哈工大高电压技术 4 组合绝缘的电气强度

n
dn
)
Ei
U
i (
1
d1

2
d2

3
d3


n 1
d n 1

n
dn
)
即各层介质的电场分布与该层介电常数成反比
2、分阶绝缘
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
二、组合绝缘中的电场 1、均匀电场双层介质模型
在组合绝缘中，同
时采用多种电介质，在
需要对这一类绝缘结构
ຫໍສະໝຸດ Baidu
中电场作定性分析时，
常常采用最简单的均匀 电场双层介质模型，如
右图所示：
均匀电场双层介质模型
在这一模型中，最基本的
关系式为：
ε1E 1＝ ε2E 2 U=E 1d1+ E 2d2
均匀电场双层介质模型
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
内层绝缘：采用高密度的薄纸(纸的纤维含量高， 质地致密)，其介电常数较大，击穿场强也较大;
外层绝缘：则采用密度较低、厚度较大的纸，其 介电常数较小、击穿场强也较小。
先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。
如果施加交流电压 U ，则其绝缘层中距电缆轴心 r 处
举例：对于圆形单芯双层分阶绝缘电缆电场分布计 算，r0 和 R 分别为电缆的内半径和外半径， r2 为分 阶半径，其电场分布为
r0 r r2 在 r 处的电场
U E1 1 r2 1 R r1 ( ln ln ) 1 r0 2 r2
r2 r R
在
r 处的电场
U E2 1 r2 1 R r 2 ( ln ln ) 1 r0 2 r2
的电场E 可由下式求得：
E
U R r ln r0
式中
r0 、 R 分别为电缆芯线的半
径和外电极(金属护套)的半径。
绝缘层中最大电场强度Emax位于芯线的表面上
E
U R r ln r0
E max
U R r0 ln r0
而最小电场强度 Emin 位于绝缘层的外表面 (r ＝ R) 处。
此时的平均电场强度Eav应为:
聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成
一、介质的组合原则 绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。理想情
况下，组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其电
气强度成正比，是各层电压最理想的分配原则 各层绝缘所承受的电压与电压类型相关： 直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成 正比，亦即各层中的电场强度与其电导率成反比 工频交流和冲击电压下：各层所承担的电压和各层 电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数 成反比
第四节
组合绝缘的电气强度
介质的组合原则
组合绝缘中的电场
对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了
必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、
机械性能及其他物理 - 化学性能，单一品质电介质
往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采
用多种电介质的组合： 例如，变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围 的空气组成，而其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、
小
结构；
结
高压电气设备一般采用多种电介质组合的绝缘 组合绝缘中介质中的电场强度与介电常数成反
比分布；（交流电场下的电场分布）
分阶绝缘的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（交流电场下的电场分布）
第五节
绝缘的老化
电气设备的绝缘在运行过程中，由于受到各种 因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，从 而导致物理，化学，电和机械性能的劣化，这种不 可逆的变化通称为老化 主要有电老化（局部放电），热老化（高温），机 械应力老化，环境老化（大气老化） 改进措施：改进制造工艺（清除杂质气泡等）；改 进绝缘设计（改善电极形状，消除接触气隙等）； 改善运行条件（防潮防污，加强散热等）
由此可得：
E1 U
E2 U
1 (
d1
1

d2
2
)
2 (
d1
1

d2
2
)
推广到 n 层介质系统，在外加电压为 U ，极间距离为 d ， 各层介电常数，厚度和电场强度分别为 , d , E
i i i
则各介质场强为
E1
U
1 (
1
d1

2
d2

3
d3


n 1
d n 1
U Eav R r0
绝缘中平均场强与最大场强之比称为该绝缘的利 用系数 ，则此时:
Eav ro R ln Emax R r0 r0
绝缘利用系数 值越大，则电场分布越均匀，
亦即绝缘材料利用得越充分。平板电容器绝缘的
值可视为1。但对超高压电缆来说，因绝缘层较 厚， (R-r0) 值较大，如采用一种单一的介质、则 值将较小；为提高利用系数应采用分阶绝缘
课 堂 练 习
2 、一充油的均匀场间隙距离为 30mm ，极间施加工 频电压300kV，若在极间放置厚度为3mm的屏障，求 此时油中的电场强度？若将屏障厚度增加为 10mm， 油中电场强度又为多少？（已知油的 εr1=2 ，屏障
的εr2=4 ）
U E1 1 r2 1 R r1 ( ln ln ) 1 r0 2 r2
U E2 1 r2 1 R r 2 ( ln ln ) 1 r0 2 r2
可以看出，在 r0和 R 为定值的情况下，适当选 择 1 , 2以及分阶半径 r2 ，就能使两层绝缘材料 的利用率较高，电缆整体电气强度就可大为提高