高鐵高壓供電設(shè)備之液體和固體電介質(zhì)的擊穿特性-液體電介質(zhì)的擊穿特性

液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理液體電介質(zhì)：天然的礦物油人工合成油蓖麻油從石油中提煉出來(lái)的礦物絕緣油，通過(guò)不同程度的精煉，可分別作為高壓電氣設(shè)備中的變壓器油、電纜油和電容器油等。變壓器中的絕緣油：散熱、滅弧。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理液體電介質(zhì)的擊穿1.純凈液體電介質(zhì)的擊穿：（1）電擊穿理論介質(zhì)中總存在一些初始電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)并積累能量，與液體分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生碰撞游離，形成電子崩導(dǎo)致液體電介質(zhì)失去絕緣能力而發(fā)生擊穿。純凈液體的耐電強(qiáng)度比常態(tài)氣體的耐電強(qiáng)度高得多，擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)1000kV（幅值）/cm以上。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理（2）氣泡擊穿理論電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)所形成的電子電流會(huì)使液體發(fā)熱而分解出氣泡；產(chǎn)生氣泡的原因：電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)與液體電介質(zhì)分子發(fā)生碰撞而導(dǎo)致液體分子解離產(chǎn)生氣泡；由于電極表面粗糙等原因?qū)е戮植侩妶?chǎng)集中處發(fā)生電暈放電而使液體加熱汽化產(chǎn)生氣泡。氣泡擊穿理論依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣體通道的擴(kuò)大并排列成“小橋”，有熱的過(guò)程，屬于熱擊穿的范疇。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理（2）氣泡擊穿理論當(dāng)純凈液體電介質(zhì)承受較高的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，在其中會(huì)有氣泡產(chǎn)生。在交流電壓下，氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度與油中的電場(chǎng)強(qiáng)度按各自的介電常數(shù)成反比分配，因而在氣泡上分配到較大的場(chǎng)強(qiáng)，但氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)又比液體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低得多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度升高、體積膨脹，電離進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，電離產(chǎn)生的帶電粒子又不斷撞擊液體分子，使液體分解出氣體，擴(kuò)大了氣體通道。如果許多電離的氣泡在電場(chǎng)中排列成連通兩電極的“小橋”，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理2.工程用液體電介質(zhì)的擊穿工程用液體電介質(zhì)雜質(zhì)的存在使液體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大大降低，約為120～200kV（幅值）/cm。工程用變壓器油所含雜質(zhì)主要是：油與大氣接觸時(shí)從大氣中吸收的氣體和水分、脫落的紙或布的纖維以及油質(zhì)劣化分解出的氣體、水分和聚合物等。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理2.工程用液體電介質(zhì)的擊穿工程用液體電介質(zhì)雜質(zhì)的存在使液體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大大降低，約為120～200kV（幅值）/cm。工程用變壓器油這些雜質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率均與變壓器油不同，因而會(huì)畸變油中電場(chǎng)的分布，影響油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理“小橋”理論液體電介質(zhì)中水和纖維的εr（分別為81和6～7）比油的εr（1.8～2.8）大得多，這些雜質(zhì)很容易極化并沿電場(chǎng)方向定向排列成雜質(zhì)小橋。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理這時(shí)會(huì)發(fā)生兩種情況：如果雜質(zhì)小橋尚未接通電極，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于纖維的εr大以及含水分纖維的電導(dǎo)大，使其端部油中電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴(kuò)大，電離增強(qiáng)，這樣下去必然會(huì)出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理這時(shí)會(huì)發(fā)生兩種情況：如果雜質(zhì)小橋接通電極，因小橋的電導(dǎo)大而導(dǎo)致泄漏電流增大，發(fā)熱嚴(yán)重，促使水分汽化，氣泡擴(kuò)大，發(fā)展下去也會(huì)出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施01液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)02提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的措施液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施一、液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因數(shù)1液體電介質(zhì)品質(zhì)的影響11溫度的影響21電場(chǎng)均勻度的影響31電壓作用時(shí)間的影響41油壓的影響5液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施1液體電介質(zhì)品質(zhì)的影響1從液體電介質(zhì)的品質(zhì)取決于其所含雜質(zhì)的多少。含雜質(zhì)越多，液體的品質(zhì)越差，擊穿電壓越低。對(duì)于液體電介質(zhì)，通常用標(biāo)準(zhǔn)油杯按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的工頻擊穿電壓來(lái)衡量其品質(zhì)的優(yōu)劣。我國(guó)采用的標(biāo)準(zhǔn)油杯（單位：mm）1——絕緣杯體2——黃銅電極液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施變壓器油的電氣強(qiáng)度要求：額定電壓等級(jí)（KV）用標(biāo)準(zhǔn)油杯測(cè)得的工頻擊穿電壓有效值（KV）額定電壓等級(jí)（KV）用標(biāo)準(zhǔn)油杯測(cè)得的工頻擊穿電壓有效值（KV）新油，不低于運(yùn)行中的油，不低于新油，不低于運(yùn)行中的油，不低于15及以下20~3563~22025304020303533050050604550變壓器油在標(biāo)準(zhǔn)油杯和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)在20～60kV之間，相應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)有效值為80～240kV/cm，約為空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)[30kV（峰值）/cm=21kV（有效值）/cm]的4～10倍。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施變壓器油本身的某些雜質(zhì)對(duì)耐電強(qiáng)度的影響：標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓有效值與含水量的關(guān)系含水量1液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施水分在油中有三種存在方式：溶解態(tài)當(dāng)含水量極微小時(shí)，水分以分子狀態(tài)溶解于油中，這種溶解態(tài)的水分高度分散、分布均勻，對(duì)油的耐電強(qiáng)度影響不大；懸浮態(tài)當(dāng)含水量超過(guò)其溶解度時(shí)，多余的水分便以乳化狀態(tài)懸浮于油中，這種懸浮態(tài)的小水滴在電場(chǎng)的作用下將極化而沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，會(huì)畸變油中的電場(chǎng)分布，并可能在電極間連成小橋，對(duì)油的耐電強(qiáng)度有很強(qiáng)烈的影響；液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施油水分層當(dāng)含水量繼續(xù)增大時(shí)，只有一定數(shù)量的水分能懸浮于油中，多余的水分沉淀到油的底部，擊穿電壓不再下降，但這對(duì)于油的絕緣性能是非常有害的。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施含纖維量2當(dāng)油中有纖維存在時(shí)，在電場(chǎng)力的作用下，纖維將沿著電場(chǎng)方向極化排列成雜質(zhì)小橋，使油的擊穿電壓大大下降。纖維具有很強(qiáng)的吸附水分的能力，吸濕的纖維對(duì)擊穿電壓的影響更大。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施含氣量3絕緣油能夠吸收和溶解相當(dāng)數(shù)量的氣體，其飽和溶解量主要由氣體的化學(xué)成分、氣壓、油溫等因素決定。溶解于油中的氣體在短時(shí)間內(nèi)對(duì)油的性能影響不大，主要是使油的黏度和耐電強(qiáng)度稍有降低。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施含碳量4一方面，碳粒本身為導(dǎo)體，它散布在油中，使碳粒附近局部電場(chǎng)增強(qiáng)，從而使油的耐電強(qiáng)度降低；碳粒對(duì)油的耐電強(qiáng)度有兩方面的作用：另一方面，新生的活性炭粒有很強(qiáng)的吸附水分和氣體的能力，從而使油的耐電強(qiáng)度提高。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施總的來(lái)說(shuō)，細(xì)而分散的碳粒對(duì)油的耐電強(qiáng)度的影響并不顯著，但碳粒（再加吸附了某些水分和雜質(zhì)）逐漸沉淀到電氣設(shè)備的固體介質(zhì)表面形成油泥，易造成油中沿固體介質(zhì)表面的放電，同時(shí)也影響散熱。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施1溫度的影響2標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油工頻擊穿電壓有效值與溫度的關(guān)系1——干燥的油2——潮濕的油液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施曲線2：油為潮濕的油，油中水分的狀態(tài)視溫度的情況而異。油溫在0℃以下，水滴凍結(jié)成冰粒，油將逐漸凝固，使擊穿電壓升高。油溫度為0～5℃范圍內(nèi)，全部水分轉(zhuǎn)化為乳濁狀態(tài)，導(dǎo)電小橋最易形成，出現(xiàn)擊穿電壓最小值。油溫由0℃開(kāi)始上升，一部分水分從懸浮態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)，使擊穿電壓上升；油溫超過(guò)80℃，水開(kāi)始汽化產(chǎn)生氣泡，引起擊穿電壓下降，在60～80℃范圍內(nèi)出現(xiàn)擊穿電壓的最大值；液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施1電場(chǎng)均勻度的影響3保持油溫不變，改善電場(chǎng)的均勻度，能使優(yōu)質(zhì)油的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)差的油由于含雜質(zhì)較多，改善電場(chǎng)對(duì)提高其工頻擊穿電壓的效果較差。在沖擊電壓下，因雜質(zhì)來(lái)不及形成小橋，雜質(zhì)對(duì)擊穿電壓的影響很小，所以改善電場(chǎng)總能顯著提高其沖擊擊穿電壓。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施1電壓作用時(shí)間的影響4變壓器油的擊穿電壓峰值與電壓作用時(shí)間的關(guān)系液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施當(dāng)電壓作用時(shí)間極短小于毫秒級(jí)（如雷電沖擊電壓）時(shí)，油的擊穿屬于電擊穿性質(zhì)，擊穿電壓比較高，且影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場(chǎng)的均勻程度，雜質(zhì)在其中的影響還不能顯示出來(lái)；當(dāng)電壓作用時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，油中的雜質(zhì)開(kāi)始聚集，且有足夠的時(shí)間在間隙中形成小橋，油隙的擊穿開(kāi)始出現(xiàn)熱過(guò)程，擊穿電壓隨電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著下降，屬于熱擊穿的性質(zhì)。液體電介質(zhì)擊穿電壓的影響因數(shù)及提高措施1油壓的影響5不論電場(chǎng)是否均勻，工業(yè)純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增大而增大，尤其在均勻電場(chǎng)中更為明顯。這是因?yàn)殡S著壓力的增加，油中氣體的溶解度會(huì)隨之增大，且氣泡發(fā)生局部放電的起始電壓也相