液體和固體介質(zhì)的擊穿工頻耐壓試驗

模塊五交流耐壓試驗,情境二液體和固體介質(zhì)的擊穿,一、液體介質(zhì)的擊穿機理,主要包括天然礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它們對液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響。,1、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論,（1）電子碰撞游離理論（電擊穿理論）,在外電場足夠強時，電子在碰撞液體分子時可引起游離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時正離子在陰極附近形成空間電荷層增強了陰極附近的電場，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導致液體介質(zhì)擊穿。,課題一液體介質(zhì)的擊穿,（2）氣泡擊穿理論（小橋理論）,液體中出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中場強分布與介質(zhì)r成反比。氣泡的r小，其電氣強度又比液體介質(zhì)低很多，所以氣泡必先發(fā)生游離。氣泡游離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，促使游離進一步發(fā)展。游離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它分解出氣體，導致氣體通道擴大。許多游離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。,2、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點,可用氣泡擊穿理論解釋其過程，依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣泡通道擴大并形成小橋，有熱過程，屬于熱擊穿范疇。,由于水和纖維的r很大，易沿電場方向極化定向，并排列成雜質(zhì)小橋。,如果雜質(zhì)小橋接通電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發(fā)熱會促使汽化，氣泡擴大，發(fā)展下去會出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。,(2)雜質(zhì)小橋尚未接通電極時，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于纖維的r大以及含水分纖維的電導大，使其端部油中電場強度顯著增高并引起游離，于是油分解出氣體，氣泡擴大，游離增強，這樣下去必然會出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。,有兩種情況：,油中受潮水分(r=81)紙布脫落纖維(r=6-7),沿電場極化定向排列,雜質(zhì)小橋,二、影響液體介質(zhì)擊穿電壓因素,1、水分和其他雜質(zhì),雜質(zhì)含量越多、電場越均勻、外加電壓時間越長，雜質(zhì)影響越大。,（1）水分以三種狀態(tài)存在于油中：,溶解態(tài)、懸浮態(tài)和沉渣態(tài),溶解態(tài)和沉渣態(tài)的水對工頻擊穿電壓無影響；,懸浮態(tài)的水易在電場下形成“小橋”，對擊穿電壓影響很大；,變壓器油中含水量超過溶解度50ppm時，含水量Ub迅速,2、油溫,0-60度：溫度水珠溶解度Ub,80度以上：溫度汽化Ub,-5度-0度：冰水、全部懸浮，Ub最低,-5度以下：粘度小橋不易形成Ub,（2）纖維越多，雜質(zhì)小橋越易形成，擊穿電壓越低,（3）氣體含量超過油中溶解度時，將以自由態(tài)出現(xiàn)Ub迅速,有纖維存在時，水分影響特別明顯,3、電場均勻度,電場越均勻雜質(zhì)小橋越易形成，雜質(zhì)對工頻Ub影響越大；優(yōu)質(zhì)油：保持油不變，而改善電場均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質(zhì)差的油：改善電場均勻度對于提高其工頻擊穿電壓的效果較差。,沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油品質(zhì)好壞幾乎無關(guān),4、電壓作用時間,對工程油，其擊穿電壓會隨電壓作用時間的增加而下降，因雜質(zhì)聚集、排列需一定的時間；加電壓時間還會影響油的擊穿性質(zhì)。,5、油壓,不論電場均勻度如何，工業(yè)用變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因為油中氣泡的游離電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故。,油中含氣體時：壓力Ub油(氣體在油中溶解量)油經(jīng)脫氣處理：壓力對Ub油影響較小,三、提高液體擊穿電壓的措施,電壓作用時間為數(shù)十到數(shù)百微秒時，雜質(zhì)的影響還不能顯示出來，仍為電擊穿，擊穿電壓很高。這時影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度；電壓作用時間更長時，雜質(zhì)開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。,當覆蓋的厚度增大到能分擔一定的電壓，即成為絕緣層，一般為數(shù)毫米到數(shù)十毫米，它能降低最大電場強度，提高油隙的工頻擊穿電壓和沖擊擊穿電壓。,（2）絕緣層,2、采用固體介質(zhì)降低雜質(zhì)的影響,機理：阻止雜質(zhì)小橋的形成和發(fā)展,（1）覆蓋,緊緊包在大曲率電極上的薄固體絕緣層。能顯著提高油隙的工頻擊穿電壓，并減小其分散性，其厚度一般只有零點幾毫米。,1、減少液體中的雜質(zhì),過濾、祛氣、防潮,放置層壓紙板或壓布板做屏障。在極不均勻電場中采用屏障可使油隙的工頻擊穿電壓提高到無屏障時的2倍或更高,（3）屏障,一、固體介質(zhì)的擊穿機理,固體介質(zhì)的特點：非自恢復絕緣體,在電場作用下，固體介質(zhì)可能因以下過程而被擊穿：電過程（電擊穿）熱過程（熱擊穿）電化學過程（電化學擊穿）,1、電擊穿理論,強電場作用下的碰撞游離導致的擊穿。,在介質(zhì)電導很小、散熱良好以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局放情況下，固介的擊穿通常為電擊穿，擊穿場強可達105-106kV/m,課題二固體介質(zhì)的擊穿,與周圍環(huán)境溫度無關(guān)；介質(zhì)發(fā)熱不顯著；除時間很短的情況，與電壓作用時間關(guān)系不大；電場均勻程度對擊穿有顯著影響。,電擊穿的主要特點：,2、熱擊穿理論,由于電導存在損耗發(fā)熱TRI損耗發(fā)熱(Q發(fā)Q散)T介質(zhì)分解、劣化擊穿,熱擊穿的主要特點：,擊穿與環(huán)境、電壓作用時間、電源頻率及介質(zhì)本身有關(guān)。擊穿時間較長，擊穿電壓較低。,3、電化學擊穿,固體介質(zhì)在電、熱、化學和機械力長期作用下，會逐漸發(fā)生某些物理化學過程，使其絕緣性能逐漸劣化，這種現(xiàn)象稱為絕緣的老化。由于絕緣的老化而最終導致的擊穿稱為電化學擊穿。,最終可能是電擊穿也可能是熱擊穿。,電化學擊穿特點：,長時間；擊穿電壓低（工作電壓下即可能發(fā)生）,二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的因素,電壓作用時間、E均勻程度、溫度、受潮、累積效應(yīng)等,1、電壓作用時間,不過二者有時很難分清，例如工頻1min耐壓試驗中試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。,2、電場均勻程度,處于均勻電場中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨介質(zhì)厚度的增加近似地成線性增大；,如果電壓作用時間很短(例如0.1s以下)，固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當然較高。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓將下降，如果加壓數(shù)分鐘到數(shù)小時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。,電壓作用時間長達數(shù)十小時甚至幾年才發(fā)生擊穿時，大多屬于電化學擊穿的范疇。,3、溫度,固體介質(zhì)在低于某個溫度下其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時的擊穿場強很高，且與溫度幾乎無關(guān)。超過這個溫度后將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低；如果其周圍媒質(zhì)的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓更低。,常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時即使處于均勻電場中，介質(zhì)內(nèi)部的電場分布也是不均勻的，最大電場強度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。,在不均勻電場中，介質(zhì)厚度增加使電場更不均勻，擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加厚度的意義就更小了。,所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)在制造時要注意除去水分，在運行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。,對聚乙烯、聚四氟乙烯等不易吸潮的中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；容易吸潮的極性介質(zhì)如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓僅為干燥時的百分之幾或更低，因為電導率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。,4、受潮,受潮對固體介質(zhì)Ub的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。,不同的固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級是不同的，因此由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度t0一般也不同。,三、提高Ub措施（自學）,對固體介質(zhì)絕緣材料的電氣設(shè)備進行耐壓試驗時應(yīng)注意：加電壓的次數(shù)和試驗電壓值應(yīng)考慮這種累積效應(yīng)。,5、累積效應(yīng),固體介質(zhì)在不均勻電場中以及在幅值不很高的過電壓、特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時，局部損傷會逐步發(fā)展，稱為累積效應(yīng)。,顯然，它會導致固體介質(zhì)擊穿電壓下降。,模塊五交流耐壓試驗,情境三工頻耐壓試驗,概述,1、試驗?zāi)康模?電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備，其絕緣不僅經(jīng)常受到工作電壓的作用，而且還受到大氣過電壓和內(nèi)部過電壓的侵襲，工頻耐壓試驗是考核設(shè)備絕緣在長時的工作電壓及瞬時的過電壓下是否能可靠運行，是考核絕緣裕度的主要方法，能有效發(fā)現(xiàn)危險的集中性缺陷。通過工頻耐壓試驗可確定設(shè)備的絕緣水平。,2、試驗順序：,屬破壞性試驗，一般放在特性試驗項目合格后進行，以減少或避免不必要損失。,一、工頻高壓的產(chǎn)生,（一）高壓試驗變壓器,1、單臺試驗變壓器：,特點：,(1)電壓高；(2)容量?。涸囼炞儔浩鞲邏簜?cè)電流I和額定容量P主要取決于被試品的電容。,(3)體積小，高壓套管長、大；,(4)絕緣裕度?。?5)連續(xù)運行時間短，發(fā)熱輕，無冷卻系統(tǒng)；(6)漏抗較大(短路電流較小),結(jié)構(gòu)：,單套管和雙套管兩種（全絕緣，半絕緣）,試驗變壓器的選擇：,（1）電壓滿足：UeUS,（2）容量滿足：PePS,被試品大多為容性的，當知道被試品電容量及試驗電壓時，試驗電流、試驗變壓器和調(diào)壓裝置的容量可按公式計算：,CX是可測的，一般線路絕緣子的CX50PF，高壓套管為50600pF，TV、TA、DL在1001000PF之間，電容式TV在30005000pF，電力變壓器在100015000pF之間。,2、試驗變壓器串級裝置：,試驗電壓超過750kV時，可用幾臺試驗變串接起來。,方法是將高壓繞組串聯(lián)起來，如自耦式聯(lián)接，高一級變壓器的激磁電流由前一級變壓器高壓繞組的一部分（累接繞組）供給。,T1高壓繞組2的一端和油箱相連接地，另一端通過累接繞組3給T2低壓繞組1供電，T2的油箱與T1高壓繞組2的輸出端同為U2，所以T2油箱必須用絕緣支柱Z與地絕緣起來。由于T2低壓繞組對地電位也抬高到U2，因而T2的內(nèi)絕緣（高、低壓繞組及高壓對鐵芯、油箱間）水平僅需U2，而不是輸出電壓2U2。,雖然T1、T2電壓等級相同，但容量和高壓繞組結(jié)構(gòu)不同，不能互換。,T2容量：P2U3I3U2I2,T1容量：P1U1I1U2I2U3I32U2I2,整套串級裝置容量為：PP1P23U2I2,輸出容量為：P2U2I2,因而利用率PP23,對n級裝置，其容量利用率為2(n1),可見，試驗變臺數(shù)越多越低，因而很少采用n3的方案。,（二）串聯(lián)諧振高壓發(fā)生裝置,對大容量試品如長電纜、變壓器、發(fā)電機等做工頻耐壓試驗，所需試驗電源容量較大，采用串聯(lián)諧振高壓發(fā)生裝置可使電源容量和電壓降低，且諧波小、電壓波形好。,二、試驗接線,保護球隙G；保護電阻R1、R2,高壓側(cè)電壓可用電容分壓器配合低壓儀表PV1、高壓靜電電壓表PV2或測量球隙G來測量。,輸出電壓應(yīng)能在很大范圍內(nèi)均勻調(diào)節(jié)，所以低壓繞組應(yīng)由調(diào)壓器供電。,G還可作為保護球隙，其放電電壓應(yīng)整定為試驗電壓的1.1倍左右。,被試品容量不大或要求不高時，可以在低壓側(cè)用PV3測量。,型式：自耦，移圈式、接觸式，感應(yīng)調(diào)壓，電動發(fā)電機組,特點：,自耦調(diào)壓器的漏抗小、波畸變小、容量有限，升壓不均勻；,移圈式調(diào)壓器的漏抗大、波形畸變大；容量大、調(diào)壓均勻；,對調(diào)壓裝置的要求：,能從0開始、均勻調(diào)壓、輸出標準正弦波、正負半波相同。,三、交流調(diào)壓裝置,接觸調(diào)壓式屬自耦式，電刷（銀銅合金）沿繞組繞向螺旋式升降，波形畸變小，容量大、調(diào)壓均勻，可從零開始升壓。,四、工頻耐壓試驗電壓及判斷標準,工頻耐壓試驗值需要滿足內(nèi)過電壓的要求，按照電氣設(shè)備在運行中可能遇到的各種過電壓和長期運行工作電壓來決定，此值也稱為電氣設(shè)備的絕緣水平。,國標規(guī)定：在設(shè)備絕緣上加工頻試驗電壓1min，不發(fā)生閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象，認為設(shè)備合格，否則不合格。,10kV變壓器：出廠試驗35kV，預(yù)試30kV；,35kV變壓器：出廠試驗85kV，預(yù)試72kV,發(fā)電機：出廠試驗=2Un3kV；預(yù)試：1.31.5Un,五、交流高壓的測量,1、低壓側(cè)測量,電容效應(yīng)（容升現(xiàn)象）的影響使測量結(jié)果不準。,容升現(xiàn)象：由于試品容性電流在回路漏抗上的壓降，使得試品上的電壓高于試驗變二次側(cè)電壓的現(xiàn)象。,由于電容效應(yīng)的影響，試品上的工頻高壓一般要求在高壓側(cè)直接測量。,防止措施：,2、高壓側(cè)測量：,(1)直接測量：高壓靜電電壓表、電容