固体电介质的击穿特性

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题目：固体、液体和组合绝缘的电气强度

讲授内容提要：

1.固体电介质的击穿特性

2.液体电介质的击穿特性

教学目的：掌握固体液体电击穿、热击穿理论

教学重点：理解影响固体液体击穿电压的因素及提高击穿电压的方法教学难点：理解各种电场在不同电压下的击穿电压

采用教具和教学手段：多媒体及板书

授课时间：2014年9月1日授课地点：新教学楼1108 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。

第四章 固体、液体和组合绝缘的电气强度

本次课主要内容：

1. 固体电介质的击穿特性

2. 液体电介质的击穿特性

固体电介质击穿的机理

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。

1. 固体电介质击穿特性的划分

2. 电击穿

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。

3. 热击穿

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

10-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（μs ）

500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（％）

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。

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

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。

固体电介质的老化

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。

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。

2．固体电介质的电老化 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

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。

液体电介质击穿的机理

1. 纯净液体电介质的电击穿理论

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

()θαθθα∆---==Ae Ae T 0

与长空气间隙的放电过程很相似

2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论

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

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

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

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25 40kV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

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