的相对介电常数分别为 ,, 和 , , , ,，比油的介电常数 ,畅 , , ,,畅 大得多，所以这些杂质容易极化而在电场方向排列成“ 小桥” ，如图 , , 所示。 由于组成此“ 小桥” 的纤维及水分电导较大，从而使泄漏电流增加，并进而使“ 小桥” 强烈发热，使油和水局部沸腾气化，最后沿此“ 气桥” 发生击穿。 这种形式的击穿是和热过程紧密相连的。 图, ,, 受潮纤维在电极间定向示意图 ( ,) 形 成 “ 小 桥 ” ;( ,) 未 形 成 “ 小 桥 ” 如果油间隙较长，难以形成贯通的“ 小桥” ，则不连续的“ 小桥” 也会显著畸变电场，降低间隙的击穿电压。 由于杂质“ 小桥” 的形成带有统计性，因而工程液体电介质的击穿电压有较大的分散性。二、 影响液体电介质击穿电压的因素 液体电介质通常用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 试油杯按标准试验方法测得的工频击穿电压来衡量其品质的优劣，而不用击穿场强。 因为即使是均匀电场，击穿场强也会随油间隙距离的增大而明显下降。 电子 ,式试油器及标准试油杯如图 , , 所示。 对 变 压 器 油 ， 其 标 准 试 油 杯 中 的 击 穿 电 压 一 般 为 U , ,, , ,, , ,, ( 与 设 备 额 定 电 压 有关) 。 ,, ,, 对电容器油及电缆油，其标准试油杯中的击穿电压一般为 U , , , ,,。 必须指出，在标准试油杯中测得的油的电气强度只能作为对油的品质的衡量标准，不能用此数据直接计算在不同条件下油间隙的耐受电压。 ,(杂质( 悬浮水、纤维) 水可在油中有两种存在状态，即溶解状态和悬浮状态。 水分若溶解于油中，对击穿电压影响不大;若呈悬浮状，则由于易形成“ 小桥” ，对击穿电压影响较大。 , 如图 , , 所示，试油杯 中变压器油中含水量仅十万分之几，就使击穿电压显著下降;若含水量继续增多，击穿电压基本不再下降。 当试油杯中变压器油中有纤维存在时，含水量对击穿电压的影响特别明显。 电场越均匀，杂质对击穿电压影响越大。 不均匀电场因强场处油的扰动大，杂质不易形成“ 小桥” ，故含水量对击穿电压的影响小。 冲击击穿电 压因作用时间太 短，杂质来不及形成“ 小桥” ，故含水量对击穿电压的影响也小。 46 第三章 液体和固体电介质的击穿特性 图, ,, 电子式试油器 图, ,, 在标准试油杯中(间隙 , — 标 准 试 油 杯 ;, — 平 板 电 极 间 的 ,畅 ,, 间 隙 , , 距离 ,畅 ,,)变压器油的 工频击穿电压和含水量的关系 ,(温度 温度主要影响水分在油中存在的状态，因而温度对油击穿电压的影响与油中所含的杂质、电场的均匀 程 度 和 电 压 作 用 时 间 等 有 关。 在 标 准 试油杯中受潮 的 油 的 工 频 击 穿 电 压 与 温 度 的 关 系 如 ,图 , , 所示。 当温度由 , ?开始逐渐上升时，水在油中的溶解度逐渐增大，原来悬浮的水分逐渐转化为溶解状态，故 油 的 击 穿 电 压 逐 渐 升 高;当 温 度 超 , ?时，温度再升高，则水分开始汽化，产生气泡，击穿电压又降低;,,过 ,, , ?左右呈悬浮状态的水分最多，故此时油的击穿电压最低;温度继续下降，水已结冰，同时油本身黏度增大，“ 小桥” 不易形成，故击穿电压又提高。 图, , , , 在标准试油杯中(间隙距离 ,畅 ,,) 温度对 干 燥 的 油 的 击 穿 电 压 影 响 很 小， 如 图 变压器油的工频击穿电压与温度的关系 ,, , 所示。 ,(电场的均匀程度 电场越均匀，水分等杂质越易形成“ 小桥” ，杂质对油在工频电压 作用下的击穿电 压的影响越大。 在电场极不均匀的情况下，由于高场强区局部放电现象造成油的扰动，妨碍了贯通性“ 小桥” 的形成，杂质对其击穿电压影响很小。 因此，如油的纯净度较高，采用改善电场均匀程度的方法可明显提高油的工频或直流击穿电压;如油的纯净度较低，则改善电场的均匀程度不会显著提高油的工频或直流击穿电压。 在冲击电压作用下，因“ 小桥” 来不及形成，无论电场均匀与否，杂质对击穿电压的影响都很小，故改善电场的均匀程度可提高油的冲击击穿电压。 第一节 液体电介质的击穿特性 47 ,(电压作用时间 油的击穿电压与电压作用时间有关。 由于油的击穿需要一定的时间，所以油间隙击穿电压会随所加电压作用时间的增加而下降。 当电压作用时间较长时，油中杂质 有足够的时间在 间隙中形成 “ 小桥” ，击穿电压下降。 对一般不太脏的油做 , ,,, 击穿电压和长时间击穿电压的试验结果差不多，所以做油耐压试验时，只做 , ,,,。 ,(压力 油中含有气体时，不论电场是否均匀，其工频击穿电压都随油的压力增大而提高。 这是由于压力增大时，气体在油中的溶解量增大，并且气泡的局部放电起始电压 也增 高 之故。 电 场越 均匀，这种关系也越显著。 但在冲击电压下，压力对油间隙的击穿电压基本无影响。三、 提高液体电介质击穿电压的方法 ,(提高及保持油的品质 (,) 过滤 将油在压力下连续通过滤油机中的滤纸层，油中的纤维等杂质被滤纸阻挡，油中大部分的水分和有机酸也被滤纸纤维吸附。 若在油中加一些白土、硅胶等吸附剂，吸附油中的水分、有机酸，然后再过滤，效果会更好。 对于运行中的变压器，常用此法来恢复变压器油的绝缘性能。 (,) 防潮 充油的电气设备在制 造、检修及运行过程中都必须注意防止水分侵入。 浸油前 要采用烘干、抽真空等方法去除绝缘部件中的水分，检修时尽量减少内绝缘物质暴露在空气中的时间。 有些电气设备，如变压器不可能全密封时，则可在呼吸器的空气入口处放置干 燥剂，以防止潮气进入。 (,) 祛气 先将油加热，在真空中喷成雾状，油中所含气体和水分即 ,挥发并被抽走。 真空滤油机如图 , , 所示。 对于电压等级较 图, ,, 真空滤油机高的电气设备，常要求在真空条件下将油注入电气设备中。 ,(采用固体电介质降低杂质的影响 (,) 覆盖层 覆盖层主要用在均匀或稍不均匀电场电极，其材料可以是电缆纸、黄蜡布或漆膜。 覆盖层的主要作用在于限制泄漏电流，阻止杂质“ 小桥” 的发展，因而可使工频击穿电压显著提高。 (,) 绝缘层 当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称为绝缘层。 如在不均匀电场中将曲率半径小的 48 第三章 液体和固体电介质的击穿特性电极包以较厚的电缆纸( 或皱纹纸、黄蜡布) 等固体绝缘层，它不但像 覆盖层那样可减 小油中杂质的危害，而且这几毫米厚的绝缘层还承担一定电压，使油中最大场强降低，因而可大大提高工频和冲击击穿电压。 (,) 屏障 屏障是指在油间隙中放置尺寸较大 的隔板，它既能阻止 杂质 “ 小桥” 的形成，又能 如气体间隙中屏障那样改善间隙中电场均匀程度，因此在极不均匀电场油间隙中效果非常显著。 变压器等充油电力设 变压器内部降低杂质影响的措施如图 , , 备中广泛采用油 ,屏障绝缘结构。 , 所示。 图, ,, 变压器内部降低杂质影响的措施 第二节 固体电介质的击穿特性 电力系统中的一些电气设备常用固体电介质作为绝缘和支撑材料。 固体电介质击穿后，出现烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不像气体、液体介质那样能自己恢复绝缘性 ,能，如图 , , 所示。一、 固体电介质的击穿机理 的 击 穿 有 电 击 穿、热 击 穿 和 电化学击穿三种形式，每 种形固体电介质 式的击穿过 程具 有不同的物理本质。 ,(电击穿 固体电介质的击穿与气体电介质的击穿类似，是以碰撞游离为基础的。 在强电场作用下，固体电介质中存在的少量自由电子积聚足够的 图, ,, 变压器绕组绝缘击穿动能后，与中性原子发生碰撞并使其游离，产生 第二节 固体电介质的击穿特性 49电子崩，从而引起击穿。 电击穿是由强电场引起的，其特点是:击穿电压高，击穿时间短;击穿前介质发热不显著;击穿电压与电场的均匀程度有关，而与周围环境温度无关。 ,(热击穿 当固体电介质受到电压作用时，电介质中发生损耗引起发热。 当单位时间内电介质发出的热量大于散发的热量时，电介质的温度升高。 而电介质的电导具有正的温度系数，即温度越高，电导越大，这就使泄漏电流进一步增大，损耗发热也随之增大，最后温升过高，导致绝缘性能完全丧失，电介质即被击穿。 这种与热过程相关的击穿称为热击穿。 当绝缘本身存在局部缺陷时，则该处损耗增大，温升增高，击穿就容易发生在这种绝缘有局部缺陷处。 热击穿的特点是:击穿电压相对较低，击穿时间也相对较长;击穿前电介质发热显著，温度较高;击穿电压与电介质温度有很大关系，即与电压作用时间、周围环境温度、散热条件等关系密切。 ,(电化学击穿 电气设备在运行了很长时间后( 数十小时甚至数年) ，运行中绝缘受到 电、热、化学、机械力作用，绝缘性能逐渐劣化，这种现象称为老化。 由于绝缘的老化而最终导致的电击穿或热击穿称为电化学击穿。二、 影响固体电介质击穿电压的主要因素 ,(电压作用时间 外施电压作用时间对击穿电压的影响很大。 以常用的油浸电工纸板为例，击穿电压与外施 ,电压作用时间的关系如图 , , 所示。 在电击穿区域中，较大范围内击穿电压与电压作用时间无关，只在时间小于微秒级时击穿电压才升高，这与气体放电的伏秒特性相似。 在热击穿区域中，电压作用时间越长，击穿电压越低。 如果电压作用时间更长，所发生的击穿则为电化学击穿。 图, , , 油浸电工纸板击穿电压与外施电压作用时间的关系(,, ?) 50 第三章 液体和固体电介质的击穿特性 ,(温度 , 如图 , , 所示，当环境温度 t 低于 t, 时，击穿电压很高，且与环境温度 t 无关，属电击穿范围;在环境温度 t 高于 t, 时，环境温度越高，散热条件越差，热击穿电压越低。 不同材料的转折温度 t, 不同，即使同一电介质，厚度越大，散热越困难，t, 就 越低。 因此，应改善绝缘的工作条件，加强散热。 ,(电场均匀程度 在均匀电场中，击穿电压随电介质厚度的增加而线性增加;在不 均 匀电 场中，电 介 质厚 度 越大，电场越不 均 匀，击 穿电 压 不 再直 线上 升。 当 图, ,, 工频下瓷介质的击穿电压与温度的关系电介质厚度增加到散热困难出现热击穿时，继续增加电介质厚度就没有意义了。 ,(电压种类 由于冲击电压作用时间短，所以冲击击穿电压比工频峰值击穿电压高。 直流电压下固体电介质损耗小，直流击穿电压也比工频峰值击穿电压高。 ,(累积效应 固体电介质在冲击电压作用下，有时虽未形成贯穿的击穿通道，但已在电介质中形成局部放电或不完全击穿。 由于固体电介质的绝缘的损伤是不可恢复的，在多次冲击或工频试验电压下，一系列的不完全击穿得以逐步发展，从而导致击穿电压下降的现象，称为固体电介质的“ 累积效应” 。 在确定电气设备试验电压和试验次数时，应注意累积效应的影响。 ,(受潮 固体电介质受潮后，其电导率和介质损耗均迅速增大，击穿电压也大幅降低。 对不易吸潮的电介质，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，受潮后击穿电压可下降一半左右;对容易吸潮的电介质，如棉纱、纸等，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低。 所以高压电气设备在制造过程中要注意除去绝缘物质中的水分，运行过程中要注意防潮，并定期检查绝缘物质的受潮程度。 ,(机械负荷 固体电介质在使用时可能受到机械负荷的作用，使电介质发生裂缝，造成其击穿电压显著下降。三、 提高固体电介质击穿电压的方法 ,(改进制造工艺 尽可能地清除固体电介质中残留的杂质、气泡、水分等，使电介质尽可能均匀、致密。 这可通 第三节 电介质的老化 51过精选材料、改善工艺、真空干燥、浸绝缘油或漆等方法来达到。 ,(改进绝缘设计 采用合理的绝缘结构，使各部分的电气强度与其所承担的场强有适当的配合，改善电极形状及 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面光洁度，尽可能使电场分布均匀，改善电极与电介质的接触状态，消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差。 ,(改善绝缘的运行条件 防止潮气侵入，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却，防止臭氧及有害气体与绝缘材料的接触。 第三节 电介质的老化 作为电气设备绝缘用的固体及液体电介质，在长期运行中不可避免地会产生各种物理和化学变化，从而使其性能随时间的增长而逐渐劣化，其电气及机械强度降低，电介质损耗及电导增大等，这一现象称为电介质的老化。 引起电介质老化的因素很多，主要有热的作用、电的作用、机械力的作用以及水分、氧气等的作用。 各种不同的因素除了本身能对绝缘产生作用以外，还常常互相影响，互相促进，从而加速了其老化过程。一、 电老化 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，从而引起电介质物理、化学和电等方面的性能劣化，这种现象称为电老化。 电介质老化的主要原因往往是绝缘介质内部的局部放电造成。 因为在高压电气设备绝缘介质内部不可避免地存在着缺陷，例如固体绝缘介质内部存在的气泡或电极和绝缘接触处存在有气隙，加上电场分布的不均匀性，这些气泡、气隙或局部固体电介质表面的场强可能足够大，当达到或超过某一定值时，就会发生局部放电。 这种 局 部放电可能长期存在而不会立即形成贯穿性 通道。 但在局部放电过程中 形成的氧化氮、臭氧等对绝 缘将产 生氧化和腐蚀作用，使固体电介质的绝缘劣化。 同时，游离产生的带电质点对绝缘介质的撞击也将对绝缘产生破坏作用。 另外，局部放电产生时，电介质局部温度上升，使电介质加速氧化，并使局部电导和电介质损耗增加，严重时，甚至出现局部烧焦现象。 局部放电除导致上述结果外，在某些高分子有机绝缘介质( 如聚乙烯)中，还会导致树枝状的放电劣化痕迹，即“ 电树枝” ，如 ,,图 , , 所示。 除局部放电引起绝缘介质发生电老化外，电场与其他因素的共同作用也会引起绝 缘介质 劣 图, ,,, 聚乙烯电缆缆芯化，如在高分子有机绝缘介质中，电场和水的联合作用 近旁出现的电树枝 52 第三章 液体和固体电介质的击穿特性会产生水树枝，电场和某些化学物质的联合作用会产生化学树枝。 水树枝和化学树枝是水或化学物质沿电场方向逐渐渗透的结果，它们的出现也将导致绝缘击穿场强下降。二、 热老化 电介质在热的长期作用下发生化学反应，从而使其电气性能和其他性能逐渐变差，这一现象称为热老化。 ,(耐热性 提高电介质的工作温度对提高电气设备的容量、减小体积、减轻重量、降低成本都有非常重要的意义。 电介质的工作温度是由电介质的耐热性决定的。 电介质的耐热性是指保证其运行安全可靠时，所能承受的最高允许温度。 耐热性分以下两种: (,) 短时耐热性 电介质在高温作用下，短时就能发生明显损坏，如软化、硬化、气化、炭化、氧化、开裂等的温度。 (,) 热劣化与长期耐热性 电介质在稍高的温度下，长时间后发生的绝缘性能 的不 可 逆 劣 化。 在一 定温 度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命。 在变 化，即热 确定寿命的条件下，电介质不产生热损坏的最高允许温度，即长期耐热性。 ,(电介质的耐热等级 电介质老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。 为了使绝缘材料能有一个经济合理的使用寿命，要规定一个最高持续工作温度。 国家标准 ,, ,,,,,—,,,, 枟 电气 绝缘的耐热性评定和分级枠 中将各种电工绝缘材料按其耐热程度划分等级，以确定各级绝缘材料的最高持 ,续工作温度，如表 , , 所示。 表, ,, 电介质的耐热等级 耐热等级 ? 最高持续工作温度 , 电介质种类 未浸渍过的木材、棉纱、天然丝和纸等材料或其组合物; , ,, 聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶 矿物油及浸入其中的 , 级材料;油性漆、油性树脂漆及 , ,,, 其漆包线 酚醛树脂塑料;胶纸板;胶布板;聚酯薄膜及聚酯纤维; , ,,, 聚乙烯醇缩甲醛.