第三章液体和固体电介质的击穿特性2018ppt课件.ppt

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1、第三章第三章 液体和固体电介质的击穿液体和固体电介质的击穿特性特性耐电强度：耐电强度：比气体高，且具有绝缘、散热冷却比气体高，且具有绝缘、散热冷却和灭弧作用。和灭弧作用。和固体电介质一道使用，可填充固体电介和固体电介质一道使用，可填充固体电介质的空隙，提高绝缘的局部放电起始电压和电质的空隙，提高绝缘的局部放电起始电压和电气强度。气强度。分类：分类：一类从石油中提炼出来的矿物油，如变一类从石油中提炼出来的矿物油，如变压器油、电容器油、电缆油；一类是人工合成压器油、电容器油、电缆油；一类是人工合成的液体介质，如硅油，十二烷基苯和聚丁烯。的液体介质，如硅油，十二烷基苯和聚丁烯。目前使用最广泛的是矿物

2、油。目前使用最广泛的是矿物油。一、液体介质的击穿机理一、液体介质的击穿机理击穿理论研究现状：击穿理论研究现状：远不及气体介质击穿机理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。研究，目前尚缺乏完善的击穿理论。按击穿机理分类：按击穿机理分类：纯净的和工程用纯净的和工程用(非纯净非纯净)。液体电介质击穿形式：液体电介质击穿形式：（1）电击穿（纯净液体电介质）电击穿（纯净液体电介质）（2）气泡击穿）气泡击穿工程用的液体电介质的击穿：工程用的液体电介质的击穿：可能发生电击穿，可能发生电击穿，也可能气泡击穿也可能气泡击穿（一）电击穿过程（一）电击穿过程液体中因强场发射等原因产生的电子在电场中被

3、加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。速，与液体分子发生碰撞电离。使电子数倍增，形使电子数倍增，形成成电子崩电子崩。导致液体介质击穿。导致液体介质击穿。因液体介质的密度比气体大得多，分子间的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，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。所以其击穿场强比气体高很多。纯纯净净油油的的电电气气强强度度：相相当当高高，可可达达8001000kV/cm，但但提取工艺相当复杂。提取工艺相当复杂。电电气气设设备备在在制制造造过过程程中中难难免免混混入入杂杂质质，运运

4、行行中中也也会会老老化化而而分分解解出出气气体体和和聚聚合合物物（蜡蜡状状物物）。因因此此，工工程程上上用的绝缘油总是含有一些用的绝缘油总是含有一些气体气体和和杂质杂质。非纯净液体电介质（工程用液体电介质）（二）气泡击穿过程二）气泡击穿过程油中杂质：油中杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。落纤维、液体本身老化分解。小桥形成：小桥形成：由于水和纤维的介电常数分别为由于水和纤维的介电常数分别为81和和67，比油的介电常数，比油的介电常数1.82.8大得大得 多，从而这些多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。杂质容易极化并在电

5、场方向定向排列成小桥。受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图油中受潮油中受潮水分水分(r=81)纸布脱落纸布脱落纤维纤维(r=67)沿电场极化沿电场极化定向排列定向排列杂质杂质“小桥小桥”“杂质小桥杂质小桥”贯通两电极贯通两电极“杂质小桥杂质小桥”未贯通未贯通两电极两电极受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图 如如果果杂杂质质小小桥桥接接通通电电极极，因因其其电电导导大大而而导导致致泄泄漏漏电电流流增增大大，发发热热会会促促使使水水分分汽汽化化，形形成成气气泡泡；气气泡泡扩扩大大，发发展展下下去去会会出出现现气气体体小小桥桥，气气泡泡小小桥桥贯贯穿穿，使使油油隙隙发

6、发生击穿。生击穿。“杂质小桥杂质小桥”贯通两电极贯通两电极桥贯穿：桥贯穿：G水水、G纤纤大大i泄泄发热发热水分汽化，气泡扩大水分汽化，气泡扩大如果油中含有气泡，则他们在电场作用下可直接形成如果油中含有气泡，则他们在电场作用下可直接形成气泡气泡“小桥小桥”，从而导致击穿。，从而导致击穿。小桥击穿的特点：小桥击穿的特点：(1)与热过程紧密相连；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；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：电场小桥的形成和电极形状及电

7、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，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。由于作用时间极短，小桥来不及形成。绝缘外壳黄铜电极标准试油杯（图中尺寸均为标准试油杯（图中尺寸均为mm）油间隙距离2.5mm二、影响液体介质击穿的因素二、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。电压来衡量其品质的好坏。对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为

8、Ub 25kV40kV;对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压一般为一般为Ub 50kV60kV。在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油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。件下油间隙的耐受电压。（一）杂质的影响（一）杂质的影响水分水分：水在变压器油中有三种状态：水在变压器油中有三种状态：（1）溶解状态溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；高度分散、且分布非常均匀；（2）悬浮状态悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。呈水珠状一滴一

9、滴悬浮在油中。（3）沉渣态：沉渣态：沉淀于容器底部沉淀于容器底部 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。成小桥，对击穿电压的影响较大。沉淀于容器底部的沉淀于容器底部的水分不在电场空间内，对油击穿无影响。水分不在电场空间内，对油击穿无影响。若气体和水分溶于液体介质则对若气体和水分溶于液体介质则对Ub影影响不大；响不大；若呈悬浮状态则将形成小桥使若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显明显下降。下降。含水继续增多仅增加几条击穿并联通含水继续增多仅增加几条击穿并联通道，道，Ub不再下降不再下降当有纤维存在时，水分影响特别明

10、显当有纤维存在时，水分影响特别明显（二）温度的影响（二）温度的影响干燥的油受潮的油标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系 干燥油的击穿强度与温度没有多大关系 080，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）（三）电场均匀程度的影响（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。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当电场极不均匀时，杂质对油的击穿电压的影响很小。很小。在在冲击电压冲击电压下，由于杂

11、质来不及形成小桥，故改下，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。的品质好坏几乎无关。（四）电压作用时间（四）电压作用时间无论电场均匀与否，变压器油的击穿电压都随电压作用时无论电场均匀与否，变压器油的击穿电压都随电压作用时间的增大而减小。间的增大而减小。（五）压力的影响（五）压力的影响 不不论论电电场场均均匀匀度度如如何何，工工业业纯纯变变压压器器油油的的工工频频击击穿穿电电压压总总是是随随油油压压的的增增加加而而增增加加，这这是是因因为为油油中中气气泡泡的的电电离离电电压压增增高高和和气气体体

12、在在油油中中的的溶溶解解度度增增大的缘故。大的缘故。油中含气体时：压力油中含气体时：压力 Ub油油(气体在油中溶解量气体在油中溶解量)油经脱气处理：压力对油经脱气处理：压力对Ub油油影响较小影响较小三、减小杂质影响的措施三、减小杂质影响的措施（一）减少液体介质中的杂质（一）减少液体介质中的杂质（1）过滤过滤 使油在连续压力下通过滤油机中的滤纸，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。分和有机酸等也会被滤纸所吸附。三、减小杂质影响的措施三、减小杂质影响的措施（2）祛气祛气 将油加热，

13、喷成雾状，并抽真空，油中将油加热，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。气体的目的。（3）防潮防潮 油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时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。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（二）采用固体电介质降低油中杂质的影响覆盖层：覆盖层：指紧贴在金属电极上的固体绝

14、缘薄层指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层（小于（小于1mm），它的作用主要是使油中的杂质、），它的作用主要是使油中的杂质、水分等形成的水分等形成的“小桥小桥”不能直接与电极接触，从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。中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。绝缘层：绝缘层：指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料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（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用，减小杂质的有害影响，而且它能承

15、担一定的电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀电压，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。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。充油电力设备中很少采用裸导体。屏障：屏障：又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙又称极间障或隔板，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，会发生场

16、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。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变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。屏障绝缘结构。在在气气、液液、固固三三种种电电介介质质中中，固固体体材材料料密密度度最最大大，耐电强度也最高。通常，耐电强度也最高。通常，p空气的耐电强度空气的耐电强度3kV/mm4 kV/mm；p液体的耐电强度液体的耐电强度10kV/mm20 k

17、V/mm；p固体的耐电强度固体的耐电强度几十几十kV/mm几百几百 kV/mm；固体电介质的电气强度固体电介质的电气强度固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不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。可恢复的绝缘。在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：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）电过程（电击穿）t0.2 s 电化学过程（电化学击穿）电化学过程（电化学击穿）数十小时数十小时一、一、固体电介质的击穿机理固体电介质的击穿机理1 电击穿过程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

18、破坏并丧失绝缘性能的现象，电击穿过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，程与气体中相似，碰撞电离碰撞电离形成电子崩。固体电介形成电子崩。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。撞，使其游离产生电子崩，从而引起击穿。条件：条件：介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质的电导很小，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。穿通常为电击穿。电击穿的主要特征：电击穿的主要特征：与周围环境温度有关；与周围

19、环境温度有关；击穿时间很短（击穿时间很短（10 s0.2s)，击穿电压与时间，击穿电压与时间无关；无关；击穿前介质发热不显著；击穿前介质发热不显著；电场均匀程度对击穿有显著影响。电场均匀程度对击穿有显著影响。击击穿穿机机理理：固固体体介介质质会会因因介介质质损损耗耗而而发发热热，如如果果周周围围环环境境温温度度高高，散散热热条条件件不不好好，介介质质温温度度将将不不断断上上升升而而导导致致绝绝缘缘的的破破坏坏，如如介介质质分分解解、熔熔化化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。碳化或烧焦，从而引起热击穿。特特点点：击击穿穿电电压压较较低低,击击穿穿时时间间较较长长，击击穿穿前前介介质质发发热热显显著著

20、；击击穿穿与与环环境境温温度度、电电压压作作用用时时间间、散散热热条条件等关系密切。件等关系密切。2.热击穿过程热击穿过程固固体体介介质质在在电电、热热、化化学学和和机机械械力力的的长长时时间间作作用用下下（作作用用电电压压时时间间长长达达数数十十小小时时乃乃至至几几年年甚甚至至更更长长），逐逐渐渐使使介介质质的的物物理理、化化学学性性能能发发生生不不不不可可可可逆逆逆逆的的的的劣劣劣劣化化化化，其其绝绝缘缘性性能能和和其其他他性性能能也也逐逐渐渐劣劣化化，并并引引起起击击穿穿（电电击击穿穿或或热热击击穿穿）的的现现象象称为称为电化学击穿电化学击穿。3 电化学击穿过程 介介质质内内部部的的缺缺

21、陷陷（如如气气隙隙或或气气泡泡）引引起起的的局局部部放放电电是是介介质质劣劣化化、损损伤伤、电电电电气气气气强强强强度度度度下下下下降降降降的的主主要要原因。原因。电化学1)1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；产生活性气体对介质氧化、腐蚀；2)2)温升使局部介质损耗增加；温升使局部介质损耗增加；3)3)切断分子结构，导致介质破坏。切断分子结构，导致介质破坏。介质的介质的电老化电老化表面漏电起痕与电蚀损电介质中的树枝老化 在在电电化化学学击击穿穿中中，有有一一种种树树枝枝化化放放电电的的情情况况，这这通通常常发发生生在在有有机机绝缘材料的场合。绝缘材料的场合。二、影响固体介质击穿电压的因素二、影响

22、固体介质击穿电压的因素tUb。1min击击穿穿电电压压与与长长时时间间的的击击穿穿电电压压差差不不多多。所所以以通通常常用用1min工工频频试试验验电电压压估估计计固固体体介介质质的的热热击击穿电压。穿电压。1、电压作用时间、电压作用时间浸油电工纸板的击穿电压浸油电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 如如果果电电压压作作用用时时间间很很短短(例例如如0.2s以以下下)，固固体体介介质质的的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随随着着电电压压作作用用时时间间的的增增长长，击击穿穿电电压压将将下下降降，如如果果在在加加电电压压后后数数分

23、分钟钟到到数数小小时时才才引引起起击击穿穿，则则热热击击穿穿往往往起主要作用。往起主要作用。但但两两者者并并无无明明显显的的界界限限。例例如如在在工工频频交交流流1min.耐耐压压试试验验中中的的试试品品被被击击穿穿，常常常常是是电电和和热热双双重重作作用用的的结果。结果。电电压压作作用用时时间间长长达达数数十十小小时时甚甚至至几几年年才才发发生生击击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。穿时，大多属于电化学击穿的范畴。周围环境温度小于周围环境温度小于t0时，击穿电压高，且与温度时，击穿电压高，且与温度无关，属于电击穿。在温度高于无关，属于电击穿。在温度高于t0时，击穿电压随温时，击穿电压随温度的升

24、高而迅速下降，属于热击穿。临界温度度的升高而迅速下降，属于热击穿。临界温度t0不是不是该固体介质固有的物理常数，而是随固体介质的厚度、该固体介质固有的物理常数，而是随固体介质的厚度、冷却条件和所加电压等因素而变化。冷却条件和所加电压等因素而变化。2、温度、温度工频电压下电瓷的击工频电压下电瓷的击穿电压与温度的关系穿电压与温度的关系在均匀电场中，在电击穿的范围内，击穿电压随固体介质在均匀电场中，在电击穿的范围内，击穿电压随固体介质厚度近似呈线性关系增大；在热击穿的范围内，击穿电压随介厚度近似呈线性关系增大；在热击穿的范围内，击穿电压随介质厚度的增大而增大，但增大程度减小。质厚度的增大而增大，但增

25、大程度减小。在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不均匀，击穿电在不均匀电场中，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。热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。3、电场均匀程度、电场均匀程度直流击穿电压比工频击穿电压（幅值）高。而交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流电压下，工

26、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。生电击穿，因此击穿电压比工频交流和直流下都高。4、电压种类、电压种类固体电介质属于非自恢复绝缘，在极不均匀电场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，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，那么在多次施加同样电压时，绝缘的损伤会逐

27、步积累，其击穿电压也会降低，这种现象称为累积效应。其击穿电压也会降低，这种现象称为累积效应。5、累积效应、累积效应固体电介质受潮后其击穿电压的下降程度与材料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。烘干，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。6、受潮、受潮 机械应力可能使某些原来较完整的电介质产生开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。缝内，从而使击穿电压下降。7、机械负荷、机械负荷三、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）改善运行条件注意防潮、防尘污，加强散热冷却，避免过负荷运行作业三P69 3-2、3-6、3-9