液體固體電介質(zhì)特性三

1上一講回顧電介質(zhì)中的物理過(guò)程極化電導(dǎo)損耗——tg（設(shè)計(jì)絕緣時(shí)需要控制的參量）

液體電介質(zhì)的擊穿電擊穿理論小橋效應(yīng)——工程中的液體電介質(zhì)第2頁(yè)/共43頁(yè)第1頁(yè)/共43頁(yè)第一頁(yè)，共44頁(yè)。2 氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度最高空氣的耐電強(qiáng)度一般在3—4kV/mm左右；液體的耐電強(qiáng)度在10—20kV/mm；固體的耐電強(qiáng)度在十幾—幾百kV/mm 固體電介質(zhì)的擊穿過(guò)程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣 普遍規(guī)律：任何介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來(lái)的，這里的缺陷可指電場(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性2.3固體電介質(zhì)的擊穿第3頁(yè)/共43頁(yè)第2頁(yè)/共43頁(yè)第二頁(yè)，共44頁(yè)。3第4頁(yè)/共43頁(yè)第3頁(yè)/共43頁(yè)第三頁(yè)，共44頁(yè)。4一、固體電介質(zhì)的擊穿過(guò)程1.固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分

區(qū)域A：擊穿時(shí)間小于10s

的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓隨擊穿時(shí)間的縮短而提高。類(lèi)似于氣體介質(zhì)擊穿的伏秒特性

區(qū)域B：擊穿時(shí)間在100.2s范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時(shí)間無(wú)關(guān)這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的擊穿都具有電擊穿的性質(zhì) 電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系

第5頁(yè)/共43頁(yè)第4頁(yè)/共43頁(yè)第四頁(yè)，共44頁(yè)。5

區(qū)域C：擊穿電壓隨擊穿前時(shí)間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點(diǎn)

區(qū)域D

：C區(qū)以外電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系

A、B區(qū)：屬于電擊穿

C區(qū)：屬于熱擊穿

D區(qū)：為電化學(xué)擊穿、電老化，擊穿時(shí)間在幾十個(gè)小時(shí)以上，甚至幾年

第6頁(yè)/共43頁(yè)第5頁(yè)/共43頁(yè)第五頁(yè)，共44頁(yè)。6機(jī)理：建立在碰撞電離基礎(chǔ)上，少量傳導(dǎo)電子，在電場(chǎng)加速下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子碰撞，最終導(dǎo)致?lián)舸┒舸├碚摗ㄒ唬╇姄舸├碚摰?頁(yè)/共43頁(yè)第6頁(yè)/共43頁(yè)第六頁(yè)，共44頁(yè)。7碰撞電離引起擊穿的兩種理論固有擊穿理論——單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場(chǎng)獲得的能量與因碰撞而失去的能量不平衡，能量堆積（超過(guò)電離能）而引起擊穿A(E,α,T0)=B(α,T0)

A(E,α,T0)：電場(chǎng)作用下單位時(shí)間內(nèi)電子獲得的能量

B(α,T0)：電場(chǎng)作用下單位時(shí)間內(nèi)電子碰撞損失的能量

E：電場(chǎng)，α：標(biāo)志電子的狀態(tài)因子，T0：晶格溫度電子崩擊穿理論——傳導(dǎo)電子由電場(chǎng)得到了可使晶格原子電離的能量，產(chǎn)生了電子崩，當(dāng)電子崩發(fā)展到足夠強(qiáng)時(shí)（d足夠大），引起固體介質(zhì)擊穿第8頁(yè)/共43頁(yè)第7頁(yè)/共43頁(yè)第七頁(yè)，共44頁(yè)。8

時(shí)間影響：電壓作用時(shí)間短，擊穿電壓高

介質(zhì)特性：如果介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其它缺陷，對(duì)電場(chǎng)造成畸變，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低

電場(chǎng)均勻度：電場(chǎng)的均勻程度影響極大

累積效應(yīng)：在極不均勻電場(chǎng)及沖擊電壓作用下，介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降，稱(chēng)為累積效應(yīng)。介質(zhì)擊穿電壓會(huì)隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降

無(wú)關(guān)因素：擊穿電壓和介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素都無(wú)關(guān)電擊穿的特點(diǎn)第9頁(yè)/共43頁(yè)第8頁(yè)/共43頁(yè)第八頁(yè)，共44頁(yè)。9擊穿理論——（二）熱擊穿理論機(jī)理：介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱和散熱的不平衡導(dǎo)致。介質(zhì)溫度升高，引起介質(zhì)分解、炭化，最終導(dǎo)致?lián)舸?。特點(diǎn)：與電壓作用時(shí)間有關(guān)；與發(fā)熱和散熱條件有關(guān)；當(dāng)電壓頻率增大時(shí)，擊穿電壓將下降。第10頁(yè)/共43頁(yè)第9頁(yè)/共43頁(yè)第九頁(yè)，共44頁(yè)。10

熱擊穿

A范圍：擊穿電壓和介質(zhì)溫度無(wú)關(guān)，屬于電擊穿性質(zhì)

B范圍：溫度超過(guò)某臨界值后，擊穿電壓隨介質(zhì)溫度的升高而下降，表明擊穿已涉及到明顯的熱過(guò)程交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系第11頁(yè)/共43頁(yè)第10頁(yè)/共43頁(yè)第十頁(yè)，共44頁(yè)。11

熱擊穿的理論分析

電壓：U1＞U2＞U3

曲線1,2,3：電介質(zhì)發(fā)熱量Q與介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系

直線4：表示固體介質(zhì)中最高溫度大于周?chē)h(huán)境溫度t0

時(shí)，散出的熱量Q與介質(zhì)中最高溫度tm的關(guān)系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

第12頁(yè)/共43頁(yè)第11頁(yè)/共43頁(yè)第十一頁(yè)，共44頁(yè)。12

曲線1：

發(fā)熱永遠(yuǎn)大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷升高，在電壓U1下最終必定發(fā)生熱擊穿不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系第13頁(yè)/共43頁(yè)第12頁(yè)/共43頁(yè)第十二頁(yè)，共44頁(yè)。13

曲線3：

tta時(shí)：曲線在直線4之下，不發(fā)生熱擊穿，介質(zhì)溫度逐漸升高并穩(wěn)定在ta，稱(chēng)ta為穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)

t>tb時(shí)：情況類(lèi)似曲線1，最終發(fā)生熱擊穿

t=tb時(shí)：發(fā)熱等于散熱，但因擾動(dòng)使t大于tb，則介質(zhì)溫度上升，回不到tb，直至熱擊穿。稱(chēng)tb為不穩(wěn)定熱平衡點(diǎn)

ta<t<tb：不會(huì)發(fā)生熱擊穿，介質(zhì)溫度將穩(wěn)定在ta不同外施電壓下介質(zhì)發(fā)熱散熱與介質(zhì)溫度的關(guān)系第14頁(yè)/共43頁(yè)第13頁(yè)/共43頁(yè)第十三頁(yè)，共44頁(yè)。14

曲線2：

與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓；tk為臨界熱擊穿溫度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

第15頁(yè)/共43頁(yè)第14頁(yè)/共43頁(yè)第十四頁(yè)，共44頁(yè)。15機(jī)理：介質(zhì)劣化的結(jié)果。局部放電使介質(zhì)引起化學(xué)離解，形成樹(shù)枝狀通道，這些樹(shù)枝狀通道，隨時(shí)間推移不斷伸長(zhǎng)，使絕緣進(jìn)一步劣化，最終發(fā)展到整個(gè)電介質(zhì)擊穿。特點(diǎn)：擊穿由絕緣性能下降引起，比電擊穿和熱擊穿電壓低，可以在工作電壓下發(fā)生。擊穿理論——（3）電化學(xué)擊穿理論第16頁(yè)/共43頁(yè)第15頁(yè)/共43頁(yè)第十五頁(yè)，共44頁(yè)。16局部放電的后果放電過(guò)程產(chǎn)生的活性氣體O3、NO、NO2等對(duì)介質(zhì)的氧化、腐蝕作用放電過(guò)程有帶電粒子撞擊介質(zhì)，引起局部溫升，加速介質(zhì)氧化并使局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增大帶電粒子的撞擊還可能切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞局放對(duì)有機(jī)介質(zhì)的影響尤為顯著第17頁(yè)/共43頁(yè)第16頁(yè)/共43頁(yè)第十六頁(yè)，共44頁(yè)。17有機(jī)絕緣材料的樹(shù)老化樹(shù)老化類(lèi)型：電樹(shù)老化和水樹(shù)老化樹(shù)老化的原因

電離性老化：該氣隙或氣泡內(nèi)容易發(fā)生電離。氣隙或氣泡的電離，造成鄰近絕緣物的分解、破壞(表現(xiàn)為變酥、炭化等形式)，并沿電場(chǎng)方向逐漸向絕緣層深處發(fā)展，在有機(jī)絕緣材料中會(huì)呈樹(shù)枝狀發(fā)展，稱(chēng)作“電樹(shù)枝”

電導(dǎo)性老化：在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)(例如水)，當(dāng)該處場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)某定值時(shí)，該液體會(huì)沿電場(chǎng)方向逐漸深入到絕緣層中，形成近似樹(shù)枝狀的痕跡，稱(chēng)作“水樹(shù)枝”第18頁(yè)/共43頁(yè)第17頁(yè)/共43頁(yè)第十七頁(yè)，共44頁(yè)。18Tree-like樹(shù)枝狀Bush-like灌木叢狀chestnut-like栗子狀樹(shù)枝老化的一般形狀第19頁(yè)/共43頁(yè)第18頁(yè)/共43頁(yè)第十八頁(yè)，共44頁(yè)。19電介質(zhì)中的樹(shù)枝老化第20頁(yè)/共43頁(yè)第19頁(yè)/共43頁(yè)第十九頁(yè)，共44頁(yè)。20設(shè)備中樹(shù)老化無(wú)法觀測(cè)微觀形態(tài)控制樹(shù)枝老化觀察微觀形態(tài)和樹(shù)枝老化二者的觀測(cè)試品薄膜化控制微觀結(jié)構(gòu)絕緣缺陷模擬樹(shù)枝老化監(jiān)測(cè)樹(shù)枝老化研究樹(shù)老化的研究

難點(diǎn)

特征第21頁(yè)/共43頁(yè)第20頁(yè)/共43頁(yè)第二十頁(yè)，共44頁(yè)。21三、影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素 電壓作用時(shí)間 溫度電場(chǎng)均勻程度 電壓種類(lèi) 累積效應(yīng) 受潮 機(jī)械負(fù)荷 二次效應(yīng)如空間電荷等第22頁(yè)/共43頁(yè)第21頁(yè)/共43頁(yè)第二十一頁(yè)，共44頁(yè)。22

（1)電壓作用時(shí)間常用固體電介質(zhì)的工頻電氣強(qiáng)度與加壓時(shí)間的關(guān)系1—聚乙烯2－聚四氟乙烯3－黃蠟布4－硅有機(jī)玻璃云母帶第23頁(yè)/共43頁(yè)第22頁(yè)/共43頁(yè)第二十二頁(yè)，共44頁(yè)。23

（2)溫度小于t0

時(shí)，屬于電擊穿當(dāng)溫度超過(guò)t0

值時(shí)，溫度越高，散熱條件越差，擊穿電壓越低，此時(shí)屬于熱擊穿。t0

稱(chēng)為轉(zhuǎn)折溫度。第24頁(yè)/共43頁(yè)第23頁(yè)/共43頁(yè)第二十三頁(yè)，共44頁(yè)。24

（3)電場(chǎng)均勻程度均勻電中，擊穿電壓較高，而且擊穿電壓隨介質(zhì)厚度的增加呈線性關(guān)系上升；不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓不隨介質(zhì)厚度的增加呈線性上升可能會(huì)出現(xiàn)熱擊穿，因此介質(zhì)厚度達(dá)到一定程度后，厚度再增加對(duì)提高擊穿電壓意義不大。第25頁(yè)/共43頁(yè)第24頁(yè)/共43頁(yè)第二十四頁(yè)，共44頁(yè)。25

（4)電壓種類(lèi)直流擊穿電壓：高于工頻交流擊穿電壓，因?yàn)閮H有電導(dǎo)損耗工頻交流擊穿電壓：高于高頻交流擊穿電壓，因?yàn)闃O化損耗高沖擊擊穿電壓：高于工頻交流擊穿電壓油浸電工紙板與加壓時(shí)間的關(guān)系（25C）第26頁(yè)/共43頁(yè)第25頁(yè)/共43頁(yè)第二十五頁(yè)，共44頁(yè)。26（5）累積效應(yīng)擊穿電壓隨加壓次數(shù)增加而下降，累積效應(yīng)——局部損傷的擴(kuò)展。（6）受潮固體電介質(zhì)受潮后擊穿電壓會(huì)迅速下降。（7）機(jī)械負(fù)荷當(dāng)材料出現(xiàn)開(kāi)裂或微觀裂縫（熱、化學(xué)等作用）時(shí)，擊穿電壓將顯著下降。如在這些裂縫中充有污濁物或受潮后，擊穿電壓下降更多。第27頁(yè)/共43頁(yè)第26頁(yè)/共43頁(yè)第二十六頁(yè)，共44頁(yè)。27提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法改進(jìn)制造工藝：消除雜質(zhì)改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)：電場(chǎng)均勻改善運(yùn)行條件：散熱、防潮第28頁(yè)/共43頁(yè)第27頁(yè)/共43頁(yè)第二十七頁(yè)，共44頁(yè)。282.4組合絕緣的電氣強(qiáng)度油－屏障式絕緣油紙絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)500－600kV/cm，大大超過(guò)各組成成分的電氣強(qiáng)度（油~200kV/cm，紙100－150kV/cm）第29頁(yè)/共43頁(yè)第28頁(yè)/共43頁(yè)第二十八頁(yè)，共44頁(yè)。292.4.1組合絕緣中的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗第30頁(yè)/共43頁(yè)第29頁(yè)/共43頁(yè)第二十九頁(yè)，共44頁(yè)。302.4.2組合絕緣中的電場(chǎng)直流電壓作用下——電壓與電阻成正比，電場(chǎng)與電導(dǎo)率成反比（與電阻率成正比）第31頁(yè)/共43頁(yè)第30頁(yè)/共43頁(yè)第三十頁(yè)，共44頁(yè)。31交流電壓作用下——電壓與電容成反比，電場(chǎng)與介電常數(shù)成反比第32頁(yè)/共43頁(yè)第31頁(yè)/共43頁(yè)第三十一頁(yè)，共44頁(yè)。32分層絕緣中的電場(chǎng)分配—交流條件下油－屏障式絕緣1<2，E1>E2第33頁(yè)/共43頁(yè)第32頁(yè)/共43頁(yè)第三十二頁(yè)，共44頁(yè)。33直流條件下電場(chǎng)按電阻率正比分配。（紙）>（油），故E2>E1，電場(chǎng)分配合理。同一根油紙絕緣電纜在直流下的耐壓關(guān)于交流耐壓（約為3）倍。隨著d2的加大，E1持續(xù)增大——在油隙中設(shè)置多個(gè)屏障，會(huì)使油中場(chǎng)強(qiáng)顯著增大，反而不利。第34頁(yè)/共43頁(yè)第33頁(yè)/共43頁(yè)第三十三頁(yè)，共44頁(yè)。34電纜的絕緣單相圓芯均質(zhì)電纜第35頁(yè)/共43頁(yè)第34頁(yè)/共43頁(yè)第三十四頁(yè)，共44頁(yè)。35分階絕緣在r0<r<r1內(nèi)在r1<r<r2內(nèi)

第36頁(yè)/共43頁(yè)第35頁(yè)/共43頁(yè)第三十五頁(yè)，共44頁(yè)。36分階絕緣優(yōu)點(diǎn)：絕緣材料的利用率高實(shí)現(xiàn)：電纜絕緣中用不同的絕緣紙。電纜紙的介電常數(shù)與密度有關(guān)，密度大的紙（高）與低密度紙搭配使用，做多層分階。第37頁(yè)/共43頁(yè)第36頁(yè)/共43頁(yè)第三十六頁(yè)，共44頁(yè)。372.5電介質(zhì)的老化絕緣老化的成因電老化——局部放電老化熱老化——熱作用下的氧化環(huán)境老化——污染性化學(xué)老化第38頁(yè)/共43頁(yè)第37頁(yè)/共43頁(yè)第三十七頁(yè)，共44頁(yè)。38（二）電介質(zhì)的熱老化主要取決于溫度及熱作用時(shí)間液體電介質(zhì)的熱老化主要是由于熱作用下的氧化。變壓器油氧化后酸價(jià)升高，顏色逐漸加深，粘度增大，絕緣性能降低。固體電介質(zhì)的熱老化主要是由于溫度升高，使固體電介質(zhì)熱裂解、氧化裂解，產(chǎn)生交聯(lián)，低分子揮發(fā)物逸出表征——機(jī)械強(qiáng)度降低，介質(zhì)失去彈性，變脆，絕緣性能降低?！豢赡孢^(guò)程第39頁(yè)/共43頁(yè)第38頁(yè)/共43頁(yè)第三十八頁(yè)，共44頁(yè)。39

耐熱性：指保證電介質(zhì)可靠安全運(yùn)行的最高允 許溫度

壽命：

在一定溫度下，電介質(zhì)不產(chǎn)生熱損壞 的時(shí)間稱(chēng)為壽命短時(shí)耐熱性：長(zhǎng)期耐熱性：給定壽命下，電介質(zhì)不產(chǎn)生熱損 壞的最高允許溫度電介質(zhì)的熱性能第40頁(yè)/共43頁(yè)第39頁(yè)/共43頁(yè)第三十九頁(yè)，共44頁(yè)。40

電介質(zhì)的耐熱等級(jí) 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(shí)間。為此國(guó)際電工委員會(huì)按照材料的耐熱程度劃分耐熱等級(jí)。如

YAEBFHC 90105120130155