液体、固体电介质特性.ppt

高电压技术高电压技术1n气、固、液三种电介质中，耐电强度依次为：气、固、液三种电介质中，耐电强度依次为：　空气：一般在　空气：一般在3 — 4 kV/mm左右；左右；　液体：　液体：10 — 20 kV/mm；；　固体：十几　固体：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恢复的绝缘的绝缘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，，也也可可指指介质的不均匀性介质的不均匀性2.3 2.3 固体电介质的击穿固体电介质的击穿2固体击穿特性固体击穿特性固体介质击穿电压与时间变化曲线固体介质击穿电压与时间变化曲线3一、固体电介质的击穿过程一、固体电介质的击穿过程固体电介质击穿特性的划分：固体电介质击穿特性的划分：区区域域A A：：击击穿穿时时间间小小于于1010 s 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缩短而提高的缩短而提高区区域域B B：：击击穿穿时时间间在在1010 范范围围的的区区域域，，击穿电压恒定。

击穿电压恒定这这两两个个区区域域内内的的击击穿穿都都具具有有电电击击穿穿的性质的性质区区域域C C：：击击穿穿电电压压随随击击穿穿前前时时间间的的增加明显下降，具有热击穿的特点增加明显下降，具有热击穿的特点区域区域D D ：：C 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电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 A、、B 区：区：属于属于电击穿电击穿; C 区：区：属于属于热击穿热击穿 D 区：区：为为电化学击穿、电老化电化学击穿、电老化，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年 4u电击穿电击穿理论：基础是发生碰撞电离，类似于气体汤逊理论和液体电击穿理论；u热击穿热击穿理论：介质内部热不平衡；u电化学击穿电化学击穿理论：电介质受电、热、化学和机械力的长期作用二、二、 固体介质击穿理论固体介质击穿理论5n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原子子碰碰撞撞，，最最终终导导致击穿致击穿（一）电击穿理论（一）电击穿理论n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成畸畸变变，导致介质，导致介质击穿电压降低击穿电压降低 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应。

介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降效应介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降n无无关关因因素素：：电电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、、介介质质厚厚度度、、频率等因素都无关频率等因素都无关6碰撞电离引起击穿碰撞电离引起击穿的两种理论的两种理论u固有击穿理论固有击穿理论——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因碰撞而失去的能量不平衡，能能量堆积量堆积（超过电离能）而引起击穿u电子崩击穿理论电子崩击穿理论——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7（二）热击穿理论（二）热击穿理论u机理：介质内部发热和散热的不平衡导致介质内部发热和散热的不平衡导致 电导电流和介质极化引起介损电导电流和介质极化引起介损，使介质发热介质发热，而电导率随温度升高急剧增大，损耗发热进一步增加损耗发热进一步增加如果发热量大发热量大于散热量于散热量，介质温度不断升高，将引起介质分解、炭化，最终导致击穿u特点：击穿电压随环境温度的升高随环境温度的升高按指数规律降低指数规律降低； ① 与电压作用时间有关； ② 与发热和散热条件有关；如介质厚度大，散热困难； ③ 当电压频率增大电压频率增大时，击穿电压将下降下降。

8u机理机理：： 介质劣化的结果介质的局部缺陷区域发生局部放电缺陷区域发生局部放电，这种放电并不立即形成贯穿性通道不立即形成贯穿性通道（不完全击穿），它使介质引起化学离解化学离解，形成树枝状通道树枝状通道，这些树枝状通树枝状通道随时间推移道随时间推移不断伸长不断伸长，使绝缘进一步劣化，最终发展到整个电介质击穿特点：特点：电化学击穿由绝缘性能下降绝缘性能下降引起，因此击穿电压比电击穿和热击穿电压低，不发生在很高电压下，而是在较在较低电压下甚至是工作电压下发生低电压下甚至是工作电压下发生（（3 3）电化学击穿理论）电化学击穿理论9电介质中的树枝老化电介质中的树枝老化10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：：该气气隙隙或或气气泡泡内内容容易易发发生生电电离离，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“电电树树枝枝” 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“水树枝水树枝” 11Tree-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12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u电压作用时间电压作用时间u 温度温度u 电场均匀程度电场均匀程度u 电压种类电压种类u累积效应累积效应u受潮受潮u机械负荷机械负荷u二次效应如空间电荷等二次效应如空间电荷等13 （（1)1)电压作用时间电压作用时间固体介质击穿电压与电压作用时间变化曲线固体介质击穿电压与电压作用时间变化曲线14 （（2)2)温度温度Ø小于小于t0 时时，属于电击穿电击穿Ø当温度超过温度超过t0值时值时，温度越高，散热条件越差，击穿电压越低，此时属于热击穿热击穿。

t0 称为转折温度 15 （（3)3)电场均匀程度电场均匀程度u均匀电场均匀电场中，击穿电压较高，而且击穿电压随介质厚度随介质厚度的增加呈的增加呈线性关系上升线性关系上升u不均匀电场不均匀电场中，击穿电压随介质厚度的增加随介质厚度的增加不呈线性上不呈线性上升升可能会出现热击穿出现热击穿，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 16 （（4)4)电压种类电压种类(固体介质击穿电压)•直流击穿电压﹥工频交流击穿电压【仅有电导损耗】•工频交流击穿电压﹥高频交流击穿电压 【极化损耗高】•冲击击穿电压﹥工频交流击穿电压 （（5）累积效应）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）受潮•固体电介质受潮后击穿电压会迅速下降 （（7）机械负荷）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17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u改进制造工艺：消除杂质u改进绝缘设计：电场均匀u改善运行条件：散热、防潮18组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度u单一电介质往往不能满足多种要求，实际应用中采用多种电介质组合而成。

u不同电介常数的电介质组合在一起构成组合绝缘组合绝缘，当各当各层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，整个组层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，整个组合绝缘的电气强度最高合绝缘的电气强度最高u直流电压下直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻绝缘电阻，各层绝缘承受的电绝缘承受的电压压与其绝缘电阻成正比与其绝缘电阻成正比；【电气强度高、电导率小电导率小的材料用在电场最强处】u交流和冲击电压交流和冲击电压下，绝缘等效为电容电容，各层绝缘承受的绝缘承受的电压电压与其电容成反比与其电容成反比；【电气强度高、介电常数小介电常数小的材料用在电场最强处】192.4.1 2.4.1 组合绝缘中的介电常数和介质损耗组合绝缘中的介电常数和介质损耗以两层介质的平行层状结构为例【电介质界面与等位面重合】组合绝缘的介电常数介电常数组合绝缘的介损角正切介损角正切20公式推导公式推导介损模型（并联模型为例）212.4.2 2.4.2 组合绝缘中的电场组合绝缘中的电场直流电压作用下直流电压作用下——电压电压与与电电阻阻成正比，成正比，电场电场与与电导率电导率成反成反比（与比（与电阻率电阻率成正比）成正比）22交流电压作用下交流电压作用下交流电压作用下交流电压作用下——电压与电压与电容电容成反比，电场与成反比，电场与介电常介电常数数成反比成反比23分层绝缘中的电场分配分层绝缘中的电场分配——交流条件下交流条件下u油1 －屏障2式绝缘u1<2，E1>E2随着随着d2的加大，的加大，E1持续增大持续增大——在油隙中设置多个屏障，在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。

会使油中场强显著增大，反而不利直流条件下直流条件下电场按电场按电阻率正比电阻率正比分配 （纸）（纸）>  （油）（油）→E2>E1，电，电场分配合理同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压等于交场分配合理同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压等于交流耐压（约为流耐压（约为3）倍24电缆的绝缘电缆的绝缘u单相圆芯均质电缆【电介质界面是同心圆】rη越大电场越均匀25分阶绝缘分阶绝缘u在r0

变压器油氧化后酸价升高，颜色逐渐加深颜色逐渐加深，粘度增粘度增大大，绝缘性能降低u固体固体电介质的热老化电介质的热老化主要是由于温度升高温度升高，使固体电介质热裂解、氧化裂解，产生交联，低分子挥发物逸出u表征——机械强度降低，介质失去弹性，变脆，绝缘性能降低——不可逆过程29( (三）环境老化三）环境老化u环境老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐环境老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化雾酸碱等污染性化学老化u其中最主要是其中最主要是光氧老化光氧老化，有些绝缘材料不，有些绝缘材料不宜用于户外日晒雨淋及污秽尘埃的环境宜用于户外日晒雨淋及污秽尘埃的环境。