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。
（二）热击穿理论 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质长 期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围 散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散热将在一定条 件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质温度不会不断上升 而的导致绝缘的破坏。但是如果发热大于散热，介质温度将不断上 升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而发生热击穿。 特点： 1、击穿电压相对较低，击穿时间相对较长； 2、击穿电压与介质温度有很大关系； 3、热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中 心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿场强随厚度的增 大而降低。
二、影响液体介质击穿电压的因素 1、杂质 悬浮状水滴在油中是十分有 Ub(kV) 40 害的，如右图，当含水量为 万 分之几时，它对击穿电压就有明 显的影响，这意味着油中已出现 20 悬浮状水滴；含水量达0.02%时 击穿电压已下降至10kV，比不 含水分时低很多倍 。含水量继 0 0.02 0.04 含水量(%) 续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬 浮于水中，多余的会沉淀到油底部，但这对有的绝缘性能也 非常有害。 当油中有其他杂质时，击穿电压的下降程度随杂质的种类 和数量而异。
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第二节
固体介质的击穿特性
一、固体介质的击穿机理——电击穿、热击穿、化学击穿 （一）电击穿理论 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。 固体介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子）， 它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子） 不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞 时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子 ）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩， 破坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。
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液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用 的最多的液体介质是变压器油以及电容器油和电缆油。用作 内绝缘的固体介质常见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等。 以及用于制造绝缘子的电瓷、玻璃和硅橡胶等。
第三章 液体和固体电介质的击穿 特性
在本章中将扼要介绍液体个固体介质的主要电气参数和 基本概念以及它们在温度、湿度、电场强度、频率、电压类 型等因素影响下的变化规律
杂介质电导（或介质损耗）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，其击穿场强一般可达105～106kV/m，比热击穿时的击 穿场强高很多，后者仅为103～104kV/m。
电击穿的主要特征为：击穿电压几乎与周围环境温度无关 ；除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关系 不大；介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电压有显著影 响。
在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无 屏障时的2倍或更高；在稍不均匀电场中，也能使击穿电压提高25% 或更多。所以在电力变压器、油断路器、充油套管等设备中广泛采 用着“油-屏障”绝缘。当屏障表面与电力线垂直时，效果最好。所 以变压器中的屏障往往做成圆筒或角垫圈的形式。
油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘结构，以变 压器油作为主要介质，在油隙中放置若干屏障以改善油隙中电场分 布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高到30% ～ 50%。
液体电介质的作用：绝缘、散热、灭弧 主要的液体电介质：从石油中提炼出来的由各种碳氢化合物组成的 矿物油；人工合成的液体介质。 一、液体电介质的击穿机理 电击穿——纯净的液体 气泡击穿——杂质 1、电击穿过程——电子碰撞游离过程 当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射的电子将被电场加 速而具有足够的动能，在碰撞液体分子时可能引起电离，使电子数 加倍，形成电子崩。与此同时由碰撞电离产生的正离子将在阴极附 近集结形成空间电荷层，增强了阴极附近的电场，使阴极发生的电 子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流回急剧增大 ，从而导致液体介质的击穿。
240 160 80 0 100 102
d=6.35mm d=25.4mm 104 106 t(μs)
油隙的击穿电压会随着电压作用时间的增加而下降， 外加电压时间还会影响油的击穿性质。如图电压作用时间 为数百微妙前，杂质的影响没有显示出来，为电击穿。这 时影响因素主要是电场均匀度。时间更长，杂质开始聚集 ，油隙的击穿开始出现热过程，为热击穿。
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（1）如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串 联，由于纤维εr 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电 场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，这样下去点：在均匀电场中，当 工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋 即消失，油又恢复其电气强度；电压再增油中又可能出现火 花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定 的击穿。
纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中电子 碰撞游离的理论有些相似。但纯净液体的击穿场强要比气体介 质高得多（约高一个数量级）。
由电击穿理论知 ：纯净液体的密度增加时，击穿场强会 增大；温度升高时液体膨胀击穿场强会下降；由于电子崩的 产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很 短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于 工频击穿场强。
2、温度 变压器油的击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场均匀度、 油的品质以及电压类型的不同而异。 均匀电场油间隙时，在干燥油中随温度升高，击穿电压略有下 降，符合前述的电子碰撞电离。潮湿的油温度由0℃开始 上升时， 一部分水分从悬浮状态转为害处较小的溶解状态，使击穿电压上升 ；超过80 ℃后，水开始汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而 在60 ℃～80℃间出现最大值。 在极不均匀电场中，随着油温的上升击穿电压稍有下降，电压 的下降可用电子碰撞电离理论来说明，水滴等杂质不影响极不均匀 电场中的工频击穿电压。 不论在均匀电场中还是不均匀电场中，随着温度的上升，冲击 击穿电压均单调地稍有下降。这也可借助电子碰撞电离理论来加以 解释，而水滴等杂质的影响很小，因为在冲击电压作用下来不及形 成杂质小桥。
固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局部放电 等原因，使绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电 化学击穿。在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击 穿形式完成，也可以因劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。
电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切，但也因 介质种类的不同而异。通常无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。
2、气泡击穿理论 在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 εr 成 反比的。由于气泡的εr 最小（≈1），其电气强度又比液体介 质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体 积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带 电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大 。如果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。 如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体 的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆 中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强 气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释 工程用变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质（主 要有气体、纤维和水分）的，这些杂质的介电常数和电导率 均与变压器油不同，从而会畸变油中电场，影响油的击穿。 由于水和纤维的 εr 很大，很易沿电场方向极化定向，并 排列成杂质小桥。这时会发生两种情况： （1）杂质小桥尚未接通电极。 （2）杂质小桥接通电极。
电化学击穿的击穿电压比热击穿和电击穿的击穿电压低，击穿 时间很长。
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三、提高液体介质击穿电压的方法 5、压力 无论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总 是随油压的增大而增大，这是因为油中气泡的电离电压增高和 气体在油中溶解度增大的缘故。但经过脱气处理的油，其工频 击穿电压就几乎与油压无关。 由于油中气泡等杂质不影响冲击击穿电压，故油压大小也不 影响冲击击穿电压。 对工程用油来说，应设法减少杂质的影响。通常采用过滤 、防潮、祛气等方法来提高油的品质，在绝缘设计中则可利用 “油—屏障”式绝缘来减少杂质的影响，这些措施都能显著提 高油隙的击穿电压 1、减少液体介质中的杂质 1）过滤——杂质被滤纸除去 2）祛气——加热除去油中的气体 3）防潮——在制造、检修及运行中注意去除油中的水分
1、电压的作用时间 在电化学击穿中，还有一种树枝化放电情况，这通常发生在有 机绝缘材料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空 气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树 枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹， 这就是树枝化放电劣化。 如果电压作用时间很短（例如 0.1s以下），固体介质的击穿往 往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击 穿电压下降，如果在加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。不过二者有时很难分清例如在工频交流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。
（2）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，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也 会出现气体小桥，使油隙发生击穿。
判断油的质量，重要依靠则量其电气强度、tgδ和含水 量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频 击穿电压。我国采用的标准油杯极间距离为2.5m，电极是 直径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为 2.5mm的半圆以减弱边缘效应。
4、电压作用时间
Ub(kV) 320
d
=64 =152
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。品质差的油改善电场 对于提高工频击穿电压的效果也差。冲击电压下，由于杂质来不及 形成小桥，故改善电场总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。