《城市軌道交通電氣設(shè)備測試（第2版）》 課件2.4固體電介質(zhì)絕緣及應(yīng)用

《絕緣材料特性》固體電介質(zhì)絕緣及應(yīng)用目錄01固體電介質(zhì)絕緣定義02固體絕緣材料分類03變壓器固體絕緣材料04影響固體絕緣性能的主要因素05提高固體電介質(zhì)絕緣措施01固體電介質(zhì)絕緣定義

電力設(shè)備中由絕緣材料組成的絕緣系統(tǒng)，是設(shè)備正常工作和運(yùn)行的基本條件，其使用壽命是由絕緣材料壽命所決定的。固體電介質(zhì)絕緣定義

絕緣材料是用以隔絕不同導(dǎo)電體的固體。一般還要求固體絕緣材料兼具支撐作用。固體絕緣材料由于密度較高，因而擊穿強(qiáng)度也高得多，固體絕緣材料的絕緣電阻、介電常數(shù)的變化范圍很廣泛。

固體紙絕緣包括：絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、絕緣卷、絕緣綁扎帶等，其主要成分是纖維素。絕緣紙老化后，老化產(chǎn)物大多對(duì)電氣設(shè)備有害，會(huì)使絕緣紙的擊穿電壓和體積電阻率降低、介質(zhì)損耗增大、抗拉強(qiáng)度下降，甚至腐蝕設(shè)備中的金屬材料。固體絕緣具有不可逆轉(zhuǎn)的老化特性，其機(jī)械和電氣強(qiáng)度的老化降低都是不能恢復(fù)的。

固體電介質(zhì)的擊穿包括電擊穿、熱擊穿、電化學(xué)擊穿。02固體絕緣材料分類固體絕緣材料分類固體絕緣材料分類

無機(jī)固體絕緣材料：粉云母及云母制品，玻璃、玻璃纖維及其制品，以及電瓷、氧化鋁膜等。它們耐高溫、不易老化，具有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，其中某些材料成本低，在應(yīng)用中占有一定地位。

有機(jī)固體絕緣材料：天然的有機(jī)如紙、棉布等。這些材料都具有柔順性，能滿足應(yīng)用工藝要求，又易于獲得。有機(jī)硅樹脂結(jié)合大大提高了耐熱等級(jí)，聚乙烯縮甲醛為漆基制成的漆包線開拓了漆包線的廣闊前景，替代了絲包線和紗包線。聚酯薄膜的厚度僅幾十個(gè)微米，用它代替原來的紙和布，使電機(jī)、電器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大為提高。03變壓器固體絕緣材料變壓器固體絕緣材料

油浸式變壓器的內(nèi)絕緣主要采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，常采用的植物纖維紙及其制品包含電纜紙、電話紙、皺紋紙、金屬皺紋紙、點(diǎn)膠絕緣紙、絕緣紙板等。3.1絕緣紙

絕緣紙是油浸式變壓器中最常用的絕緣材料，具有透氣性、吸水性和吸油性，擊穿電場強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性均不高。但干燥浸漬變壓器油后，電氣性能很好,如圖2-17所示絕緣紙。變壓器固體絕緣材料圖2-17絕緣紙變壓器固體絕緣材料

絕緣紙具有良好的電氣性能、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等良好特性，使用廣泛。良好的電氣性能指電導(dǎo)率小，介質(zhì)損耗低，介電常數(shù)越接近變壓器油的介電常數(shù)。較高的機(jī)械強(qiáng)度主要指抗張強(qiáng)度和伸長率，在一定力的作用下不發(fā)生變形和破壞。較好的熱穩(wěn)定性指足夠的耐熱性能，極小的介電損耗，較高的導(dǎo)熱系數(shù)。3.2絕緣紙板

絕緣紙板由木質(zhì)纖維或摻有適量棉纖維的混合紙漿經(jīng)抄紙、壓光而制成，主要有木質(zhì)纖維和棉纖維1∶1壓制型和不摻棉纖維的木質(zhì)纖維型等。在變壓器絕緣中，絕緣紙板被廣泛用于主絕緣的隔板（紙筒）、線圈間支撐條、墊塊、線圈的支撐絕緣和鐵軛絕緣。在100

kV及以上變壓器中用作隔板、角環(huán)等的絕緣紙板，厚度有0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.5mm和3

mm，目前已開始采用4～8

mm的厚紙板。變壓器固體絕緣材料

電纜紙（0.08~0.12mm厚）用于導(dǎo)線絕緣、層間絕緣和引線絕緣，電話紙用于出線頭和引線絕緣，皺紋紙用于出線頭和引線絕緣，絕緣紙板用于繞組間的墊塊、隔板、絕緣筒、角環(huán)，絕緣成型件直接用紙漿按電場形狀制成，如圖2-18所示固體絕緣紙板。圖2-18固體絕緣紙板變壓器固體絕緣材料3.3絕緣紙的性能油浸式變壓器中使用的絕緣紙（紙板）特性：（1）良好的電氣性能，電導(dǎo)率γ小，介質(zhì)損耗低，介電常數(shù)越接近變壓器油的介電常數(shù)越好。（2）較高的機(jī)械強(qiáng)度，主要是抗張強(qiáng)度和伸長率，在一定力的作用下不發(fā)生變形和破壞。（3）較好的熱穩(wěn)定性，又有足夠的耐熱性能、極小的介電損耗，較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

干燥的絕緣紙絕緣特性好，機(jī)械性能佳，應(yīng)用廣泛，相對(duì)介電常數(shù)約為3.74。變壓器油除了為主要絕緣介質(zhì)，也是冷卻介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)約為2.2。由絕緣紙和變壓器油組成的油紙絕緣有非常好的電氣性能，在短時(shí)間的電壓作用下，耐壓強(qiáng)度可達(dá)50～120

kV/mm。變壓器固體絕緣材料

絕緣紙同樣會(huì)由于在變壓器運(yùn)行過程中受到電、熱、機(jī)械等多種應(yīng)力的綜合作用而發(fā)生老化，導(dǎo)致其電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低。變壓器固體絕緣纖維素大分子的老化過程就是纖維素的降解過程，它是由水解、氧化裂解、光化學(xué)裂解、熱裂解、微生物分解等多種外界因素、多種降解過程綜合作用的結(jié)果，但起主要作用的是水解、氧化降解和熱降解三種降解方式。04影響固體絕緣性能的主要因素影響固體絕緣性能的主要素影響固體絕緣性能的主要因素4.1溫度的影響影響固體絕緣性能的主要因素

電力變壓器為油、紙絕緣，在不同溫度下油、紙中含水量有著不同的平衡關(guān)系曲線。一般情況下，溫度升高，紙內(nèi)水分要向油中析出；反之，則紙要吸收油中水分。因此，當(dāng)溫度較高時(shí)，變壓器內(nèi)絕緣油的微水含量較大；反之，微水含量就小。

國際電工委員會(huì)（1EC）認(rèn)為A級(jí)絕緣的變壓器在80～140C溫度范圍內(nèi)，溫度每增加6C，變壓器絕緣有效壽命降低的速度就會(huì)增加1倍，這就是6C法則。變壓器的壽命取決于絕緣的老化程度，而絕緣的老化又取決于運(yùn)行的溫度。如油浸變壓器在額定負(fù)載下，繞組平均溫升為65C，最熱點(diǎn)溫升為78C，若平均環(huán)境溫度為20C，則最熱點(diǎn)溫度為98C；在這個(gè)溫度下，變壓器可運(yùn)行20～30年，若變壓器超載運(yùn)行，溫度升高，促使壽命縮短。4.2濕度的影響影響固體絕緣性能的主要因素

水分的存在將加速紙纖維素降解，因此，CO和CO2的產(chǎn)生與纖維素材料的含水量也有關(guān)。當(dāng)濕度一定時(shí)，含水量越高，分解出的CO2越多；反之，含水量越低，分解出的CO就越多。

絕緣油中的微量水分是影響絕緣特性的重要因素之一。絕緣油中微量水分的存在，對(duì)絕緣介質(zhì)的電氣性能與理化性能都有極大的危害，水分可導(dǎo)致絕緣油的火花放電電壓降低，介質(zhì)損耗因數(shù)tan增大，促進(jìn)絕緣油老化，絕緣性能劣化。而設(shè)備受潮，不僅導(dǎo)致電力設(shè)備的運(yùn)行可靠性和壽命降低，更可能導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至危及人身安全。4.3過電壓的影響影響固體絕緣性能的主要因素

對(duì)于運(yùn)行中的暫態(tài)過電壓，例如變壓器正常運(yùn)行產(chǎn)生的相、地間電壓是相間電壓的58%，但發(fā)生單相故障時(shí)主絕緣的電壓對(duì)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)將增加30%，對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)將增加73%，因而可能損傷固體絕緣。

雷電過電壓的影響在于雷電過電壓由于波頭陡，引起縱絕緣（匝間、并間、絕緣）上電壓分布很不均勻，可能在絕緣上留下放電痕跡，從而使固體絕緣受到破壞。

操作過電壓的影響在于操作過電壓的波頭相當(dāng)平緩，所以電壓分布近似線性，操作過電壓波由一個(gè)繞組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)繞組上時(shí)，約與這兩個(gè)繞組間的匝數(shù)成正比，從而容易造成主絕緣或相間絕緣的劣化和損壞。4.4短路電動(dòng)力的影響影響固體絕緣性能的主要因素

出口短路時(shí)的電動(dòng)力可能會(huì)使變壓器繞組變形、引線移位，從而改變了原有的絕緣距離，使絕緣發(fā)熱，加速老化或受到損傷造成放電、拉弧及短路故障。

判斷固體絕緣性能可以設(shè)法取樣測量紙或紙板的聚合度，或利用高效液相色譜分析技測量油中糠醛含量，以便分析變壓器內(nèi)部存在故障時(shí)，是否涉及固體絕緣或是否存在引起線圈絕緣局部老化的低溫過熱，或判斷固體絕緣的老化程度。對(duì)紙纖維絕緣材料在運(yùn)行及維護(hù)中，應(yīng)注意控制變壓器額定負(fù)荷，要求運(yùn)行環(huán)境空氣流通、散熱條件好，防止變壓器溫升超標(biāo)和箱體缺油。還要防止油質(zhì)污染、劣化等造成纖維的加速老化，而損害變壓器的絕緣性能、使用壽命和安全運(yùn)行。05提高固體電介質(zhì)絕緣措施5.1改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)提高固體電介質(zhì)絕緣措施

均勻電場的平均擊穿場強(qiáng)比極不均勻電場間隙的要高得多。電場分布越均勻，平均擊穿場強(qiáng)也越高。因此改善電場均勻分布，改進(jìn)電極形狀，增大電極曲率半徑，電極表面應(yīng)盡最避免毛刺、棱角等，以消除電場局部增強(qiáng)的現(xiàn)象，從而提高絕緣水平。5.2改進(jìn)制造工藝

絕緣材料制造過程中，清除氣泡、水分等，采用干燥、浸漬等工藝技術(shù)，采用更高等級(jí)的絕緣材料，可以提高固體材料絕緣水平。

氧化鋅避雷器采用氧化鋅壓敏電阻材料取代閥型避雷器的閥片電阻，通流能力提高4倍以上，氧化鋅避雷器在制造工藝上是無間隙，比有間隙的閥型避雷器更能防潮。提高固體電介質(zhì)絕緣措施

HY型復(fù)合氧化鋅避雷器采用老化性能好、氣密性好的優(yōu)質(zhì)復(fù)合外套，采用控制密封圈壓縮量和增涂密封膠等措施，陶瓷外套作為密封材料，確保密封可靠，使避雷器的性能穩(wěn)定，同時(shí)無間隙氧化鋅避雷器具有較高的耐污穢性能。由于HY型復(fù)合氧化鋅避雷器內(nèi)部采用特殊結(jié)構(gòu)，用先進(jìn)工藝方法裝配而成，具有硅橡膠材料和氧化鋅電阻片的雙重優(yōu)點(diǎn)。除具有瓷外套氧化鋅避雷器的所有優(yōu)點(diǎn)外，還具有絕緣性能好、高的耐污穢性能、良好的防爆性能以及體積小、重量輕、平時(shí)不需維護(hù)、不易破損、密封可靠、耐老化性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，如圖2-19所示10KV氧化鋅避雷器HY5WS-17/50。提高固體電介質(zhì)絕緣措施圖2-1910KV氧化鋅避雷器HY5WS-17/505.3改善運(yùn)行條件提高固體電介質(zhì)絕緣措施

在高壓設(shè)備運(yùn)行中，注意防潮、防污、散熱、防腐、機(jī)械損傷等，加強(qiáng)散熱冷卻，例如變壓器排風(fēng)散熱，如圖2-20所示為變壓器強(qiáng)排風(fēng)扇。圖2-20變壓器強(qiáng)排風(fēng)扇5.4.定期清掃提高固體電介質(zhì)絕緣措施

在輸電線路長期運(yùn)行的過程中，絕緣子表面附著上一層雜質(zhì)，對(duì)絕緣性能下降，因此需要進(jìn)行清掃工作，將絕緣子表面的雜質(zhì)清除掉，可以采用干布擦拭或大電阻率的絕緣水帶電沖洗