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。
3.2固体电介质的击穿特性
固体电介质的击穿机理
影响固体电介质击穿电压的因素
提高固体电介质击穿电压的方法

气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高 空气的耐电强度一般在3 — 4 kV/mm左右； 液体的耐电强度在10 — 20 kV/mm； 固体的耐电强度在十几 — 几百kV/mm

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
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
二、影响液体电介质击穿电压的因素
1. 杂质（悬浮水、纤维）
杂质的存在将极 大地降低液体的击穿 电压。电场越均匀、 电压作用时间越长， 杂质的影响越大。微 量水分与变压器油的 击穿电压关系如图
变压器油的工频击穿电压和含水量的关系


耐压试验 用标准油杯来检查油的质
量 平板电极间电场均匀，油 中稍有受潮、含杂，击穿电压 就明显下降 规程规定：对于变压器油 ，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)；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
水在变压器油中有两种状态： 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。
2. 温度 水分在液体 中的存在形式受温 度的影响，随着温 度的升高，水分从 冰逐渐转变为悬浮 状态的水滴、溶解 状态的水和水蒸气。 当水处于溶解状态
时，对液体的影响 最小。
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
一、电介质的组合原则
一、电介质的组合原则
交流电压、冲击电压下，各层介质所分担的电压与其 电容成反比，亦即场强与各层介质介电常数成反比： E1/E2=ε2/ε1 则E1 ε1= E2 ε2，各层Eb1 ε1值小的先击穿，且一般气体、液体
、固体介电常数大的击穿场强也大，所以击穿难易程度为： 气体、液体、固体。
加；当电压频率增大时，击穿电压将下降；击穿电压
与电压作用时间有关。
击穿理论——（3）电化学击穿理论
介质劣化的结果。
介质的局部区域发生局部放电，这种放电并不立即形成贯
穿性通道，而是非完全击穿，它使介质引起化学离解，形 成树枝状通道，这些树枝状通道，随时间推移不断伸长， 使绝缘进一步劣化，最终发展到整个电介质击穿。
3. 绝缘层 在金属电极表面紧贴较厚的固体绝缘层。因该固体的介电常数大 于液体介质，从而减小了电极附近的电场强度，防止电极附近局部放电 的发生；适用于不均匀电场。在变压器中常在高压引线和屏蔽环包裹较 厚的绝缘层。
4. 屏障
是放置在电极间油隙中的固体绝缘板。它能机械地阻隔杂质“小 桥”成串，而且能够在不均匀电场中起到聚集空间电荷、改善电场分布 的作用。适用于均匀电场和不均匀电场中电压作用时间较长的情况。对 于作用时间很短的冲击电压，则通过阻挡光子的传播来阻碍流注的发展， 提高冲击击穿电压。在变压器中常利用绝缘板做成圆筒、圆环等形状， 放置在铁芯与绕组、低压绕组与高压绕组之间，并且常放置多个，将油 隙分成几个小油隙。
一、液体电介质的击穿理论
纯净的液体电介质：
电击穿理论； 气泡击穿理论。
工程用液体电介质：气泡小桥击穿理论；
(一) 电击穿理论
在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起 电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴 极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴 极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。
电气安全与电气试验
第三章 液体和固体电介质的击穿特性
液体、固体电介质的电气强度比常压下的空气高很 多，用它们作为绝缘介质，可以大大缩小导体间的 绝缘距离，从而减小电气设备的体积 液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材 料 外绝缘属于自恢复绝缘，内绝缘属于非自恢复绝缘
内绝缘的电气强度是用其所能耐受住的试验电压来 衡量的，试验电压是根据系统可能的过电压水平而 选定的
采用过滤等手段消除液体中的杂质，并且防止液体与空气接触从 空气中吸收水分。该方法能够避免形成杂质“小桥”，从而达到提高击 穿电压的目的。 2. 复盖层
在金属表面紧贴一层固体绝缘薄层，使“小桥”不能直接接触电 极，从而在很大程度上减小了泄漏电流，阻断了“小桥”热击穿的发展。 适用于油本身品质较差，电场较均匀、电压作用时间较长的情况。在变 压器中常利用较薄的绝缘纸包裹高压引线和绕组导线。
2、油纸绝缘
电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙， 因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性 能可大大提高。 油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用 作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但 散热条件较差.
二、组合绝缘的特点
绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击 穿场强可达500～600kV／cm，大大超过了各组成成分 的电气强度(油的击穿场强约为200kV／cm，而干纸只 有100～150kV／cm)。 各种各样的油纸绝缘目前 广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中 。
电化学击穿的特点：由于它是绝缘性能下降之后发生的击
穿，因此击穿电压比电击穿和热击穿低。电化学击穿不发 生在很高电压下，而是在较低电压下甚至是工作电压下发 生。
二、影响固体介质击穿电压主要因素





电压作用时间 场均匀程度 温度 电压种类 累积效应 受潮 机械负荷
三、提高固体电介质击穿电压的方法
减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子 撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。 许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可 能在此通道中发生。
（三）工程用变压器油的击穿过程及其特点
可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于 气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥， 有热的过程，属于热击穿的范畴。 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。

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。
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。
4. 电压作用时间
油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮) 因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分 。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在 油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。
三、利用组合绝缘调整电场的方法
超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层 较厚，一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最 大电场强度。 所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成 的组合绝缘。 分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数 越大的材料，以达到电场均匀化的目的。如：