絕緣放電基本原理 絕緣介質(zhì) 固體電介質(zhì)的擊穿

高壓絕緣基本理論第一章第二章第三章第四章第五章電介質(zhì)極化電介質(zhì)電導(dǎo)電介質(zhì)能量損耗及介質(zhì)損失角正切液體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素固體電介質(zhì)的擊穿理論固體電介質(zhì)的擊穿提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法01固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度最高?？諝獾哪碗姀?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)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是不可恢復(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。固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論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10μs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。類似于氣體介質(zhì)擊穿的伏秒特性。區(qū)域B：擊穿時(shí)間在10~0.2μs范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時(shí)間無關(guān)這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的擊穿都具有電擊穿的性質(zhì)。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，甚至幾年電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論二、擊穿理論——（一）電擊穿理論機(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?。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。固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論電擊穿的特點(diǎn)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。無關(guān)因素：擊穿場(chǎng)強(qiáng)和介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素都無關(guān)。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。固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論熱擊穿A范圍：擊穿電壓和介質(zhì)溫度無關(guān)，屬于電擊穿性質(zhì)。B范圍：溫度超過某臨界值后，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程。交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論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)中最高溫度大于周圍環(huán)境溫度t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)系固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論曲線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)系固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論曲線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)系固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論擊穿理論——（三）電化學(xué)擊穿理論機(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，形成樹枝狀通道，這些樹枝狀通道，隨時(shí)間推移不斷伸長，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。局部放電的后果放電過程產(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。固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論局部放電的后果放電過程產(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。電介質(zhì)的老化作為電氣設(shè)備絕緣用的固體及液體電介質(zhì)，在長期運(yùn)行中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種物理和化學(xué)變化，從而使其性能隨時(shí)間的增長而逐漸劣化，其電氣及機(jī)械強(qiáng)度降低，介質(zhì)損耗及電導(dǎo)增大等等，這一現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的老化。引起電介質(zhì)老化的因素很多，主要有熱的作用、電的作用、機(jī)械力的作用以及水分、氧氣等的作用。固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論1、電老化110kV變壓器電容式套管電容芯子上的絕緣劣化水樹枝由絕緣材料內(nèi)部的局部放電引起的老化稱為電老化。在局部放電過程中形成的氧化氮、臭氧等對(duì)絕緣將產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，使固體電介質(zhì)的絕緣劣化；同時(shí)，游離產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)對(duì)絕緣介質(zhì)的撞擊也將對(duì)絕緣產(chǎn)生破壞作用。另外，局部放電產(chǎn)生時(shí)，介質(zhì)局部溫度上升，使介質(zhì)加速氧化，并使局部電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增加，嚴(yán)重時(shí)，甚至出現(xiàn)局部燒焦現(xiàn)象.固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論有機(jī)絕緣材料的樹老化樹老化類型：電樹老化和水樹老化樹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)呈樹枝狀發(fā)展，稱作“電樹枝”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，形成近似樹枝狀的痕跡，稱作“水樹枝”固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論樹枝老化的一般形狀Tree-like樹枝狀Bush-like灌木叢狀chestnut-like栗子狀固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論電介質(zhì)中的樹枝老化固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論固體電介質(zhì)樹枝擊穿固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論2、熱老化電介質(zhì)在熱的長期作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使其電氣性能和其它性能逐漸變差，這一現(xiàn)象稱為熱老化。ＳＨＰＶＣ絕緣材料在１２０℃下不同時(shí)間的變化（熱老化實(shí)驗(yàn)）固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論耐熱性電介質(zhì)的工作溫度是由電介質(zhì)的耐熱性決定的。電介質(zhì)的耐熱性是指保證其運(yùn)行安全可靠時(shí)能承受的最高允許溫度。耐熱性分以下兩種：短時(shí)耐熱性熱劣化與長期耐熱性固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論電介質(zhì)的耐熱等級(jí)耐熱等級(jí)最高持續(xù)工作溫度℃最高耐受溫度℃O90A105150E120175B130185F155210H180235C220260固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿理論材料的使用溫度若超過規(guī)定溫度，則劣化加速。使用溫度越高，壽命越短。對(duì)A級(jí)絕緣材料，使用溫度若每超過規(guī)定溫度8℃，則其壽命大約縮短一半，稱8℃規(guī)則；對(duì)B級(jí)絕緣材料，此溫度約為10℃；對(duì)H級(jí)絕緣材料，此溫度約為12℃左右。變壓器繞組溫度與材料壽命影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素固體電介質(zhì)的擊穿理論固體電介質(zhì)的擊穿提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法01固體電介質(zhì)的擊穿影響固體電介質(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、累積效應(yīng)、受潮、機(jī)械負(fù)荷、二次效應(yīng)如空間電荷等。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)玻璃云母帶固體電介質(zhì)的擊穿影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素（2）溫度小于t0時(shí)，屬于電擊穿當(dāng)溫度超過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稱為轉(zhuǎn)折溫度。固體電介質(zhì)的擊穿影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素（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。固體電介質(zhì)的擊穿影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素（4）電壓種類直流擊穿電壓：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（2