四章固体液体和组合绝缘的电气强度.ppt
第四章： 固体、液体和组合绝缘 的电气强度,1,气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高 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,§4.1 固体电介质击穿的机理,2,电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系,1. 固体电介质击穿特性的划分,AB：电击穿 C：热击穿,3,电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿,2. 电击穿,4,3. 热击穿,交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系,5,热击穿的概念： 由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度升高导致固体电介质电阻下降，电流进一步增大，损耗发热也随之增大。 在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。如果同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称为电介质的热击穿过程。,6,热击穿的理论分析 电压：U1U2U3 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,7,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,8,曲线 3： tta 时：曲线在直线4之上，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 ttb 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 tattb：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,9,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,10,§4.2 影响固体介质击穿电压主要因素,电压的作用时间 温度 电场均匀度和介质厚度 电压频率 受潮度的影响 机械力的影响 多层性的影响 累积效应的影响,11,§4.3 提高电介质击穿电压的方法,改进绝缘设计如采取合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度能与共所承担的场强有适当的配合； 改善电极形状及表面光洁度，尽可能使电场分布均匀，把边缘效应减到最小； 改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差。 改进制造工艺清除固体电介质中残留的杂质、气泡、水分等 改善运行条件 注意防潮，加强散热冷却等。,12,§4.4 固体电介质的老化,1.环境老化：光氧老化（主要）、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。,老化电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化(如固体介质软化或熔解,低分子化合物及增塑剂的挥发)和化学变化(如氧化,电解,电离,生成新物质), 致使其电气,机械及其他性能逐渐劣化。,13,概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿。 电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生,2 固体电介质的电老化,14,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 电导性老化,树枝老化,15,Tree-like 树枝状,Bush-like 灌木丛状,chestnut-like 栗子状,树枝老化的一般形状,16,电介质中的树枝老化,17,3 热老化,在较高温度下，固体介质会逐渐热老化。热老化的主要过程为热裂解、氧化裂解、交联、以及低分子挥发物的进出。热老化的象征大多为介质失去弹性,变僵硬，变脆发生龟裂。设备“绝缘寿命”与其“工作温度”之间的关系： 蒙辛格热老化规则: 该类设备绝缘的工作温度如提高10（或8，6），绝缘寿命便缩短到原来的一半。,18,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 Y A E B F H C 90 105 120 130 155 180 180 根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计,19,§4.5 液体电介质击穿的机理,液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质（水分+杂质） 击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论,20,液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离 在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，先在尖电极附近开始电离，电离开始阶段以后是流注发展阶段，流注分级地向另一电极发展，放电通道出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙 与长空气间隙的放电过程很相似,/22,1. 纯净液体电介质的电击穿理论,21,当外加电场较高时，液体介质内由于各种原因产生气泡 1）电子电流加热液体，分解出气体； 2）电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 3）静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大； 4）电极凸起处的电晕引起液体气化。 串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比-局放-热-体积膨胀-气体小桥,/22,2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论,22,(a) 形成“小桥” (b) 未形成“小桥” 受潮纤维在电极间定向示意图,/22,3. 非纯净液体电介质的小桥击穿理论,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 水分及纤维等的电导大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大 液体电介质最后在气体通道中发生击穿,23,/22,§4.6 影响液体电介质击穿电压的因素,用标准油杯来检查油的质量 平板电极间电场均匀，油中稍有含水、含杂，含气等击穿电压就明显下降 规程规定用来灌注高压电力变压器等的变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求在2540kV以上(与设备的额定电压有关)；灌注高压电缆和电容器的用油，在油杯中的击穿电压常要求在50或 60kV以上,24,1. 杂质（悬浮水、纤维）,变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,/22,25,2. 电压作用时间,稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线,/22,26,极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线,/22,1分钟（60S）击穿电压近似等于持久击穿电压,27,3. 电场情况,油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高 液体电介质不同油质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5（电极处电场力作用杂质不易形成小桥），而在均匀电场中可达3040,/22,28,4. 温度,标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系 1-干燥的油； 2-受潮的油,/22,水当T增加时：固液汽,29,5.压强,变压器油（工程电介质）工频击穿电压与压强的关系,/22,油中含有气体,30,§4.7 提高液体电介质击穿电压的方法,1 提高并保持油的品质 2 绝缘覆盖层： 小于1毫米阻止小桥直接接通电极电流小 3 绝缘层： 几十毫米曲率大的电极阻止强场区产生不电晕 4 屏障： 阻止小桥连通 阻挡电极电离的电子均匀电场,/22,31,谢谢!,32,
