第三章 液体和固体电介质的击穿特性2018.4

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液体和固体介质的电气特性

液体和固体介质的电气特性

杂质中εr大 引起油电离
油中电场强度 增高
油分解出气体 气泡扩大
气泡因电 离或发热而 不断扩大, 排列成气体 小桥贯穿两 极,液体最 终在气体通 道中击穿
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高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
二.影响液体电介质击穿电压的因素
1. 液体介质本身品质的影响
Ub(有效值)/kV
2. 覆盖层
电压作用时间为数十到数百微秒 无杂质的影响,仍为电击穿, 这时影响油隙击穿电压的主要 因素是电场的均匀程度;
电压作用时间更长 杂质开始聚集,油隙的击穿开 始出现热过程,击穿电压再度 下降,为热击穿。
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
5. 压力
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
④ 含气量 溶解在油中气体影响较小,黏度和耐电强度稍降。 所溶气体的来源:直接、分解、电解
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
判断变压器油的质量,主要依靠测量 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
② 含纤维量 电场作用下,纤维形成“小桥”,使油的击穿电压降低; 有很强的吸附水分的能力,联合作用使击穿电压降低更为 严重。
③ 含碳量 碳粒的产生:电弧 碳粒对油耐电强度作用的两个方面: 碳粒具有较好的导电性,局部场强增加,击穿电压降 低; 活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力。
① 含水量
液态水在油中的两种状态:
40
以分子状态溶解于油中,

国家电网高压电培训 第三章 固体电介质和液体电介质的击穿特性

国家电网高压电培训 第三章 固体电介质和液体电介质的击穿特性

二、对高压电气设备绝缘性能的要求
⑴ 电气性能的要求;
⑵ 机械性能的要求;
⑶ 温度和热稳定性的要求;
⑷ 化学作用和不利环境条件下稳定性的要求。
一、 击穿过程?(击穿机理)
二、 影响液体介质击穿电压的主要因素?
三、 提高液体介质击穿电压的方法?
一、液体电介质的击穿机理(击穿过程)
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同 工程用液体电介质(含杂质)
一、液体电介质的击穿机理(击穿过程)
1.电击穿过程(碰撞游离)
碰撞游离开始作为击穿条件
电子崩发展至一定大小为击穿条件
(一) 击穿过程? 1.电击穿过程(碰撞游离)
2.热击穿过程(热状态)
3.电化学击穿过程(老化)
固体介质的击穿
(二) 影响固体介质击穿电压的主要因素?
1.电压作用时间
2.温度 3.电场均匀程度 4.电压的种类 5.累积效应
6.受潮
7.机械负荷
固体介质的击穿
(三) 提高固体介质击穿电压的方法? 1.改进制造工艺 2.改进绝缘设计 3.改善运行条件
9
10 11
体积电阻率 (90℃)(Ω·m)来自油中含气量(%) ( 体积分数) 油泥与沉淀物 ( %)( 质量分数)
≥6×1010
330~500kV:≤1 ≤0.02
按《液体绝缘材料工频相对介电常数、介质 电阻率的测量》GB/T 5654 或《绝缘油体积 DL/T421中的有关要求进行试验
按《绝缘油中含气量测定真空压差法》DL/T 中含气量的测定方法(二氧化碳洗脱法)》DL 要求进行试验
①杂质含量 ②杂质在油中的存在状态
悬浮态 × 溶解态 沉渣态
二、影响液体介质击穿电压的主要因素

固体电介质的击穿特性

固体电介质的击穿特性
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
一、固体电介质的击穿过程
1. 固体电介质击穿特性的划分
击穿电压为一分钟耐压的百分比数(%) 15.3
500
450 400
350
300 250
区域A 区域B Φ50
200
区域C
150 100
Cathode
- +- ++ -




Anode


时,散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系
θ 12 3
4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
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
θ 12 3 4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
(c)
异极性空间电荷的积累
概念:电介质在外加电场的 作用下,在金属电极与电介 质之间的界面上积聚了与施 加在该电极上的电压极性相 反的电荷,这些电荷称为异 极性空间电荷
特点:异极性空间电荷增强 金属电极与介质间的界面场 强,结果可导致介质整体击 穿电压的降低,如(b)所示 。当极性翻转时,可导致击 穿电压升高,如(c)所示
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
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

液体和固体电介质的击穿特性

液体和固体电介质的击穿特性

一、电介质的组合原则
直流电压下,各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻 成正比,亦即场强与各层电导率σ 成反比: E1/E2=σ 2/ σ
则E1σ 1= E2σ 2 ,各层Eb1 σ 定。
1 1
值小的先击穿,由电导率决
二、组合绝缘的特点
1、“油-屏障”式绝缘
油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘 结构,在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介 质,在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电 场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气 强度提高30%~50%。
电压作用时 间越短,液体的击 穿电压越高,因为 形成杂质“小桥” 需要时间。
稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很高,
击穿有时延特性,属电击穿;

电压作用时间为数十到数百微秒时,杂质的影响
还不能显示出来,仍为电击穿,这时影响油隙击
穿电压的主要因素是电场的均匀程度;
发生两种情况:
(1)杂质小桥尚未接通电极时,则纤维等杂质 与油串联,由于纤维的εr大以及含水分纤维的电 导大,使其端部油中电场强度显著增高并引起电离,
于是油分解出气体,气泡扩大,电离增强,这样下
去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
(2)如果杂质小桥尚未接通电极,因小桥的电 导大而导致泄漏电流增大,发热会促使汽化,气 泡扩大,发展下去会出现气体小桥,使油隙发生 击穿。
复合绝缘体:不同的绝缘体组合起来使用。 一方面,复合绝缘相互弥补弱点,得到更高的 击穿场强; 另一方面,实用绝缘结构很难使用单一绝缘。
一、电介质的组合原则
常见的复合绝缘体:由多种电介质构成的层叠绝缘
理想的电压分布:各层电介质承受的场强与该层介 质的耐电强度成正比,这样整个组合绝缘的电气 强度最高,各层绝缘材料的利用也最合理、最充 分。

5液体、固体介质的击穿教程

5液体、固体介质的击穿教程

②80度以上: 温度↑→汽化↑→Ub↓
③-5度-0度:冰水、全部悬浮,Ub最低 ④-5度以下:粘度↑→小桥不易形成→Ub↑
3、电场均匀度
电场较均匀时,电场越均匀杂质小桥越易形成,油的品质 对工频Ub影响越大; 电场极不均匀时,电极附近电场很强,造成强烈电离,电 场力对带电质点的强烈作用使该处的油剧烈扰动,杂质和水 分很难形成“小桥”。
悬浮态的水易在电场下形成 “小桥”,对击穿电压影响很大;
变压器油中含水量超过溶解度 50ppm时,含水量↑→Ub迅速↓
(2)纤维越多,杂质小桥越易形 成,击穿电压越低
有纤维存在时,水分影响特别明显
(3)气体含量超过油中溶解度时, 将以自由态出现→Ub迅速↓
2、油温
①0-60度: 温度↑→水珠溶解度↑→Ub↑
2、热击穿理论
由于电导γ存在→损耗→发热→T↑→R↓→I↑↑→损耗 发热↑↑(Q发>Q散)→T↑↑→介质分解、劣化→击穿
热击穿的主要特点:
击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。 击穿时间较长,击穿电压较低。
3、电化学击穿
固体介质在电、热、化学和机械力长期作用下,会逐渐 发生某些物理化学过程,使其绝缘性能逐渐劣化,这种 现象称为绝缘的老化。 由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。 最终可能是电击穿也可能是热击穿。 电化学击穿特点: 长时间;击穿电压低(工作电压下即可能发生)
2、工程用变压器油的击穿过程及其特点
可用气泡击穿理论解释其过程,依赖于气泡的形成、发热膨 胀、气泡通道扩大并形成小桥,有热过程,属于热击穿范畴。 由于水和纤维的εr很大,易沿电场方向极化定向,并排列成 杂质小桥。
油中受潮→水分(εr=81) 纸布脱落→纤维(εr=6-7) 有两种情况: (1)如果杂质小桥接通电 极,因小桥的电导大而导 致泄漏电流增大,发热会 促使汽化,气泡扩大,发 展下去会出现气体小桥, 使油隙发生击穿。

液体电介质的击穿特性

液体电介质的击穿特性

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3. 电压作用时间
Ubp(kV)(峰值) 冲击系数Kl最小值
700
Φ
600
50
20
50
0
10-6 10 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 1
t(s)
10 9 8
7 6
5 4 3 2 1
10 2
稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
(虚线表示未经研究过的区域)
(虚线表示未经研究的区域)
/22
4. 电场均匀程度
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%,而在均匀电场中可达3040%
/22
5.压强
Ub(有效值)/kV
d
主要内容
液体电介质的击穿理论 影响液体电介质击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的方法
(一)液体电介质的击穿理论
液体电介质 :纯净的液体电介质 工程用液体电介质
击穿机理不同:电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论
/22
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
与长空气间隙的放电过程很相似
/22
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)电极凸起处的电晕引起液体气化。

液体、固体电介质特性

液体、固体电介质特性
不同电介常数的电介质组合在一起构成组合绝缘,当各 层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时,整个组 合绝缘的电气强度最高。
直流电压下,绝缘等效为绝缘电阻,各层绝缘承受的电 压与其绝缘电阻成正比;【电气强度高、电导率小的材 料用在电场最强处】
交流和冲击电压下,绝缘等效为电容,各层绝缘承受的 电压与其电容成反比;【电气强度高、介电常数小的材 料用在电场最强处】
U
r1 r2
r0
12
E2
r
2
[
1
1
ln
U r1 r0
1
2
ln
r2 r1
]
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多层分阶27。
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
➢ 电老化——局部放电 ➢ 热老化——热作用下的氧化 ➢ 环境老化——污染性化学老化
U
(R1
R2
... Rn )I
(1
1
d1 S
1
2
d2 S
...
1
n
dn )I S
1 S
( d1
1
d2
2
...
dn )I
n
RI
I U R
U1
R1I
1
1
d1 S
I
d1
1S
U R
1
(
d1
1
Ud1 d2 ...
2
dn
n
)
E1
U1 d1
1
(
d1
1
U d2 ...
2
dn )
n
1

《高电压技术》第一篇电介质的电气强度--第三章液体和固体介质的电气特性--第二节液体介质的击穿

《高电压技术》第一篇电介质的电气强度--第三章液体和固体介质的电气特性--第二节液体介质的击穿
电介质的电气特性,主要表现为它们在电场作用下的导 电性能、介电性能和电气强度;
它们分别以四个主要参数,即电导率γ(或绝缘电阻率 ρ)、介电常数ε、介质损耗角正切 tanδ和击穿电场强度 (以下简称击穿场强)Eb来表示。
第二节 液体介质的击穿
作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度 时 ,在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、 电导和介质损耗了。与气体介质相似,液体和固体介质在 强电场(高电压)的作用下,也会出现由介质转变为导体 的击穿过程。在本节和下一节将先后介绍液体和固体介质 的击穿理论、击穿过程特点和影响其电气强度的因素。
(二) 油 温
干燥的油 受潮的油
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系
0~80℃,Ub 随T的 提高而上升(因部分 水分从悬浮状态转为 溶解状态);温度再 升高,Ub开始下降 (水分汽化);低于 0℃,Ub上升是由于
水滴冻结成冰粒
图3-18 标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
(三)电场均匀度
工程中实际使用的液体介质并不是完全纯净的,往往 含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质,它们对液体介 质的击穿过程均有很大的影响。因此,本节中除了介绍纯 净液体介质的击穿机理外,还将探讨工程用绝缘油的击穿 特点。
一、纯净液体介质的击穿理论
主要有两大类:
●电子碰撞电离理论(亦称电击穿理论)
●气泡击穿理论
保持油温不变,而改善电场的均匀 度,能 使优质油的工频击穿电压显著增 大,也能大大 提高其冲击击穿电压。品质 差的油含杂质较多 ,故改善电场对于提高 其工频击穿电压的效果 也较差。而冲击电 压下,由于杂质来不及形成 小桥,故改善 电场总是能显著提高油隙的冲击 击穿电 压,而与油的谢 谢!

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

2、采用固体介质降低杂质的影响 2)绝缘层——在曲率半径很小的电极包缠很厚的固体绝缘,改善 油中的电场分布。适用于极不均匀电场。
1)覆盖——在曲率半径较小的电极覆盖固体绝缘,以切断杂质小 桥、限制泄漏电流。适用于电场比较均匀的场合。
紧紧包在小曲率半径上 薄固体绝缘层(诸如电缆纸、黄蜡布、 漆膜等)称为覆盖,其厚度一般只有零点几微米,所以不会引起油 中电场的变化。它能阻止杂质小桥直接接触电极,因而能有效的控 制泄漏电流,从而阻碍杂质击穿过程的发展。电场约均匀,杂质小 桥对油隙击穿电压的影响越大,采用覆盖的效果越显著。由于采用 覆盖花费不多,而收效明显,所以在各种充油的电气设备中都很少 采用裸导体。
当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时,即成为绝缘层,一般 厚度为数毫米到数十毫米。绝缘层不但能象覆盖那样减小油中杂质 的有害影响,而且能降低电极表面附近的电场强度,大大提高整个 油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。变压器中某些线饼或静电屏 上包以较厚的绝缘层都是为了这个目的。
3)屏障——”油-纸”或“油-布”绝缘,切断杂质小桥,改善电场 分布,提高油间隙的工频击穿电压。屏障的形式要因电极形状而定, 并且,屏障要足够大,已能包住电极。 如果在油隙中放置尺寸、形状与电极相适应、厚度为1~5mm 的层压纸板(筒)或层压布板(筒)屏障,那么它既能阻止杂质小 桥的形成又象气体屏障那样拦住一部分带电粒子,使电场变得比较 均匀。电场越不均匀,放置屏障的效果越好。 如果用多重屏障将油隙分隔成多个较短油隙,则击穿场强能 提高更多。但相临屏障间距不宜太小,因为这不利于油隙冷却循 环。另一方面,屏障的总厚度也不能太大,因为固体介质的介电 常数比变压器油大。所以固体介质总厚度的增加会引起油中电场 强度的增大。通常设计时控制屏障的总厚度不大于整个油隙长度 的1/3。

液体和固体电介质的击穿特性解读

液体和固体电介质的击穿特性解读

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
一、 击穿机理——(1)电击穿理论

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,从而导致击穿
电击穿的特点:电压作用时间短,击穿电压高,击穿电压与环
境温度无关,与电场均匀程度有密切关系,与电压作用时间关 系很小。
当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条件,且内部不
存在局部放电,这种情况下发生的击穿通常是电击穿。其击穿
场强一般可达105~106kV/m 。
击穿理论——(2)热击穿理论
3.1液体电介质的击穿特性
液体电介质的击穿机理
影响液体电介质击穿电压的因素
提高液体电介质击穿电压的方法
液体电介质不仅具有较高的电气强度,而且它的流 动性使其还具有散热和灭弧作用,同时可以与固体 介质结合,填充固体电介质的空隙,从而大大提高 绝缘的局部放电起始电压和绝缘的电气强度 液体介质主要有天然的矿物油(变压器油、电容器 油和电缆油)和人工合成油(硅油)
发生两种情况:
(1)杂质小桥尚未接通电极时,则纤维等杂质 与油串联,由于纤维的εr大以及含水分纤维的电 导大,使其端部油中电场强度显著增高并引起电离,
于是油分解出气体,气泡扩大,电离增强,这样下
去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
(2)如果杂质小桥尚未接通电极,因小桥的电 导大而导致泄漏电流增大,发热会促使汽化,气 泡扩大,发展下去会出现气体小桥,使油隙发生 击穿。
3 电场均匀度 在冲击电压下,由于杂质来不及形成小桥,故改善电 场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压,而与油的品 质好坏几乎无关。 优质油:保持油不变,而改善电场均匀度,能使工频 击穿电压显著增大,也能大大提高其冲击击穿电压。 品质差的油:改善电场对于提高其工频击穿电压的效 果较差。

第三章 液体和固体介质的电气特性

第三章 液体和固体介质的电气特性
高电压技术 河北科技师范学院电气教研室
对液体和固体介质,温度很低时,分子间联系紧
运动变得较强烈时,分子热运动阻碍极性分子沿电场
ε r 又开始随着温度的上升而减
如图3-6为极性液体、固体介质的 度的关系。
高电压技术
ε r 与温
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(四)夹层极化 凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组 成的绝缘结构,在加上外电场后,各层电压将从开 始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分 布。在电压重新分配的过程中,夹层界面上会积聚 起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极 化称为夹层介质界面极化,简称夹层极化。
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(三)偶极子极化 极性电介质:分子具有固有的电矩,即正、负 电荷作用中心永不重合,由极性分子组成的电介质 称为极性电介质。 极性分子不存在外电场时, 极性分子的偶极子因热运动 而杂乱无序的排列着,如图 所示,宏观电矩等于零,因 而整个介质对外并不表现出 极性。
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在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合 在一起使用,这时应注意各种材料的εr值之间的 配合,因为在工频交流电压和冲击电压下,串联 的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介 质的εr成反比。 最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化 和偶极子极化等三种,另外还有夹层极化和空间电 荷极化等。现简要介绍如下:
(一)电介质的损耗的基本概念 介质损耗:在电场作用下电介质中总有一定的能量损 耗,包括由电导引起的损耗和某些有损极化(例如偶 极子、夹层极化)引起的损耗,总称介质损耗。 直流下:电介质中没有周期性的极化过程,只要外加 电压还没有达到引起局部放电的数值,介质中的损耗 将仅由电导组成,所以可用体积电导率和表面电导率 说明问题,不必再引入介质损耗这个概念了。

高电压技术固体与液体电介质击穿

高电压技术固体与液体电介质击穿
A(E,α,T0):电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(α,T0):单位时间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
固有击穿理论:在某一场强值内,上述关系式成 立,获得和失去的能量平衡,超过则不成立,引 起破坏,称之为固有击穿理论 电子崩击穿理论:当上述平衡破坏后,电子整体 上得到加速,与晶格产生碰撞电离,反复碰撞形 成电子崩,电场作用下给电子注入能量激增,导 致介质结构破坏,称之为电子崩击穿理论
时间(μs)
电工纸板的击穿电压
与电压作用时间的关系
2). 电击穿
电击穿理论是建立在固体电介质中发生 碰撞电离基础上的,固体电介质中存在 的少量传导电子,在电场加速下与晶格 结点上的原子碰撞,从而击穿。 电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电 离的理论:固有击穿理论与电子崩击穿 理论
A(E,α,T0)=B(α,T0)
50 μm
HDPE树枝的发展
(a) 1 min
50 μm
自然冷却 施加电压5 kV
(b) 10 min
(c) 40 min
(d) 70 min
(e) 75 min
3. 影响固体介质击穿电压主要因素
电压作用时间 温度 电场均匀程度 电压种类 局部放电 累积效应 受潮 机械负荷 二次效应如空间电荷等
热击穿电压Ub与各种发、散热因素的关系
Ub = 0.342×
h(tk t0) f 0rtg0(h+2)
当发热因素f,r ,t0,tg0上升或增加时, 热击穿电压Ub将下降;
当散热因素σ,λ上升时,热击穿电压Ub将上 升在发生热击穿时,采取加厚绝缘的办法并不 一定能起到提高电介质击穿电压的作用,因而
A、B 区:击穿属于电击穿

第三章 液体和固体电介质的击穿特性2018.4

第三章 液体和固体电介质的击穿特性2018.4

• 若气体和水分溶于液体介质则对Ub影 响不大;
• 若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显 下降。
• 含水继续增多仅增加几条击穿并联通 道, Ub不再下降
• 的油 受潮的油
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系
0~80℃,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)
一、 固体电介质的击穿机理
在电场作用下,固体介质可能因以下过程而被击穿:
➢电过程(电击穿)
t< 0.2 s
➢热过程(热击穿)
t>0.2 s
➢电化学过程(电化学击穿) 数十小时
1 电击穿过程
固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而 直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象,电击穿过 程与气体中相似,碰撞电离形成电子崩。固体电介 质中存在的少量传导电子,在电场加速下与原子碰 撞,使其游离产生电子崩,从而引起击穿。
介质内部的缺陷(如气隙或气泡)引起的局部
放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要
原因。 电 化学
介质的 电老化
1) 产生活性气体对介质氧化、腐蚀; 2) 温升使局部介质损耗增加; 3) 切断分子结构,导致介质破坏。
表面漏电起痕与电蚀损
电介质中的树枝老化
在电化学击穿中,有一种树枝化放电的情况,这通常发生在有机 绝缘材料的场合。
(3)防潮 油浸式绝缘在浸油前必须烘干,必要时 可用真空干燥法去除水分;在油箱呼吸器的空气入 口放干燥剂,以防潮气进入。
(二)采用固体电介质降低油中杂质的影响
➢ 覆盖层:指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层 (小于1mm),它的作用主要是使油中的杂质、 水分等形成的“小桥”不能直接与电极接触,从 而减小了流经杂质小桥的电流,阻碍了杂质小桥 中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。
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一、 固体电介质的击穿机理
在电场作用下,固体介质可能因以下过程而被击穿:
➢电过程(电击穿)
t< 0.2 s
➢热过程(热击穿)
t>0.2 s
➢电化学过程(电化学击穿) 数十小时
1 电击穿过程
固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而 直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象,电击穿过 程与气体中相似,碰撞电离形成电子崩。固体电介 质中存在的少量传导电子,在电场加速下与原子碰 撞,使其游离产生电子崩,从而引起击穿。
在不均匀电场中,介质厚度越大,电场越不均匀,击穿电 压不再随厚度的增加而线性增加。即使在电击穿的范围内,随 着介质厚度的增大,平均击穿场强仍将减小。当厚度增加使散 热困难到可能引起热击穿时,增加厚度的意义就更小了。
4、电压种类
直流击穿电压比工频击穿电压(幅值)高。而交 流电压下,工频交流击穿电压要高于高频交流击穿电 压。在冲击电压下,由于电压作用时间极短,一般发 生电击穿,因此击穿电压比工频交流和直流下都高。
无论电场均匀与否,变压器油的击穿电压都随电压作用时 间的增大而减小。
(五)压力的影响 不论电场均匀度如何,工业纯变压器油的工频 击穿电压总是随油压的增加而增加,这是因为油 中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增 大的缘故。
油中含气体时:压力↑ → Ub油↑(气体在油中溶解量↑) 油经脱气处理:压力对Ub油影响较小
非纯净液体电介质 (工程用液体电介质)
➢ 油中杂质:水分、固体绝缘材料(如纸、布)脱 落纤维、液体本身老化分解。
➢ 小桥形成:由于水和纤维的介电常数分别为81和 6~7,比油的介电常数1.8~2.8大得 多,从而这些 杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。
受潮纤维在电极间定向示意图
油中受潮→水分(εr=81) 纸布脱落→纤维(εr=6~7)
介质内部的缺陷(如气隙或气泡)引起的局部
放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要
原因。 电 化学
介质的 电老化
1) 产生活性气体对介质氧化、腐蚀; 2) 温升使局部介质损耗增加; 3) 切断分子结构,导致介质破坏。
表面漏电起痕与电蚀损
电介质中的树枝老化
在电化学击穿中,有一种树枝化放电的情况,这通常发生在有机 绝缘材料的场合。
➢ 条件: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的情况下,固体介质的击 穿通常为电击穿。
➢ 电击穿的主要特征:
①与周围环境温度有关;
②击穿时间很短(10 μs~0.2s) ,击穿电压与时间
无关;
③击穿前介质发热不显著;
④电场均匀程度对击穿有显著影响。
2. 热击穿过程
• 击穿机理:固体介质会因介质损耗而发热,如果 周围环境温度高,散热条件不好,介质温度将不 断上升而导致绝缘的破坏,如介质分解、熔化、 碳化或烧焦,从而引起热击穿。
在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油 的品质的衡量标准,不能用此数值直接计算在不同条 件下油间隙的耐受电压。
(一)杂质的影响
水分:水在变压器油中有三种状态:
(1)溶解状态:高度分散、且分布非常均匀;
(2)悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。
(3)沉渣态:沉淀于容器底部
溶解状的水对油的耐压影响不大;悬浮状的水分易形 成小桥,对击穿电压的影响较大。 沉淀于容器底部的 水分不在电场空间内,对油击穿无影响。
标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
(三)电场均匀程度的影响
电场越均匀,杂质越易形成小桥,杂质对油的击 穿电压的影响越大。
当电场极不均匀时,杂质对油的击穿电压的影响 很小。
在冲击电压下,由于杂质来不及形成小桥,故改 善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压,而与油 的品质好坏几乎无关。
(四)电压作用时间
三、减小杂质影响的措施
(一)减少液体介质中的杂质 (1)过滤 使油在连续压力下通过滤油机中的滤纸, 即可将纤维、碳粒等固态杂质除去,油中大部分水 分和有机酸等也会被滤纸所吸附。
三、减小杂质影响的措施
(2)祛气 将油加热,喷成雾状,并抽真空,油中 所含水分和气体即挥发并被抽走,然后在真空条件 下将油注入电气设备中,可以达到去除油中水分和 气体的目的。
• 若气体和水分溶于液体介质则对Ub影 响不大;
• 若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显 下降。
• 含水继续增多仅增加几条击穿并联通 道, Ub不再下降
• 当有纤维存在时,水分影响特别明显
(二)温度的影响
干燥的油 受潮的油
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系
0~80℃,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)
7、机械负荷
机械应力可能使某些原来较完整的电介质产生 开裂、松散,如该介质放在气体中,则气体将填充到 裂缝内,从而使击穿电压下降。
三、提高固体电介质击穿电压的方法
(1)改进制造工艺
如精选材料、真空干燥,尽可能清除电介质中 的杂质
(2)改进绝缘设计 如采用合理的绝缘结构、使电场尽可能均匀
(3)改善运行条件
➢ 因液体介质的密度比气体大得多,分子间的距 离比气体小得多,电子运动的平均自由行程短, 所以其击穿场强比气体高很多。
➢ (二)气泡击穿过程
纯净油的电气强度:相当高,可达800~1000kV/cm,但 提取工艺相当复杂。
➢ 电气设备在制造过程中难免混入杂质,运行中也会老 化而分解出气体和聚合物(蜡状物)。因此,工程上 用的绝缘油总是含有一些气体和杂质。
(3)防潮 油浸式绝缘在浸油前必须烘干,必要时 可用真空干燥法去除水分;在油箱呼吸器的空气入 口放干燥剂,以防潮气进入。
(二)采用固体电介质降低油中杂质的影响
➢ 覆盖层:指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层 (小于1mm),它的作用主要是使油中的杂质、 水分等形成的“小桥”不能直接与电极接触,从 而减小了流经杂质小桥的电流,阻碍了杂质小桥 中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。
如果油中含有气泡,则他们在电场作用下可直接形成 气泡“小桥” ,从而导致击穿。
➢ 小桥击穿的特点:
(1) 与热过程紧密相连;
(2) 如果间隙较长则难以形成小桥,但因不连续的 小桥也会畸变电场,而引起间隙击穿电压降低;
(3) 小桥的形成和电极形状及电压种类有关:电场 极不均匀时,由于尖电极附近发生局部放电现象 造成油的扰动,而难以形成小桥;冲击电压下, 由于作用时间极短,小桥来不及形成。
随着电压作用时间的增长,击穿电压将下降,如果 在加电压后数分钟到数小时才引起击穿,则热击穿往 往起主要作用。
但两者并无明显的界限。例如在工频交流1min.耐 压试验中的试品被击穿,常常是电和热双重作用的 结果。
电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击 穿时,大多属于电化学击穿的范畴。
2、温度 周围环境温度小于t0时,击穿电压高,且与温度
二、影响液体介质击穿的因素
对液体介质,通常用标准试油杯测得的工频击穿 电压来衡量其品质的好坏。
黄铜电极
油间隙距 离2.5mm
绝缘外壳
标准试油杯(图中尺寸均为mm)
对变压器油,其标准油杯中的击穿电压为 Ub > 25kV~40kV;
对电容器油及电缆油,其标准油杯中的击穿电压 一般为Ub > 50kV~60kV。
5、累积效应
固体电介质属于非自恢复绝缘,在极不均匀电场 中,当作用在固体介质上的电压为幅值较低或作用时 间较短的冲击电压时,会使绝缘产生一定程度的损伤, 那么在多次施加同样电压时,绝缘的损伤会逐步积累, 其击穿电压也会降低,这种现象称为累积效应。
6、受潮
固体电介质受潮后其击穿电压的下降程度与材料 的吸水性有关。对不易吸潮的电介质,例如聚四氟乙 烯,受潮后击穿电压下降一半左右;对易吸潮的电介 质,如纸、纤维等,受潮后击穿电压仅为干燥时的几 百分之一。所以高压电气设备的绝缘在制造时应注意 烘干,在运行中要注意防潮,并定期检查受潮情况。
杂质“小桥”
沿电场极化 定向排列“杂质小桥”贯通两电极“杂质小桥”未贯通两电极
受潮纤维在电极间定向示意图
“杂质小桥”贯通两电极
如果杂质小桥接通电极,因其电导大而导致泄漏电 流增大,发热会促使水分汽化,形成气泡;气泡扩大, 发展下去会出现气体小桥,气泡小桥贯穿,使油隙发 生击穿。
桥贯穿:G水、G纤大→i泄↑→发热↑→水分汽化,气泡扩大
➢ 绝缘层:指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料 (可达几十毫米),绝缘层不仅能起覆盖层的作 用,减小杂质的有害影响,而且它能承担一定的 电压,可改善电场的分布。它通常只用在不均匀 电场中,包在曲率半径较小的电极上。
充油电力设备中很少采用裸导体。
➢ 屏障:又称极间障或隔板,是放在电极间油间隙 中的固体绝缘板。屏障的作用一方面是阻隔杂质 小桥的形成;另一方面可改善油间隙中的电场分 布,从而提高油间隙的击穿电压。在极不均匀电 场中,曲率半径较小的电极附近场强高,会发生 电离,电离出的带电粒子被屏障阻挡,并分布在 屏障的一侧,使另一侧油隙中的电场变得比较均 匀,从而能提高油间隙的击穿电压。
变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。
固体电介质的电气强度
在气、液、固三种电介质中,固体材料密度最大, 耐电强度也最高。通常, 空气的耐电强度3kV/mm~4 kV/mm; 液体的耐电强度10kV/mm~20 kV/mm; 固体的耐电强度几十kV/mm~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。
一、液体介质的击穿机理
➢ 击穿理论研究现状:远不及气体介质击穿机理 研究,目前尚缺乏完善的击穿理论。
➢ 按击穿机理分类:纯净的和工程用(非纯净)。 液体电介质击穿形式: (1)电击穿(纯净液体电介质) (2)气泡击穿
工程用的液体电介质的击穿:可能发生电击穿, 也可能气泡击穿
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