液體固體電介質(zhì)特性三

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

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/共43頁第1頁/共43頁第一頁，共44頁。2 氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強度最高空氣的耐電強度一般在3—4kV/mm左右；液體的耐電強度在10—20kV/mm；固體的耐電強度在十幾—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)展起來的，這里的缺陷可指電場的集中，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/共43頁第2頁/共43頁第二頁，共44頁。3第4頁/共43頁第3頁/共43頁第三頁，共44頁。4一、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

區(qū)域A：擊穿時間小于10s

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

區(qū)域B：擊穿時間在100.2s范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時間無關(guān)這兩個區(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間的關(guān)系

第5頁/共43頁第4頁/共43頁第四頁，共44頁。5

區(qū)域C：擊穿電壓隨擊穿前時間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點

區(qū)域D

：C區(qū)以外電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關(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，擊穿時間在幾十個小時以上，甚至幾年

第6頁/共43頁第5頁/共43頁第五頁，共44頁。6機理：建立在碰撞電離基礎(chǔ)上，少量傳導(dǎo)電子，在電場加速下與晶格結(jié)點上的原子碰撞，最終導(dǎo)致?lián)舸┒?、擊穿理論——（一）電擊穿理論?頁/共43頁第6頁/共43頁第六頁，共44頁。7碰撞電離引起擊穿的兩種理論固有擊穿理論——單位時間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場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)：電場作用下單位時間內(nèi)電子獲得的能量

B(α,T0)：電場作用下單位時間內(nèi)電子碰撞損失的能量

E：電場，α：標志電子的狀態(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)展到足夠強時（d足夠大），引起固體介質(zhì)擊穿第8頁/共43頁第7頁/共43頁第七頁，共44頁。8

時間影響：電壓作用時間短，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，對電場造成畸變，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低

電場均勻度：電場的均勻程度影響極大

累積效應(yīng)：在極不均勻電場及沖擊電壓作用下，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)擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降

無關(guān)因素：擊穿電壓和介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素都無關(guān)電擊穿的特點第9頁/共43頁第8頁/共43頁第八頁，共44頁。9擊穿理論——（二）熱擊穿理論機理：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：與電壓作用時間有關(guān)；與發(fā)熱和散熱條件有關(guān)；當(dāng)電壓頻率增大時，擊穿電壓將下降。第10頁/共43頁第9頁/共43頁第九頁，共44頁。10

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)系第11頁/共43頁第10頁/共43頁第十頁，共44頁。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)中最高溫度大于周圍環(huán)境溫度t0

時，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/共43頁第11頁/共43頁第十一頁，共44頁。12

曲線1：

發(fā)熱永遠大于散熱，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/共43頁第12頁/共43頁第十二頁，共44頁。13

曲線3：

tta時：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ta為穩(wěn)定熱平衡點

t>tb時：情況類似曲線1，最終發(fā)生熱擊穿

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

ta<t<tb：不會發(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/共43頁第13頁/共43頁第十三頁，共44頁。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/共43頁第14頁/共43頁第十四頁，共44頁。15機理：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，隨時間推移不斷伸長，使絕緣進一步劣化，最終發(fā)展到整個電介質(zhì)擊穿。特點：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/共43頁第15頁/共43頁第十五頁，共44頁。16局部放電的后果放電過程產(chǎn)生的活性氣體O3、NO、NO2等對介質(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)破壞局放對有機介質(zhì)的影響尤為顯著第17頁/共43頁第16頁/共43頁第十六頁，共44頁。17有機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)，并沿電場方向逐漸向絕緣層深處發(fā)展，在有機絕緣材料中會呈樹枝狀發(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)該處場強超過某定值時，該液體會沿電場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”第18頁/共43頁第17頁/共43頁第十七頁，共44頁。18Tree-like樹枝狀Bush-like灌木叢狀chestnut-like栗子狀樹枝老化的一般形狀第19頁/共43頁第18頁/共43頁第十八頁，共44頁。19電介質(zhì)中的樹枝老化第20頁/共43頁第19頁/共43頁第十九頁，共44頁。20設(shè)備中樹老化無法觀測微觀形態(tài)控制樹枝老化觀察微觀形態(tài)和樹枝老化二者的觀測試品薄膜化控制微觀結(jié)構(gòu)絕緣缺陷模擬樹枝老化監(jiān)測樹枝老化研究樹老化的研究

難點

特征第21頁/共43頁第20頁/共43頁第二十頁，共44頁。21三、影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的因素 電壓作用時間 溫度電場均勻程度 電壓種類 累積效應(yīng) 受潮 機械負荷 二次效應(yīng)如空間電荷等第22頁/共43頁第21頁/共43頁第二十一頁，共44頁。22

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

（2)溫度小于t0

時，屬于電擊穿當(dāng)溫度超過t0

值時，溫度越高，散熱條件越差，擊穿電壓越低，此時屬于熱擊穿。t0

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

（3)電場均勻程度均勻電中，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；不均勻電場中，擊穿電壓不隨介質(zhì)厚度的增加呈線性上升可能會出現(xiàn)熱擊穿，因此介質(zhì)厚度達到一定程度后，厚度再增加對提高擊穿電壓意義不大。第25頁/共43頁第24頁/共43頁第二十四頁，共44頁。25

（4)電壓種類直流擊穿電壓：高于工頻交流擊穿電壓，因為僅有電導(dǎo)損耗工頻交流擊穿電壓：高于高頻交流擊穿電壓，因為極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間的關(guān)系（25C）第26頁/共43頁第25頁/共43頁第二十五頁，共44頁。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)——局部損傷的擴展。（6）受潮固體電介質(zhì)受潮后擊穿電壓會迅速下降。（7）機械負荷當(dāng)材料出現(xiàn)開裂或微觀裂縫（熱、化學(xué)等作用）時，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/共43頁第26頁/共43頁第二十六頁，共44頁。27提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的方法改進制造工藝：消除雜質(zhì)改進絕緣設(shè)計：電場均勻改善運行條件：散熱、防潮第28頁/共43頁第27頁/共43頁第二十七頁，共44頁。282.4組合絕緣的電氣強度油－屏障式絕緣油紙絕緣擊穿場強可達500－600kV/cm，大大超過各組成成分的電氣強度（油~200kV/cm，紙100－150kV/cm）第29頁/共43頁第28頁/共43頁第二十八頁，共44頁。292.4.1組合絕緣中的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗第30頁/共43頁第29頁/共43頁第二十九頁，共44頁。302.4.2組合絕緣中的電場直流電壓作用下——電壓與電阻成正比，電場與電導(dǎo)率成反比（與電阻率成正比）第31頁/共43頁第30頁/共43頁第三十頁，共44頁。31交流電壓作用下——電壓與電容成反比，電場與介電常數(shù)成反比第32頁/共43頁第31頁/共43頁第三十一頁，共44頁。32分層絕緣中的電場分配—交流條件下油－屏障式絕緣1<2，E1>E2第33頁/共43頁第32頁/共43頁第三十二頁，共44頁。33直流條件下電場按電阻率正比分配。（紙）>（油），故E2>E1，電場分配合理。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)置多個屏障，會使油中場強顯著增大，反而不利。第34頁/共43頁第33頁/共43頁第三十三頁，共44頁。34電纜的絕緣單相圓芯均質(zhì)電纜第35頁/共43頁第34頁/共43頁第三十四頁，共44頁。35分階絕緣在r0<r<r1內(nèi)在r1<r<r2內(nèi)

第36頁/共43頁第35頁/共43頁第三十五頁，共44頁。36分階絕緣優(yōu)點：絕緣材料的利用率高實現(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/共43頁第36頁/共43頁第三十六頁，共44頁。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/共43頁第37頁/共43頁第三十七頁，共44頁。38（二）電介質(zhì)的熱老化主要取決于溫度及熱作用時間液體電介質(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——機械強度降低，介質(zhì)失去彈性，變脆，絕緣性能降低?！豢赡孢^程第39頁/共43頁第38頁/共43頁第三十八頁，共44頁。39

耐熱性：指保證電介質(zhì)可靠安全運行的最高允 許溫度

壽命：

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

電介質(zhì)的耐熱等級 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耐熱程度劃分耐熱等級。如

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