高電壓工程絕緣之液固電介質(zhì)擊穿空間電荷結(jié)構(gòu)_114109574

1、高電壓工程絕緣之 液、固電介質(zhì)電氣性能(Continue)清華大學(xué)電機(jī) 周遠(yuǎn)翔 復(fù)習(xí)、作業(yè)、預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)：4.2.2、4.2.3、4.3-4.7作業(yè)：4-7 、4-10、4-15、4-17、 4-20、4-21、4-27、補(bǔ)充3道（見網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂） 預(yù)習(xí)：5.1、5.2、5.3、5.4218第4章液體、固體電介質(zhì)的電氣性能4.1 電介質(zhì)電氣性能的基本概念4.2 液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗4.3 液體電介質(zhì)的擊穿4.3.1 液體電介質(zhì)的擊穿理論4.3.2 影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素4.3.3 提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法4.4 固體電介質(zhì)的擊穿4.5 電介質(zhì)中的空間電荷4.6 組合絕緣4.7

2、電介質(zhì)的其他性能4.3.1 液體電介質(zhì)的擊穿理論 概述 耐電強(qiáng)度：一般比氣體（空氣）高且具有散熱作用 擊穿理論研究現(xiàn)狀：遠(yuǎn)不及氣體介質(zhì)，尚缺乏完善化 擊穿機(jī)理分類 純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理p 電擊穿理論p 氣泡擊穿理論 （非純凈）工程用液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理341. 純凈液體電介質(zhì)的電擊穿理論 擊穿理論：液體中因強(qiáng)場發(fā)射等原因產(chǎn)生的電子，在電場中被加速，與液體分子發(fā)生碰撞電離 擊穿特點(diǎn)：和長空氣間隙的放電過程很相似2. 純凈液體電介質(zhì)的氣泡擊穿理論 液體電介質(zhì)中氣體產(chǎn)生的原因： 電子電流加熱液體，分解出氣體 電子碰撞液體分子 靜電斥力，電極表面吸附微氣泡表面積累電荷，靜電斥力大于液體表面張力，

3、氣泡體積變大 電極凸起處的電暈引起液體汽化 擊穿理論：由于串聯(lián)介質(zhì)中，場強(qiáng)的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比，氣泡er = 1，小于液體的er ，因而氣泡承擔(dān)比液體更高的場強(qiáng)，而氣體耐電強(qiáng)度又低，所以氣泡先行電離，一旦電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生3. 非純凈液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論 油中雜質(zhì)：水分、固體絕緣材料（如紙、布）脫落纖維、液體本身老化分解 小橋形成：雜質(zhì)在電場力的作用下，在電場方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質(zhì)的“小橋。由于水和纖維的介電常數(shù)分別為81和67，比油的介電常數(shù)2.8大得多，從而這些雜質(zhì)容易極化并在電場方向定向排列成小橋未形成“小橋”形成“小橋”

4、受潮纖維在電極間定向示意圖56未形成“小橋”形成“小橋” 受潮纖維在電極間定向示意圖 小橋發(fā)熱：組成小橋的纖維及水分電導(dǎo)大，從而使泄漏電流增加，并進(jìn)而使小橋強(qiáng)烈發(fā)熱 小橋貫穿：發(fā)熱結(jié)果，使油和水局部沸騰汽化，最后沿此氣橋發(fā)生擊穿油中雜質(zhì)-極化成小橋-小橋發(fā)熱-小橋貫穿 小橋擊穿的特點(diǎn)小橋擊穿 雜質(zhì)的影響巨大 與熱過程緊密相連 與電極形狀和電場的均勻性有關(guān)，電場極不均勻時因擾動而難以形成小橋 長間隙難以形成小橋，但因小橋畸變場強(qiáng)而引起間隙擊 穿電壓降低 小橋的形成和加壓時間及電壓種類有關(guān)，加壓時間長容 易形成 沖擊電壓作用下“小橋”來不及形成 工程液體電介質(zhì)擊穿電壓分散性大：雜質(zhì)小橋的形成具有統(tǒng)

5、計性總體上，液體電介質(zhì)的擊穿理論還很不成熟， 理論上小橋擊穿能夠解釋一定的擊穿規(guī)律，工程實際主要靠試驗數(shù)據(jù)784.3.2 影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素標(biāo)準(zhǔn)油杯：GB/T 5072002油品質(zhì)的表征工頻擊穿電壓，不用擊穿場強(qiáng)電極：球形或球蓋形間距：2.5 mm1. 雜質(zhì)（懸浮水、纖維）水在油中的存在狀態(tài)溶解態(tài)乳濁態(tài)標(biāo)準(zhǔn)油杯及其擊穿電壓擊穿電壓：僅表征品質(zhì)，非計算依據(jù)變壓器油：大于25 kV40 kV變壓器油的工頻擊穿電壓和含水量的關(guān)系對耐壓無影響對耐壓影響大電容器油、電纜油大于50 kV60 kV工程上，液體電介質(zhì)不以電氣強(qiáng)度表征其擊穿性能，而以品質(zhì)來表征其性能優(yōu)劣 影響程度：含水量十萬分之幾即

6、可顯著降低擊穿電壓 油的純凈程度的作用 純凈度較高時：電場越均勻，直流和工頻擊穿電壓越高 品質(zhì)較差油中：雜質(zhì)的聚集和排列畸變電場，電場均勻 性對擊穿電壓的提高作用不明顯910干燥的油受潮的油2. 溫度（受控于溫度的受潮油的擊穿過程）3. 電壓作用時間50 2010Ubp（kV）（峰值） 7009沖擊系數(shù)Kl最小值600850074006300542003100201標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系1- 干燥的油； 2-受潮的油10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102 t（s） 稍不均勻電場中變壓器油的伏秒特性曲線 沖擊電壓下：小橋來不及形成，均勻

7、場可提高擊穿電壓11124. 電場均勻程度 液體電介質(zhì)擊穿電壓的分散性 和電場的均勻程度有關(guān)，電場不均勻程度增加，擊穿電壓的分散性減小 工頻擊穿電壓的分散性在極不均勻電場中常不超過5 而在均勻電場中可達(dá)30405. 壓力 電介質(zhì)品質(zhì)的影響 工程液體電介質(zhì)，因存在氣泡而有影響 極純凈液體影響不明顯 沖擊下：均無影響變壓器油（工程電介質(zhì)）工頻擊穿電壓與壓力的關(guān)系13144.3.3 提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法 應(yīng)對措施 絕緣承受沖擊作用時應(yīng)盡可能使電場均勻 電壓長時間作用時應(yīng)想辦法提高油的品質(zhì)1. 提高以及保持油的品質(zhì) 過濾：濾紙過濾 濾油機(jī)：加熱真空噴霧 吸附劑過濾器：運(yùn)行中保持品質(zhì) 天然水合硅

8、酸鋁 硅膠 活性氧化鋁 鈉氟石阻 2. 復(fù)蓋層:緊貼在金屬電極上的固體絕緣薄層（1 mm）斷 3. 絕緣層：電極表面包覆上較厚的絕緣層（幾十mm）小 4. 屏障：放在電極間的固體絕緣板（還可均勻電場）橋 5. 改善電場分布：沿面放電時，滑閃時第4章液體、固體電介質(zhì)的電氣性能4.1 電介質(zhì)電氣性能的基本概念4.2 液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗4.3 液體電介質(zhì)的擊穿4.4 固體電介質(zhì)的擊穿4.4.1 固體電介質(zhì)的擊穿過程4.4.2 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素4.5 電介質(zhì)中的空間電荷4.6 組合絕緣4.7 電介質(zhì)的其他性能15164.4 固體電介質(zhì)的擊穿 三態(tài)電介質(zhì)的耐電特性 電介質(zhì)

9、擊穿的普遍規(guī)律任何電介質(zhì)的擊穿，總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性 三態(tài)電介質(zhì)的擊穿特性 一般情況下，在氣、液、固三種電介質(zhì)中，對于良好的絕緣體來說固體密度最大，耐電強(qiáng)度也最高 固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣 三態(tài)電介質(zhì)的耐電強(qiáng)度 空氣：一般在3 4 kV/mm其他氣體介質(zhì)的相對電氣強(qiáng)度（與空氣相比較）氣體N2SF6CCl2F2CCl4電氣強(qiáng)度12.32.52.42.66.3液化溫度（1 atm，） -195.8-63.8-2876 液體：一般在10 20 kV/mm 固體：一般在十幾幾百kV/mm17184.4.1

10、 固體電介質(zhì)的擊穿過程1. 固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分（電、熱、老化區(qū)域） 電擊穿區(qū)域：0.2s 電化學(xué)擊穿（老化擊穿）區(qū)域：數(shù)十小時油浸電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)系2. 電擊穿 電擊穿理論的建立：電擊穿理論是建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎(chǔ)上的。固體電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子， 在電場加速下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子碰撞，從而擊穿 擊穿過程電子的能量表達(dá)式*A(E,T0)=B(,T0)A(E,T0)：電場作用下單位時間內(nèi)電子獲得的能量B(,T0)：單位時間內(nèi)電子碰撞損失的能量E ：電場：標(biāo)志電子狀態(tài)的因子T0：晶格溫度1920A(E,T0)=B(,T0) 電擊穿理論分類：電擊穿理論本身又分

11、為兩種解釋碰撞電離的理論，即固有擊穿理論與電子崩擊穿理論 固有擊穿理論：在某一場強(qiáng)值內(nèi)，上述關(guān)系式成立，獲得和失去的能量平衡，超過則不成立，引起破壞，稱之為固有擊穿理論 電子崩擊穿理論：當(dāng)上述平衡破壞后，電子整體上得到加速，與晶格產(chǎn)生碰撞電離，反復(fù)碰撞形成電子崩，電場作用下給電子注入能量激增，導(dǎo)致介質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，稱之為電子崩擊穿理論 電擊穿的特點(diǎn)及其影響因素 時間影響：電壓作用時間短，擊穿電壓高 電場均勻度：電場的均勻程度影響極大 電介質(zhì)特性：如果電介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其它缺陷， 對電場造成畸變，導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿電壓降低 累積效應(yīng)：在極不均勻電場及沖擊電壓作用下， 電介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，不完全擊

12、穿導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降的效應(yīng)稱累積效應(yīng)。電介質(zhì)擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降 無關(guān)因素：一旦發(fā)生電擊穿，擊穿電壓和電介質(zhì)溫度、散熱條件、頻率等因素都無關(guān)21223. 熱擊穿（擊穿電壓與溫度有關(guān)） 在A范圍內(nèi)：電擊穿，擊穿電壓和介質(zhì)溫度無關(guān)U b（kV）（有效值） 在B范圍內(nèi)：熱擊穿，擊穿電壓隨溫度增加而下降50 40 30 A20 B10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 cr()交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系 熱擊穿的物理過程： 由于電介質(zhì)損耗的存在，固體電介質(zhì)在電場中會逐漸發(fā)熱升溫，溫度的升高又會導(dǎo)致固體電介質(zhì)電阻的下降，使電流進(jìn)一步增大，損耗

13、發(fā)熱也隨之增大 在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時，也存在一個通過電極及其它介質(zhì)向外不斷散熱的過程 如果同一時間內(nèi)發(fā)熱超過散熱，則電介質(zhì)溫度會不斷上升，以致引起電介質(zhì)分解炭化，最終擊穿，這一過程稱電介質(zhì)的熱擊穿過程2324 熱擊穿的過程分析 電介質(zhì)發(fā)熱曲線1，2，3對應(yīng)于電壓U 1U 2U 3 直線4散出的熱量Q 與介質(zhì)中溫度tm的關(guān)系 t a ：穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)；t b ：不穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)Q1 234ba0 t0 ta tk tb tm 熱擊穿與絕緣厚度的關(guān)系： 一旦發(fā)生熱擊穿，采取加厚絕緣的辦法往往不能起到提高電介質(zhì)擊穿電壓的作用，因而是不經(jīng)濟(jì)的不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱、散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系254. 電化

14、學(xué)擊穿（電老化）26 概念：在電場的長時間作用下逐漸使電介質(zhì)的物理、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化，最終導(dǎo)致?lián)舸?，這個過程稱電老化擊穿 電（化學(xué)）老化的類型（可歸納成四類（1） 電解性老化：離子性無機(jī)絕緣材料在直流電壓作用下產(chǎn)生, 電解老化（2） 電離性老化（電樹枝老化）（3） 電導(dǎo)性老化（水樹枝老化）（4） 表面漏電起痕與電蝕損：有機(jī)介質(zhì)表面產(chǎn)生的絕緣破壞現(xiàn)象（特殊老化） 樹枝老化是有機(jī)固體電介質(zhì)絕緣故障的普遍形式，產(chǎn)生水樹枝所需場強(qiáng)比電樹枝的低得多電介質(zhì)中的樹枝老化HDPE薄膜中的樹枝形成50 mHDPE樹枝的發(fā)展50 m自 然 冷 卻 施加電壓5 kV(a) 1 min(b) 10 min(c

15、) 40 min(d) 70 min(e) 75 min2728電樹枝老化的一般形狀（IEEE）4.4.2 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓主要因素1. 電壓作用時間2. 溫度3. 電場均勻程度4. 電壓種類5. 局部放電6. 累積效應(yīng)（固體的特有性能）7. 受潮Tree-likeBush-likechestnut-like8. 機(jī)械負(fù)荷樹枝狀灌木叢狀栗子狀其他：二次效應(yīng)如材料的均勻性、雜質(zhì)、空間電荷等2930第4章液體、固體電介質(zhì)的電氣性能4.1 電介質(zhì)電氣性能的基本概念4.2 液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗4.3 液體電介質(zhì)的擊穿4.4 固體電介質(zhì)的擊穿4.5 電介質(zhì)中的空間電荷4.6 組合絕緣

16、4.7 電介質(zhì)的其他性能314.5 電介質(zhì)中的空間電荷電介質(zhì)中空間電荷分布及其對電場分布影響示意圖由于空間電荷的存在，畸變了電介質(zhì)內(nèi)部電場分布，導(dǎo)致絕緣性能下降32第4章液體、固體電介質(zhì)的電氣性能4.1 電介質(zhì)電氣性能的基本概念4.2 液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗4.3 液體電介質(zhì)的擊穿4.4 固體電介質(zhì)的擊穿4.5 電介質(zhì)中的空間電荷4.6 組合絕緣4.6.1 組合絕緣中的電場分布與調(diào)整4.6.2 組合絕緣的電氣性能（自學(xué)）4.7 電介質(zhì)的其他性能4.6 組合絕緣344.6.1 組合絕緣中的電場分布與調(diào)整 交流電壓作用下簡單幾何結(jié)構(gòu)的電場分布與控制 采用均一電介質(zhì)，內(nèi)層絕緣承受的場強(qiáng)比

17、外層絕緣高得多 額定電壓越高，絕緣層越厚， 二者的差別越大 若采用分階絕緣，內(nèi)層用高密度薄紙，er 較大，外層用密度較低的厚紙，er 較小。這樣各階絕緣的利用率都較好，電場分布較為均勻33574321 交流電壓作用下電場控制錐（也稱應(yīng)力錐）的電場分布與調(diào)整 絕緣 層斷口處的電場不僅有垂直于電纜軸向的分量，同時還有沿 軸向即沿電纜長度方向分布的不均勻分量。沿電纜長度方向的電場分 量在絕緣 層斷口處比較集中，達(dá)到最大，該電場分量容易引起絕 緣擊穿 在3.3.4節(jié)中，已經(jīng)介紹了利用電容屏來控制套管的電場分布與調(diào)整。 實際應(yīng)用中，110 kV及以上電壓等級的電纜附件目前有使用電場控制錐結(jié)構(gòu)來改善電纜連

18、接處絕緣 層的電場分布。電場控制錐通過將絕緣 層的切斷處進(jìn)行延伸，使零電位面形成喇叭狀，改善絕緣層 的電場分布 直流電壓作用下組合絕緣中的電場分布 工作在直流電壓下的電纜內(nèi)部電場分布與交流情況不同，場強(qiáng)分布由電阻率決定 采用分階絕緣時，可考慮內(nèi)層用低電阻率的電介質(zhì)，外層用高電阻率的電介質(zhì) 直流電纜的場強(qiáng)分布受線芯和護(hù)套之間溫差的影響 直流電纜的場強(qiáng)分布還受空間電荷的影響絕緣層內(nèi)外不同溫差時直流電纜內(nèi)的穩(wěn)態(tài)電場分布1-線芯溫度等于護(hù)套溫度；2-線芯溫度高于護(hù)套溫度5；3-線芯溫度高于護(hù)套溫度25；4-線芯溫度高于護(hù)套溫度503536第4章液體、固體電介質(zhì)的電氣性能4.1 電介質(zhì)電氣性能的基本概念

19、4.2 液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗4.3 液體電介質(zhì)的擊穿4.4 固體電介質(zhì)的擊穿4.5 電介質(zhì)中的空間電荷4.6 組合絕緣4.7 電介質(zhì)的其他性能4.7 電介質(zhì)的其它性能1. 熱性能2. 機(jī)械性能3. 吸潮性能4. 化學(xué)性能及抗生物性任何一種性能的缺陷最終將導(dǎo)致電性能的大幅下降，甚至無法成為絕緣電介質(zhì)37381. 熱性能（1） 耐熱性耐熱性：指保證電介質(zhì)可靠安全運(yùn)行的最高允許溫度1） 短時耐熱性：在高溫下電介質(zhì)短時發(fā)生損壞的溫度2） 熱劣化與長期耐熱性 熱劣化：電介質(zhì)在稍高的溫度下，長時間后會發(fā)生絕緣性能的不可逆變化 壽命：在一定溫度下，電介質(zhì)不產(chǎn)生熱損壞的時間稱為壽命 長期耐熱性：給定壽命下，電介質(zhì)不產(chǎn)生熱損壞的最高允許溫度（2） 電介質(zhì)的耐熱等級（GB 11021）介質(zhì)熱老化的程度主要決定于溫度及介質(zhì)經(jīng)受熱作用的時間。為此國際電工委員會按照材料的