液体固体电介质特性三.pptx
1上一讲回顾电介质中的物理过程极化电导损耗tg（设计绝缘时需要控制的参量）液体电介质的击穿电击穿理论小桥效应工程中的液体电介质第第2页页/共共43页页第1页/共43页2n气气、固固、液液三三种种电电介介质质中中，固固体体密密度度最最大大，耐耐电电强强度度最高最高空气的耐电强度一般在空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右；左右；液体的耐电强度在液体的耐电强度在10 20 kV/mm；固体的耐电强度在十几固体的耐电强度在十几 几百几百kV/mmn固固体体电电介介质质的的击击穿穿过过程程最最复复杂杂，且且击击穿穿后后是是唯唯一一不不可可恢复的绝缘恢复的绝缘n普普遍遍规规律律：任任何何介介质质的的击击穿穿总总是是从从电电气气性性能能最最薄薄弱弱的的缺缺陷陷处处发发展展起起来来的的，这这里里的的缺缺陷陷可可指指电电场场的的集集中中，也也可可指介质的不均匀性指介质的不均匀性2.3 固体电介质的击穿第第3页页/共共43页页第2页/共43页3第第4页页/共共43页页第3页/共43页4一、固体电介质的击穿过程1.固固体体电电介介质质击击穿穿特特性性的的划划分分区区 域域 A：击击 穿穿 时时 间间 小小 于于10 s 的的区区域域，此此范范围围内内击击穿穿电电压压随随击击穿穿时时间间的的缩缩短短而而提提高高。类类似似于于气气体体介介质质击击穿的伏秒特性穿的伏秒特性区区 域域 B：击击 穿穿 时时 间间 在在10 0.2 s范范围围的的区区域域，此此范范围围内内击击穿穿电电压压恒恒定定，与与时时间无关间无关这这两两个个区区域域内内的的击击穿穿都都具具有电击穿的性质有电击穿的性质电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 第第5页页/共共43页页第4页/共43页5区区域域C：击击穿穿电电压压随随击击穿穿前前时时间间的的增增加加而而明明显显下下降降，具有热击穿的特点具有热击穿的特点区域区域D：C区以外区以外电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 A、B 区：属于电击穿 C 区：属于热击穿 D 区：为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年 第第6页页/共共43页页第5页/共43页6n机机理理：建建立立在在碰碰撞撞电电离离基基础础上上，少少量量传传导导电电子子，在在电电场场加加速速下下与与晶晶格格结结点点上上的的原子碰撞，最终导致击穿原子碰撞，最终导致击穿二、二、击穿理论击穿理论（一）电击穿理论（一）电击穿理论第第7页页/共共43页页第6页/共43页7碰撞电离引起击穿的两种理论碰撞电离引起击穿的两种理论固有击穿理论单位时间内传导电子从电场获得的能量与因碰撞而失去的能量不平衡，能量堆积（超过电离能）而引起击穿A(E,T0)=B(,T0)A(E,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量E：电场，：电场，：标志电子的状态因子，：标志电子的状态因子，T0：晶格温度：晶格温度电子崩击穿理论传导电子由电场得到了可使晶格原子电离的能量，产生了电子崩，当电子崩发展到足够强时（d足够大），引起固体介质击穿第第8页页/共共43页页第7页/共43页8n时间影响：时间影响：电压作用时间短，击穿电压高电压作用时间短，击穿电压高n介介质质特特性性：如如果果介介质质内内含含气气孔孔或或其其它它缺缺陷陷，对对电电场场造造成畸成畸 变，导致介质击穿电压降低变，导致介质击穿电压降低 n电场均匀度：电场均匀度：电场的均匀程度影响极大电场的均匀程度影响极大 n累累积积效效应应：在在极极不不均均匀匀电电场场及及冲冲击击电电压压作作用用下下，介介质质有有明明显显的的不不完完全全击击穿穿现现象象，导导致致绝绝缘缘性性能能逐逐渐渐下下降降，称称为为累累积积效效应应。介介质质击击穿穿电电压压会会随随冲冲击击电电压压施施加加次次数数的增多而下降的增多而下降n无无关关因因素素：击击穿穿电电压压和和介介质质温温度度、散散热热条条件件、介介质质厚厚度、频率等因素都无关度、频率等因素都无关电击穿的特点电击穿的特点第第9页页/共共43页页第8页/共43页9击穿理论击穿理论（二）热击穿理论（二）热击穿理论机理：介质内部发热和散热的不平衡导致。介质温度升高，引起介质分解、炭化，最终导致击穿。特点：与电压作用时间有关；与发热和散热条件有关；当电压频率增大时，击穿电压将下降。第第10页页/共共43页页第9页/共43页10热击穿热击穿A范围：范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质B范范围围：温温度度超超过过某某临临界界值值后后，击击穿穿电电压压随随介介质质温温度度的的升高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程升高而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系 第第11页页/共共43页页第10页/共43页11热击穿的理论分析热击穿的理论分析电压：电压：U1U2U3曲曲线线1,2,3 1,2,3：电电介介质质发发热热量量Q与与介介质质中中最最高高温温度度tm的的关关系系 直直线线4 4：表表示示固固体体介介质质中中最最高高温温度度大大于于周周围围环环境境温温度度t0 时，散出的热量时，散出的热量Q与介质中最高温度与介质中最高温度tm的关系的关系 不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 第第12页页/共共43页页第11页/共43页12曲线曲线 1 1：发发热热永永远远大大于于散散热热，介介质质温温度度将将不不断断升升高高，在在电电压压U1下最终必定发生热击穿下最终必定发生热击穿不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 第第13页页/共共43页页第12页/共43页13曲线曲线 3 3：t t ta ta 时时：曲曲线线在在直直线线4 4之之下下，不不发发生生热热击击穿穿，介介质质温温度度逐逐渐渐升升高高并并稳稳定定在在tata，称，称tata为稳定热平衡点为稳定热平衡点ttb ttb 时时：情情况况类类似似曲曲线线1 1，最终发生热击穿，最终发生热击穿t=tb t=tb 时时：发发热热等等于于散散热热，但但因因扰扰动动使使t t大大于于tbtb，则则介介质质温温度度上上升升，回回不不到到tbtb，直直至至热热击击穿穿。称称tbtb为为不不稳稳定热平衡点定热平衡点 tattbtattb：不不会会发发生生热热击击穿穿，介质温度将稳定在介质温度将稳定在tata不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 第第14页页/共共43页页第13页/共43页14曲线曲线 2 2：与与直直线线4相相切切，U2为为临临界界热热击击穿穿电电压压；tk为为临临界界热热击击穿穿温度温度不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系 第第15页页/共共43页页第14页/共43页15机理：机理：介质劣化的结果。局部放电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。特点：特点：击穿由绝缘性能下降引起，比电击穿和热击穿电压低，可以在工作电压下发生。击穿理论击穿理论（3 3）电化学击穿理论）电化学击穿理论第第16页页/共共43页页第15页/共43页16局部放电的后果局部放电的后果放电过程产生的活性气体放电过程产生的活性气体O3、NO、NO2等对等对介质的氧化、腐蚀作用介质的氧化、腐蚀作用放电过程有带电粒子撞击介质，引起局部温放电过程有带电粒子撞击介质，引起局部温升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增大大带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致带电粒子的撞击还可能切断分子结构，导致介质破坏介质破坏局放对有机介质的影响尤为显著局放对有机介质的影响尤为显著第第17页页/共共43页页第16页/共43页17有机绝缘材料的树老化有机绝缘材料的树老化n树老化类型：树老化类型：电树老化和水树老化电树老化和水树老化n树老化的原因树老化的原因电电离离性性老老化化：该气隙或气泡内容易发生电离。气隙或气泡的电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化等形式)，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作“电树枝”电电导导性性老老化化：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质(例如水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝”第第18页页/共共43页页第17页/共43页18Tree-like树枝状树枝状Bush-like灌木丛状灌木丛状chestnut-like栗子状栗子状树枝老化的一般形状树枝老化的一般形状第第19页页/共共43页页第18页/共43页19电介质中的树枝老化电介质中的树枝老化第第20页页/共共43页页第19页/共43页20 设备中树老化 无法观测 微观形态控制 树枝老化观察 微观形态和树枝 老化二者的观测试品薄膜化控制微观结构绝缘缺陷模拟树枝老化监测树枝老化研究树老化的研究树老化的研究 难点难点 特征特征第第21页页/共共43页页第20页/共43页21三、影响固体电介质击穿电压的因素三、影响固体电介质击穿电压的因素电压作用时间电压作用时间 温度温度 电场均匀程度电场均匀程度 电压种类电压种类累积效应累积效应受潮受潮机械负荷机械负荷二次效应如空间电荷等二次效应如空间电荷等第第22页页/共共43页页第21页/共43页22（1)1)电压作用时间电压作用时间常用固体电介质的工频电气强度与加压时间的关系1聚乙烯2聚四氟乙烯3黄蜡布4硅有机玻璃云母带第第23页页/共共43页页第22页/共43页23（2)2)温度温度小于小于t0 时，属于电击时，属于电击穿穿当温度超过当温度超过t0 值时，值时，温度越高，散热条件越温度越高，散热条件越差，击穿电压越低，此差，击穿电压越低，此时属于热击穿。时属于热击穿。t0 称为称为转折温度转折温度。第第24页页/共共43页页第23页/共43页24（3)3)电场均匀程度电场均匀程度均匀电中，击穿电压较高，而且击穿电压随介质厚度的增加呈线性关系上升；不均匀电场中，击穿电压不随介质厚度的增加呈线性上升可能会出现热击穿，因此介质厚度达到一定程度后，厚度再增加对提高击穿电压意义不大。第第25页页/共共43页页第24页/共43页25（4)4)电压种类电压种类直流击穿电压：高于直流击穿电压：高于工频交流击穿电压，工频交流击穿电压，因为仅有电导损耗因为仅有电导损耗工频交流击穿电压：工频交流击穿电压：高于高频交流击穿电高于高频交流击穿电压，因为极化损耗高压，因为极化损耗高冲击击穿电压：高于冲击击穿电压：高于工频交流击穿电压工频交流击穿电压油浸电工纸板与加压时间的油浸电工纸板与加压时间的关系（关系（25 C）第第26页页/共共43页页第25页/共43页26 （5）累积效应击穿电压随加压次数增加而下降，累积效应局部损伤的扩展。（6）受潮固体电介质受潮后击穿电压会迅速下降。（7）机械负荷当材料出现开裂或微观裂缝（热、化学等作用）时，击穿电压将显著下降。如在这些裂缝中充有污浊物或受潮后，击穿电压下降更多。第第27页页/共共43页页第26页/共43页27提高固体电介质击穿电压的方法提高固体电介质击穿电压的方法改进制造工艺：消除杂质改进绝缘设计：电场均匀改善运行条件：散热、防潮第第28页页/共共43页页第27页/共43页282.4 组合绝缘的电气强度油屏障式绝缘油纸绝缘 击穿场强可达500600kV/cm，大大超过各组成成分的电气强度（油200kV/cm，纸100150kV/cm）第第29页页/共共43页页第28页/共43页292.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损耗第第30页页/共共43页页第29页/共43页302.4.2 组合绝缘中的电场直流电压作用下直流电压作用下电压与电压与电阻成正比，电场与电导率电阻成正比，电场与电导率成反比（与电阻率成正比）成反比（与电阻率成正比）第第31页页/共共43页页第30页/共43页31交流电压作用下交流电压作用下电压与电压与电容成反比，电场与介电常电容成反比，电场与介电常数成反比数成反比第第32页页/共共43页页第31页/共43页32分层绝缘中的电场分配交流条件下油屏障式绝缘1E2第第33页页/共共43页页第32页/共43页33直流条件下电场按电阻率正比分配。电场按电阻率正比分配。（纸）（纸）（油），故（油），故E2E1，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压关于交流耐压（约为直流下的耐压关于交流耐压（约为3）倍。）倍。随着随着d2的加大，的加大，E1持续增大持续增大在油隙中设置多在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。第第34页页/共共43页页第33页/共43页34电缆的绝缘单相圆芯均质电缆第第35页页/共共43页页第34页/共43页35分阶绝缘在r0rr1内在r1r180 90 105 120 130 155 180 180根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计第第41页页/共共43页页第40页/共43页41电介质的耐寒性电介质的耐寒性耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40第第42页页/共共43页页第41页/共43页42(三）环境老化三）环境老化环境老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。其中最主要时光氧老化，如紫外线的照射会使绝缘材料加速老化，有些绝缘材料不宜用于户外日晒雨淋及污秽尘埃的环境。用于湿热地区的材料还应注意其抗生物（昆虫、霉菌）作用的性能。第第43页页/共共43页页第42页/共43页43感谢您的观看！第43页/共43页
