1、 固体、液体和组合绝缘的电气强度 第四章第四章概述固体、液体介质固体、液体介质固体、液体介质的绝缘强度比气体大许多；作电气设备的内绝缘可以缩小结构尺寸；截流导体的支撑需要绝缘介质；液体介质可兼作冷却与灭弧介质等。液体与固体电介质与气体的击穿有很大不同液体与固体电介质与气体的击穿有很大不同4.1固体电介质的击穿1.击穿形式(1).电击穿(2).热击穿(3).电化学击穿l气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右；液体的耐电强度在10 20 kV/mm；固体的耐电强度在十几 几百kV/mml固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘l
2、普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性 热击穿的机制热击穿是由电介质内部的热不稳定所造成的。在介质内部耗散的热量使介质温度升高，从而增大介质的电导和tg，这反过来又使温度进一步升高。若到达某一温度后发热等于 散热温度即终止上升。介质处于热稳定状态，不会导致绝缘强度的破坏。然而这一稳定状态不是在任何电压下都可能建立的。当达到某一临界电压时，在所有温度下，发热量总是大于散热量。这时介质的温度将持续上升(电流增大)，直到产生热破坏(烧成导电通道)，并永远丧失其绝缘性能，这就是热击穿。电击穿的机制关于电击穿的机理有各种理论和假设，
3、归纳起来为，在强电场下，电介质内部带电粒子剧烈运动，发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶体结构，使电导增大而导致击穿。固体电介质的击穿过程1.固体电介质击穿特性的划分区域A：击穿时间小于10s 的区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性区域B：击穿时间在10 s 0.2s范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关这两个区域内的击穿都具有这两个区域内的击穿都具有电击穿的性质电击穿的性质区域B区域A区域Cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）50
4、0450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（）电工纸板的击穿电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 区域区域C：击穿电压随击穿前击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点有热击穿的特点区域区域D：C区以外区以外区域B区域A区域Cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数（）电工纸板的击穿
5、电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 A、B 区：属于电击穿 C 区：属于热击穿 D 区：为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年 4.2影响固体电介质击穿电压的因素4电压作用时间电压作用时间4 温度温度4 电场均匀度和介质厚度电场均匀度和介质厚度4 电压频率电压频率4受潮度受潮度4机械力机械力4 多层性多层性4累积效应累积效应（1)电压作用时间4常用固体电介质的工频电气强度与加压时间的关系1聚乙烯2聚四氟乙烯3黄蜡布4硅有机玻璃云母带（2)温度小于小于t0 时，属于电击穿时，属于电击穿当温度超过当温度超过t0 值时，温值时，温度越高，散热条件越差
6、度越高，散热条件越差，击穿电压越低，此时，击穿电压越低，此时属于热击穿。属于热击穿。t0 称为转称为转折温度折温度。（3)电场均匀度和介质厚度4均匀电中，击穿电压较高，而且击穿电压随介质厚度的增加呈线性关系上升4不均匀电场中，击穿电压不随介质厚度的增加呈线性上升可能会出现热击穿，因此介质厚度达到一定程度后，厚度再增加对提高击穿电压意义不大。（4)电压频率直流击穿电压：高于工频交流击穿电压，因为仅有直流击穿电压：高于工频交流击穿电压，因为仅有电导损耗电导损耗工频交流击穿电压：高于高频交流击穿电压，因为工频交流击穿电压：高于高频交流击穿电压，因为极化损耗高极化损耗高冲击击穿电压：高于工频交流击穿电
7、压冲击击穿电压：高于工频交流击穿电压 （5）受潮 固体电介质受潮后击穿电压会迅速下降。（6）机械力 当材料出现开裂或微观裂缝（热、化学等作用）时，击穿电压将显著下降。如在这些裂缝中充有污浊物或受潮后，击穿电压下降更多。（7）多层性 某层介质被击穿，电场产生剧烈的畸变，容易使其他层也接着击穿。（8）累积效应 击穿电压随加压次数增加而下降，累积效应局部损伤的扩展。4.3提高固体电介质击穿电压的方法4改进绝缘设计：电场均匀4改进制造工艺：清除杂质4改善运行条件：散热、防潮变压器排风散热绝缘的老化：固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化。绝缘老化的原因电老化
8、-局部放电老化热老化-热作用下的氧化环境老化-污染性化学老化4.4固体电介质的老化(1）环境老化4环境老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污环境老化，包括光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。染性化学老化。4其中最主要时光氧老化，如紫外线的照射会使绝缘材其中最主要时光氧老化，如紫外线的照射会使绝缘材料加速老化，有些绝缘材料不宜用于户外日晒雨淋及料加速老化，有些绝缘材料不宜用于户外日晒雨淋及污秽尘埃的环境。用于湿热地区的材料还应注意其抗污秽尘埃的环境。用于湿热地区的材料还应注意其抗生物（昆虫、霉菌）作用的性能。生物（昆虫、霉菌）作用的性能。(2）电老化4固体介质在电场的长时间作用下，
9、会逐渐发生某些物固体介质在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理、化学变化，形成与介质本身不同的新物质，使介理、化学变化，形成与介质本身不同的新物质，使介质的物理、化学性能发生劣化，最终导致介质被击穿质的物理、化学性能发生劣化，最终导致介质被击穿4分类：分类：1、电离性老化、电离性老化 2.电导性老化电导性老化 3.电解性老化电解性老化 交流电压产生直流电压产生Tree-like树枝状树枝状Bush-like灌木丛状灌木丛状chestnut-like栗子状栗子状树枝老化的一般形状电介质中的树枝老化（3）电介质的热老化4主要取决于温度及热作用时间4液体电介质的热老化主要是由于热作用下的氧化。变压
10、器油氧化后酸价升高，颜色逐渐加深，粘度增大，绝缘性能降低。4固体电介质的热老化主要是由于温度升高，使固体电介质热裂解、氧化裂解，产生交联，低分子挥发物逸出4表征机械强度降低，介质失去弹性，变脆，绝缘性能降低。不可逆过程耐热性：耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度寿寿 命：命：在一定温度下电介质不产生热损坏的时间称为 寿命短时耐热性：短时耐热性：长期耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度电介质的热性能电介质的耐热等级电介质的耐热等级介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐耐热等级。如热等级。如 Y A E
11、 B F H CY A E B F H C 90 105 120 130 155 180 180 90 105 120 130 155 180 180根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计电介质的耐寒性电介质的耐寒性耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40液体介质击穿机制电击穿热击穿（气泡或其他悬浮杂质导致）电化学击穿绝缘媒质冷却媒质(如在变压器中)灭弧媒质(如在断路器中)液体介质的三大作用4.5.液体电介质击穿的机理电击穿理论认为，在电场作用下，阴极上由
12、于强电场发射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致击穿。与气体中自持放电的形成相类似。纯净的液体中的击穿过程可以用电击穿理论解释。由于液体密度远较气体的大，电子自由行程很小，所以纯净液体介质的击穿强度大大超过气体的击穿强度。气泡击穿理论认为，当油中存在或电极上附着有气泡时，在交流电压下，由于气泡中的场强与油中的场强按各自的介电常数成反比分配，从而汽泡中承受着较大的场强。但汽体的击穿场强又比油的低得多，所以总是气体先发生电离。这又使气泡温度升高，体积膨胀，电离将进一步发展。而带电粒子撞击油分子，使油又分解出气体，扩大气体通道。电离的气泡在电场作用下容易排列成连通两极的“小桥”，这时击
13、穿就可能在此通道中发生。“小桥”理论(即:“气泡”击穿理论)变压器油的击穿主要原因,在于杂质的影响，而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成，它们在电场的作用下，在电极间逐渐排列成为小桥，从而导致击穿。4.6 影响液体电介质击穿电压的因素（1）自身品质因素：杂质的多少（化学成分、含水量、纤维量、含气量、含碳量）总的来说，杂质多，击穿电压降低。通过标准油杯中变压器油的工频击穿电压来衡量油的品质（2）电压作用时间加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击穿电压很高当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击穿，击穿电压随作用时间增加而降低击穿电压随加压时间的增加而下降。当液体介质的纯净度及温度提高时，
14、电压作用时间对击穿电压的影响减小。经过长时间工作后，液体介质的击穿电压会缓慢下降，这是由于介质劣化、杂质增多等因素造成的。（3）电场情况的影响 电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大，击穿电压也愈高高纯净度液体：改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高。品质较差的液体介质：因杂质的聚集和排列已使电场畸变，因而改善电场分布提高击穿电压的作用并不明显。工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5，而在均匀电场中可达3040（4）温度击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、电击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、电场的均匀程度、电压形式的不同而不同。场的均匀程
15、度、电压形式的不同而不同。干燥的变压器油：击穿电压随温度升高而单调降低；受潮的变压器油：当温度在5以下时，油很稠，小桥排列困难；在060 范围内，由于油中的悬浮状态的水分随温度升高转变为融解状态，击穿电压升高；温度更高时，油中水分开始气化，产生气泡，易形成小桥，又使击穿电压降低。（5）压力4击穿电压随压力的增大而升高气体在油中的溶解度增大，气泡数量减少，且气泡的局部放电起始电压也提高。4油经过脱气之后，压力对击穿电压的影油经过脱气之后，压力对击穿电压的影响减少。响减少。4.7.提高液体电介质击穿电压的方法提高以及保持油的品质提高以及保持油的品质过滤、防潮、脱气过滤、防潮、脱气油和固体电介质组合
16、油和固体电介质组合覆盖覆盖绝缘层绝缘层极屏障极屏障4.10 组合绝缘4油屏障式绝缘4油纸绝缘 击穿场强可达500600kV/cm，大大超过各组成成分的电气强度（油200kV/cm，纸100150kV/cm）(1)组合绝缘中的介电常数和介质损耗21111CCC2211111ddd12212121)(dddd1221212121ddtgdtgdtg公式推导122121212122112111222121122222111122122)()(ddtgdtgdtgdSdStgdStgdStgCCtgCtgCtgtgCUCCCtgCUCCCtgCU(2)组合绝缘中的电场).().(1).(1)1.11(
17、).(221111112211111111112211221121nnnnnnnnndddUdUEdddUdRUSdISdIRURUIRIIdddSISdSdSdIRRRU直流电压作用下直流电压作用下电压与电阻电压与电阻成正比，电场与电导率成反比（成正比，电场与电导率成反比（与电阻率成正比）与电阻率成正比）交流电压作用下)(221111nndddUE交流电压作用下交流电压作用下电压与电容电压与电容成反比，电场与介电常数成反比成反比，电场与介电常数成反比分层绝缘中的电场分配交流条件下4油屏障式绝缘41E221222221111)()(dddUddUE直流条件下电场按电阻率正比分配。电场按电阻率正比分配。（纸）（纸）（油），（油），故故E2E1，电场分配合理。同一根油纸绝缘电，电场分配合理。同一根油纸绝缘电缆在直流下的耐压关于交流耐压（约为缆在直流下的耐压关于交流耐压（约为3）倍。）倍。随着随着d2的加大，的加大，E1持续增大持续增大在油隙中设置多在油隙中设置多个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。个屏障，会使油中场强显著增大，反而不利。
