1、 绝缘介质绝缘介质 紧固支撑紧固支撑 冷却媒介冷却媒介 绝缘作用绝缘作用 绝缘材料绝缘材料液体液体:绝缘油绝缘油固体：绝缘纸、电瓷、云母、固体：绝缘纸、电瓷、云母、玻璃、交联聚乙烯等玻璃、交联聚乙烯等气体气体:空气、空气、SF6 真空绝缘真空绝缘实际绝缘结构通常是由几种电介实际绝缘结构通常是由几种电介质联合构成的组合绝缘质联合构成的组合绝缘固-液绝缘固-气绝缘第2页/共68页2.2 2.2 绝缘老化及其影响因素绝缘老化及其影响因素 设备绝缘故障的主要原因材料的老化。电气设备绝缘在运行中设备绝缘故障的主要原因材料的老化。电气设备绝缘在运行中受到各种因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，导致受
2、到各种因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，导致其物理、化学、电和机械等性能的劣化，如机械强度降低、介其物理、化学、电和机械等性能的劣化，如机械强度降低、介质损耗及电导增大。将这种现象称为绝缘老化。质损耗及电导增大。将这种现象称为绝缘老化。电气因素电气因素机械因素机械因素温度和热稳定性温度和热稳定性环境（水分、氧化、射线及微生物）环境（水分、氧化、射线及微生物）绝缘老化影响因素绝缘老化影响因素第3页/共68页（1）电气影响电气影响长期工作电压长期工作电压 短时的过电压短时的过电压 为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代电气设备采为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代电气设备
3、采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。高场强下的电老化由介质中的需承受的热和电应力水平显著提高。高场强下的电老化由介质中的局部放电引起。各种绝缘材料局部放电的性能有很大的差别：局部放电引起。各种绝缘材料局部放电的性能有很大的差别：n云母（电机绝缘）、玻璃纤维等无机材料有很好耐局部放电能力。云母（电机绝缘）、玻璃纤维等无机材料有很好耐局部放电能力。n有机高分子聚合物等绝缘材料耐局部放电能力较差，其长时间击穿有机高分子聚合物等绝缘材料耐局部放电能力较差，其长时间击穿场强要比短时间击穿场强
4、低很多。设计时应将其工作场强场强要比短时间击穿场强低很多。设计时应将其工作场强(XLPE(XLPE的为的为10kV/mm10kV/mm)选的比局部放电场强低，以保证其寿命。选的比局部放电场强低，以保证其寿命。n绝缘油发生局部放电，引起油温升高而导致油的解裂，并伴有微量绝缘油发生局部放电，引起油温升高而导致油的解裂，并伴有微量气体产生。另外油放电生成物可能是聚合蜡状物，可能附着于固体气体产生。另外油放电生成物可能是聚合蜡状物，可能附着于固体介质表面影响散热，加速固体绝缘的老化。介质表面影响散热，加速固体绝缘的老化。第4页/共68页（2）机械影响机械影响机械负荷机械负荷长时间振动长时间振动短路应力
5、短路应力n机械应力对绝缘的老化速度有很大的影响。如：机械应力过大会使机械应力对绝缘的老化速度有很大的影响。如：机械应力过大会使固体介质内产生裂纹或气隙，导致局放，运行经验表明：瓷绝缘子固体介质内产生裂纹或气隙，导致局放，运行经验表明：瓷绝缘子的老化常常是由于机械应力造成（悬式绝缘子最易损坏的地方是靠的老化常常是由于机械应力造成（悬式绝缘子最易损坏的地方是靠近铁塔悬挂点处）。近铁塔悬挂点处）。n对绝缘子来说，温度突变也会产生内部应力。如：运行中受日照，对绝缘子来说，温度突变也会产生内部应力。如：运行中受日照，温升为温升为20203030，突然降雨，瓷表面骤冷，则会在瓷件内产生内应，突然降雨，瓷表
6、面骤冷，则会在瓷件内产生内应力，可能造成开裂。因此，绝缘子瓷件在工厂要经过冷热实验，要力，可能造成开裂。因此，绝缘子瓷件在工厂要经过冷热实验，要求在求在7070的温差剧变时不发生开裂。的温差剧变时不发生开裂。第5页/共68页（3）温度影响温度影响 季节变化季节变化 长期过负荷长期过负荷 热老化热老化n高温下，电介质短时间内就能发生明显的损坏；即使温度比短时允高温下，电介质短时间内就能发生明显的损坏；即使温度比短时允许温度低，但作用时间很长时，绝缘性能也会发生不可逆的变化。许温度低，但作用时间很长时，绝缘性能也会发生不可逆的变化。绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短。绝缘的温度越高，老化越快，寿命
7、越短。n液体介质的热老化主要表现在油的氧化，油温越高，则氧化速度越液体介质的热老化主要表现在油的氧化，油温越高，则氧化速度越快。油局部过热会分解出一些能溶于油的微量气体，这是变压器油快。油局部过热会分解出一些能溶于油的微量气体，这是变压器油劣化的主要原因。劣化的主要原因。n不同介质材料的耐热性能不同。不同介质材料的耐热性能不同。GB11021GB11021划分几个耐热等级，规定相划分几个耐热等级，规定相应的最高允许温度。超过该允许值，介质迅速老化，寿命大大缩短。应的最高允许温度。超过该允许值，介质迅速老化，寿命大大缩短。第6页/共68页电介质的耐热等级电介质的耐热等级耐热等级耐热等级工作温工作
8、温度度()电介质电介质O90木材、纸板、棉纤维；聚乙烯；聚氯乙烯；交联聚乙烯；天然橡胶木材、纸板、棉纤维；聚乙烯；聚氯乙烯；交联聚乙烯；天然橡胶A105油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料E120酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆B130沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树脂脂F155聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云
9、母制品及玻璃漆布H180聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆布布C180聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯第7页/共68页不同耐热等级绝缘材料不同耐热等级绝缘材料在各种运行温度下长期运行的寿命在各种运行温度下长期运行的寿命热老化规律热老化规律 6 度规则度规则 试验表明，对于常用的试验表明，对于常用的A级绝级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过缘，如油纸绝缘，则温度每超过6，则寿命约缩短一半。，则寿命约缩短一半。而对于而对于 B、H级绝缘则分别约级
10、绝缘则分别约为为10及及12规则。规则。第8页/共68页 水（强极性介质、类似于半导体）被吸收到电介质内部或吸附到水（强极性介质、类似于半导体）被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥汽桥”而使击穿电压显著降低。而使击穿电压显著降低。（4）受潮受潮局部电弧局部电弧水带水带绝缘介质绝缘介质第9页/共68页（5 5
11、）环境的影响）环境的影响环境条件对绝缘的老化也有很大的影响。环境条件对绝缘的老化也有很大的影响。n绝缘油的老化，主要是油的氧化。绝缘油的老化，主要是油的氧化。n户外工作的绝缘应能使耐受日晒雨淋的环境。并不是所有的固户外工作的绝缘应能使耐受日晒雨淋的环境。并不是所有的固体绝缘都具备这一能力，环氧浇注的绝缘子只能用于户内。体绝缘都具备这一能力，环氧浇注的绝缘子只能用于户内。n在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。的化学稳定性，如耐油性等。n工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物工作在湿热带
12、和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。霉剂和除虫涂料等。第10页/共68页2.3 绝缘介质的电气特性绝缘介质的电气特性不同电场强度下电介质中所呈现的电气现象分为两类：不同电场强度下电介质中所呈现的电气现象分为两类：（1）在强电场（外施场强大于该介质的击穿强度）下，将在强电场（外施场强大于该介质的击穿强度）下，将出现放电、闪络、击穿等现象，这在气体中表现最为出现放电、闪络、击穿等现象，这在气体中表现最为明显。明显。（2）在弱电场（外施场强比该介质的击穿场强小得多）下在弱
13、电场（外施场强比该介质的击穿场强小得多）下主要是介质中的极化、电导、介质损耗等。主要是介质中的极化、电导、介质损耗等。以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。第11页/共68页气体放电气体放电放电放电（Discharge)击穿击穿(Breakdown)闪络闪络 (Flashover)火花放电火花放电 Sparkover 电弧电弧(Arc)空气间隙 的放电外施电压的形式外施电压的形式电场的情况电场的情况电极形状电极形状大气环境大气环境与 有关第12页/共68页变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量和形成速度，主要取决于故障点能量的释放形式以及故障的
14、严重程度，所以根据油中溶解气体的色谱分析可以判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。存在工频续流，相间、匝间或绕组对地电弧击穿，有载分接开关切断电流等。将这种现象称为绝缘老化。高温下，电介质短时间内就能发生明显的损坏；只有在均匀电场和稍不均匀电场，SF6气体才能发挥其优异的绝缘性能，因而一般应用SF6气体做绝缘时，应尽量保证其电场的均匀性。放电时延与电压幅值U 有关，U 越高，放电发展越快，放电时延越短。施加在试品上的直流电压是逐渐增大的，这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。电气设备质量合格？可以投运吗？SF6气体价格高，温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不
15、会自然分解，在大气中寿命长达3200年。油中故障不同，产生不同的特征气体。介电常数（或电容C）SF6气体价格高，温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解，在大气中寿命长达3200年。（3）三比值法判断 只有根据各特征气体含量的注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，才能用三比值法判断其故障的类型。闪络(Flashover)绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短。绝缘材料受潮后泄漏电流会增加。300700中温过热故障如果表面潮湿、脏污时，沿面闪络电压更低。（4）测量吸收比时，先驱动兆欧表达额定转速，待指针指到（空载）时，用绝缘工具将火线迅速接至试品上，同时记录时间，分别读取15
16、s和60s的绝缘电阻值；75MPa（7个大气压，作为断路器的绝缘）的液化温度是-25，0.稳态电压（直流工频）下的空气间隙击穿稳态电压（直流工频）下的空气间隙击穿1)均匀电场中的击穿均匀电场中的击穿0.010.1110d/cm110100400Ub/kVeg：高压静电电压表的电极布置24.226.08()bUdd kV特点：特点：均匀电场均匀电场中电极布置对称，击穿击穿无极性效应无极性效应；均匀场均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，直流击穿电压、直流击穿电压、工频击穿电压峰值、工频击穿电压峰值、50%冲击击冲击击穿电压相同穿电压相同；击穿电压的分散性很小。板板电极尺寸远大于间隙距离
17、 间距1-10cm均匀电场击穿场强为30kV/cmb()Uf pd第13页/共68页r/R0.5：均匀电场。：均匀电场。Eb不变。0.5 r/R 0.1：稍不均匀电场。：稍不均匀电场。击穿前不出现电晕。r/R 0.33时击穿电压出现极大值（绝缘设计时尽量将r/R选取0.250.4范围内）。2)稍不均匀电场中的击穿（球间隙、同轴圆柱）稍不均匀电场中的击穿（球间隙、同轴圆柱）第14页/共68页 3)极不均匀电场中的击穿极不均匀电场中的击穿 工程上大多为极不均匀电场。试验表明，当间隙距离很大时，不同形状电极间隙击穿电压差别不大。通常用棒板电极和棒棒间隙击穿电压来估算不对称和对称电场的绝缘距离。棒板和
18、棒棒空气间隙的直流击穿电压 棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压（有效值）工频电压、极不均匀电场，击穿总是发生在正半周极工频电压下棒棒间隙击穿电压高于棒板电极，工程上尽量采用对称布置的电极结构极不均匀电场的极性效应极明显第15页/共68页雷电冲击雷电冲击1.2/50us操作冲击250/2500us最小击穿最小击穿电压电压 长空气间隙在不同电压下的击穿电压长空气间隙在不同电压下的击穿电压 冲击电压（雷电操作）下的空气间隙击穿冲击电压（雷电操作）下的空气间隙击穿n 足够高的电压。足够高的电压。n在气隙中存在能引起电子在气隙中存在能引起电子崩并导致击穿的有效电子。崩并导致击穿的有效电子。真空击穿电压高。
19、真空击穿电压高。n需要一定的时间让放电得需要一定的时间让放电得以逐步发展直至击穿。以逐步发展直至击穿。冲冲击击穿电压高。击击穿电压高。气隙击穿的必要条件：气隙击穿的必要条件：第16页/共68页 放电时延放电时延临界击穿电压 统计时延放电形成时延除了足够场强、引起电子崩并导致流注的有效电子外，气隙击穿还需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。us级总放电时间 tb=t1+ts+tf 放电时延与电压幅值放电时延与电压幅值U U 有关，有关，U U 越高，放电发展越快，放电时延越短。越高，放电发展越快，放电时延越短。因为因为tsts和和tftf都带有统计性，所以冲击下击穿电压与放电时间的关系都
20、带有统计性，所以冲击下击穿电压与放电时间的关系伏秒特性具有较大的分散性，工程上常用伏秒特性具有较大的分散性，工程上常用50%50%伏秒特性来表征。伏秒特性来表征。第17页/共68页ut43215ut0s1s2伏秒特性伏秒特性伏秒特性间的配合伏秒特性间的配合 以避雷器保护变压器为例，就必须根据伏秒特性进行绝缘以避雷器保护变压器为例，就必须根据伏秒特性进行绝缘（强度）配合，如在右图中（强度）配合，如在右图中S2就能较好地保护就能较好地保护S1。1.0%伏秒特性；伏秒特性；2.100%伏秒特性；伏秒特性；3.50%伏秒特性；伏秒特性；第18页/共68页 SF6是理想的气体绝缘介质和灭弧介质，在均匀电
21、场均匀电场中SF6气体的绝缘强度约为空气的2.5倍倍，其灭弧能力是空气的100以上。SF6气体的应用可大大降低设备尺寸，与空气介质相比，500kV的GIS是敞开式的1/50。SF6气体广泛应用于高压断路器、GIS、充气管道电缆，充SF6气体的变压器和开关柜也在发展中。SF6气体的液化温度较低，一般可满足工程实际的应用，如0.75MPa（7个大气压，作为断路器的绝缘）的液化温度是-25，0.45MPa（4个大气压，作为GIS绝缘）的液化温度不高于-40。SF6气体的特性气体的特性第19页/共68页 SF6气体价格高，温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解，在大气中寿命长达3
22、200年。一般工程中多采用N2-SF6混合气体。此外，SF6气体中水含量的增加，将会大大降低其绝缘性能，因而使用中应定期检测其微水含量。极不均匀电场极不均匀电场SF6的击穿场强的击穿场强（如4kV/mm）比稍不均匀电场的击穿场强（如30kV/mm）低很多低很多。只有在均匀电场和稍不只有在均匀电场和稍不均匀电场均匀电场，SF6气体才能发挥其优异的绝缘性能，因而一般应用SF6气体做绝缘时，应尽量保证其电场的均匀性。第20页/共68页 其击穿场强随气压的增加而增加，有饱和性；其击穿的极性效应不明显（负极性击穿电压比正极性的低10%）；其冲击系数很小，雷电和操作冲击系数分别为1.25和1.05-1.1
23、1。因而SF6设备的绝缘尺寸由雷电冲击试验电压决定。稍不均匀电场的SF6气体：第21页/共68页气体中的沿面放电气体中的沿面放电(cm)不同材料的工频下不同材料的工频下沿面闪络电压（峰值）沿面闪络电压（峰值）1纯气隙；纯气隙；2石蜡；石蜡；3胶纸筒；胶纸筒；4电瓷电瓷 沿着固体介质表面的闪络电压不但沿着固体介质表面的闪络电压不但远低于固体介质的击穿电压，而且也远低于固体介质的击穿电压，而且也比相同极间距离的纯气隙击穿电压低。比相同极间距离的纯气隙击穿电压低。如果表面潮湿、脏污时，沿面闪络如果表面潮湿、脏污时，沿面闪络电压更低。这是选择输电线路和变电电压更低。这是选择输电线路和变电所外绝缘时的关
24、键因素。所外绝缘时的关键因素。绝缘子大多在户外运行，因此还要绝缘子大多在户外运行，因此还要考虑湿闪及污闪的情况，这时的放电考虑湿闪及污闪的情况，这时的放电电压远低于乾闪。电压远低于乾闪。第22页/共68页光滑瓷柱的干闪和湿闪电压 干闪湿闪第23页/共68页稍不均匀电场的SF6气体：而随着电压等级和容量的不断提高，新技术的广泛应用，新的问题也会不断产生；超过该允许值，介质迅速老化，寿命大大缩短。测量泄漏电流的电路图高温下，电介质短时间内就能发生明显的损坏；击穿场强为30kV/cm“绝缘子串在工作电压下不发生污闪”在电力系统外绝缘水平中的选择起着重要的作用。各污秽等级下的爬电比距分级数值故障诊断相
25、应于故障发展因果关系的逆问题75MPa（7个大气压，作为断路器的绝缘）的液化温度是-25，0.击穿电压的分散性很小。如：机械应力过大会使固体介质内产生裂纹或气隙，导致局放，运行经验表明：瓷绝缘子的老化常常是由于机械应力造成（悬式绝缘子最易损坏的地方是靠近铁塔悬挂点处）。判断变压器故障类型的IEC三比值法试验表明，当间隙距离很大时，不同形状电极间隙击穿电压差别不大。(a)示意图 (b)等值电路 (c)相量图正接法中，试品高、低压端对地绝缘。固体介质的电导包括两方面：体积电导及表面电导，后者受湿度、染污的影响更大。长空气间隙在不同电压下的击穿电压绝缘材料受潮后泄漏电流会增加。单位泄漏距离单位泄漏距
26、离（泄漏比距或爬电比距）：绝缘子每千伏额定线电压的平均泄漏距离，cm/kV。“绝缘子串在工作电压下不发生污闪绝缘子串在工作电压下不发生污闪”在电力系统外绝缘水平中的选择起着重要的作用。电压等级电压等级kV35110220330500绝缘子片数绝缘子片数 27131928等值附灰密度等值附灰密度mg/cm2：与绝缘子表面单位面积上污秽物中不容于水的惰性物质的含量。第24页/共68页污秽等级爬电比距（cm/kV）线路发电厂、变电所220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.39（1.60）1.45（1.60）1.391.74（1.602.00）1.451.82（1.602
27、.00）1.60（1.84）1.60（1.76）1.742.17（2.002.50）1.822.27（2.002.50）2.00（2.30）2.00（2.20）2.172.78（2.503.20）2.272.91（2.503.20）2.50（2.88）2.50（2.75）2.783.30（3.203.80）2.913.45(3.203.80)3.10（3.57）3.10（3.41）各污秽等级下的爬电比距分级数值各污秽等级下的爬电比距分级数值 第25页/共68页盘形绝缘子串在雨下的盘形绝缘子串在雨下的可能闪络路径可能闪络路径 在有污秽的地区，污闪所造成的损失很在有污秽的地区，污闪所造成的损失很大
28、，因它可在工作电压下发生，且引起大大，因它可在工作电压下发生，且引起大面积停电。常用的防污措施：面积停电。常用的防污措施：增大泄漏距离。增大泄漏距离。定期或不定期的清扫。定期或不定期的清扫。使用憎水性涂料。使用憎水性涂料。改用防污性能好的绝缘子。改用防污性能好的绝缘子。防污措施防污措施第26页/共68页液体及固体介质的电气特性液体及固体介质的电气特性 电介质的电气特性，主要表现为它们在电场下的导电电介质的电气特性，主要表现为它们在电场下的导电性能、介电性能和电气强度。常以下特征参数来表示：性能、介电性能和电气强度。常以下特征参数来表示：电导率电导率（或绝缘电阻率（或绝缘电阻率）介电常数介电常数
29、（或电容（或电容C）介质损耗角正切（介质损耗因子）介质损耗角正切（介质损耗因子）tg 击穿电场强度击穿电场强度Eb。第27页/共68页（1）电介质极化）电介质极化ab图图10 极化现象示意图极化现象示意图(a)极间为真空；(b)极间为介质 dAUQC000dAUQQCr00A 电极面积（cm2）d 电极间距（cm）插入介质平板电极的电容：插入介质平板电极的电容：真空平板电极的电容：真空平板电极的电容：定义 为介质的相对介电常数相对介电常数。r00CC第28页/共68页表表 2 常用电介质的常用电介质的r值值材料类别名称r（工频，20）气体介质 空气（大气压）1.00059液体介质弱极性 变压器
30、油硅有机液体2.22.52.22.8 极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚乙烯2.02.52.252.35极性聚氯乙烯3.24离子性云母电瓷575.56.5一般气体的介电常数接近于1一般液体和固体的介电常数26之间，强极性液体除外第29页/共68页（2）电介质的电导电介质的电导 固体介质的电导包括两方面：固体介质的电导包括两方面：体积电导及表面电导体积电导及表面电导，后者受湿，后者受湿度、染污的影响更大。因此在测量固体绝缘结构的绝缘电阻时，度、染污的影响更大。因此在测量固体绝缘结构的绝缘电阻时，应采取措施将表面电阻屏蔽。天气潮湿时表面电阻显著降低。应采取措施将
31、表面电阻屏蔽。天气潮湿时表面电阻显著降低。温度对电导有影响，因而在温度对电导有影响，因而在测量绝缘电阻时必须注意温度测量绝缘电阻时必须注意温度。同一。同一物体在相近温度下的绝缘电阻的比较才能说明是否真有显著变化。物体在相近温度下的绝缘电阻的比较才能说明是否真有显著变化。电介质有微弱的导电性能，电导率(西门子/米,Sm-1)与电阻率成反比。绝缘体绝缘体导体导体m2081010m741010m481010半导体半导体物质电导率(Sm-1)温度C注记海水4.78820在平均盐度为 4.8Sm-1，饮用水0.0005 至 0.05一般高品质去离子水 5.5 10-6第30页/共68页（3）电介质的损耗
32、电介质的损耗(a)(c)(b)绝缘介质在交流电压下的等值电路分析绝缘介质在交流电压下的等值电路分析(a)示意图示意图 (b)等值电路等值电路 (c)相量图相量图在交流电压下，试品电流在交流电压下，试品电流 包括有功分量包括有功分量 及无功分量及无功分量 IRICI介质损耗介质损耗 tgUIUIUIPCRcos 介质损失角正切值与绝介质损失角正切值与绝缘结构的形状及尺寸无关，缘结构的形状及尺寸无关，仅取决于材料性能仅取决于材料性能。因此。因此国际上都直接用它来评估国际上都直接用它来评估绝缘材料的质量，衡量绝绝缘材料的质量，衡量绝缘结构的性能。缘结构的性能。第31页/共68页 常用液、固体介质常用
33、液、固体介质tg值（值（20，工频），工频）电介质电介质tg(%)电介质电介质tg(%)变压器油变压器油0.050.5聚乙烯聚乙烯0.010.02蓖麻油蓖麻油13交联聚乙烯交联聚乙烯0.020.05沥青云母带沥青云母带0.21聚苯乙烯聚苯乙烯0.010.03电瓷电瓷25聚四氟乙烯聚四氟乙烯0.02油浸电缆纸油浸电缆纸0.58聚氯乙烯聚氯乙烯510环氧树脂环氧树脂0.21酚醛树脂酚醛树脂110第32页/共68页（4）电介质的击穿）电介质的击穿 如是极其纯净的液体及固体介质，发生电击穿电压将很高。如是极其纯净的液体及固体介质，发生电击穿电压将很高。但工程电介质材料中不可避免地会含有一些杂质，如气但
34、工程电介质材料中不可避免地会含有一些杂质，如气泡、水分、纤维、炭粒等，它们对介质的击穿过程及击穿电泡、水分、纤维、炭粒等，它们对介质的击穿过程及击穿电压有很大影响。压有很大影响。电击穿：由于电场作用所直接引起。电击穿：由于电场作用所直接引起。热击穿：仅靠增加绝缘厚度以提高击穿电压已难以奏效。热击穿：仅靠增加绝缘厚度以提高击穿电压已难以奏效。电化学击穿：因长期局部放电而引起。电化学击穿：因长期局部放电而引起。第33页/共68页（5 5）组合绝缘的特性）组合绝缘的特性 对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能热性能、机械性能机械性能及其他物理物理-化化学
35、等学等性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合。例如变压器的外绝缘由套管、周围的空气及其界面组成，而其内绝缘由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。理想情况下，若组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其材理想情况下，若组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其材料能耐受的电气强度成正比，则料能耐受的电气强度成正比，则整个组合绝缘的电气强度最高，整个组合绝缘的电气强度最高，各层绝缘材料得到最充分、最合理的利用。各层绝缘材料得到最充分、最合理的利用。第34页/共68页直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的
36、电场强度与其电导率成反比。工频交流和冲击电压下：各层所承担的电压和各层电容成反比各层电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比各层中的电场强度与其介电常数成反比:如绝缘纸板中存在气泡时，气泡耐压低但分到的场强却比纸要高45倍，这也是组合绝缘中局部放电问题突出的重要原因之一。1221EE第35页/共68页2.4 2.4 电气绝缘试验及检测电气绝缘试验及检测电气设备质量合格？可以出厂吗？电气设备质量合格？可以出厂吗？电气设备质量合格？可以投运吗？电气设备质量合格？可以投运吗？电气设备质量合格？可以继续运行吗？电气设备质量合格？可以继续运行吗？出厂试验出厂试验交接（大修）试验交接（大修）试验
37、预防性试验（预防性试验（侧重于绝缘试验）按照试验性质按照试验性质，可将电气试验分为为绝缘试验和特性试验两类。特性试验特性试验主要是对电力设备的电气或机械方面的某些特性进行试验，如变压器的变比、绕组直流电阻等。绝缘试验绝缘试验一般分为破坏性试验和非破坏性试验两类。第36页/共68页（1）非破坏性试验，亦非破坏性试验，亦称称预防性试验（重点介绍）预防性试验（重点介绍）在较低电压下或用 其它不会损伤绝缘的方法来测量绝缘的各种情况，从而判断绝缘内部的缺陷。缺点：电压较低，发现缺陷的灵敏性还有待于提高。包含的种类：绝缘电阻试验、介质损耗角正切试验、局部放电试验、绝缘油的气相色谱分析等（2 2）破坏性试验
38、，即耐压试验）破坏性试验，即耐压试验以高于设备的正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平。耐压试验对绝缘的考验严格，能保证绝缘具有一定的绝缘水平或裕度。可能在试验时给绝缘造成一定的损伤。包含的种类：交流耐压试验、直流耐压试验、雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压试验 破坏性试验必须在非破坏性试验合格之后破坏性试验必须在非破坏性试验合格之后。第37页/共68页闪络(Flashover)故障诊断相应于故障发展因果关系的逆问题同时由于监测手段的进步，也将使过去无法发现的故障隐患被挖掘出来；常用液、固体介质tg值（20，工频）工程上大多为极不均匀电场。33时击穿电压出现极大值（绝缘设计时尽量将r/R选
39、取0.超过该允许值，介质迅速老化，寿命大大缩短。75MPa（7个大气压，作为断路器的绝缘）的液化温度是-25，0.存在工频续流，相间、匝间或绕组对地电弧击穿，有载分接开关切断电流等。聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；5倍，其灭弧能力是空气的100以上。光滑瓷柱的干闪和湿闪电压油中故障不同，产生不同的特征气体。因此在测量固体绝缘结构的绝缘电阻时，应采取措施将表面电阻屏蔽。运行设备的油中H2与总烃含量超过下列任何一项值时应引起注意：（5）测试时必须记录温度。工频电压、极不均匀电场，击穿总是发生在正半周极测定电气设备在不同电压下局部放电强度与变化规律，能预示设备的绝缘状态，也是估计绝缘电老化速度的重要依据
40、。绝缘材料受潮后泄漏电流会增加。稳态时，等于两层介质绝缘电阻的串联值。2.4.1 绝缘电阻的测试绝缘电阻的测试 双层介质的吸收现象双层介质的吸收现象A1C2C1R2R1U2UKU双层介质的等值电路 gIgIiot吸收曲线 阴影部分面积为绝缘在充电过程中逐渐“吸收”的电荷。“吸收现象”对应的电流称为吸收电流吸收电流Ia。由介质中偶极子逐渐转向，并沿电场方向排列而产生的。电导电流电压按电容分布电压按电阻分布tt0过渡过程吸收现象吸收现象121212()R RCCRR第38页/共68页绝缘电阻和吸收比绝缘电阻和吸收比所测绝缘电阻是随测量时间变化而变所测绝缘电阻是随测量时间变化而变化的，只有当化的，只
41、有当t时，其测量值时，其测量值R=R。但在绝缘电阻试验中，特别是电容量但在绝缘电阻试验中，特别是电容量较大时，很难短时测量到较大时，很难短时测量到R的值，因的值，因此，规程规定，此，规程规定，绝缘电阻绝缘电阻指测量指测量60s时时的绝缘电阻值，即的绝缘电阻值，即R60S的值。的值。吸收比吸收比K K：加压60秒时的绝缘电阻与15秒时绝缘电阻的比值第39页/共68页绝缘状态的判定 若绝缘内部有集中性导电通道或绝缘严重受潮，则电阻R1 R2会显著降低，泄漏电流大大增加，时间常数大为减小，吸收电流迅速衰减。即使绝缘部分受潮，只要R1与R2中的一个数值降低，值也会大为减小，吸收电流仍会迅速衰减，仍可造
42、成吸收比K的下降。不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线 当当K1或接近于或接近于1，设备基本，设备基本丧失绝缘能力丧失绝缘能力;当当K150 ppm (体积分数)H2含量150 ppmC2H2含量5 ppm(500 kV等级变压器为1 ppm)注 总烃包括：CH4、C2H6、C2H4和C2H2四种气体。第56页/共68页（2）看特征气体的产气速率）看特征气体的产气速率 特征气体的组分、含量及与是否超注意值，不能完全判断设备是否故障和其故障类型。不同特征气体的产气速率，可更直接的反映故障的存在、严重程度及其发展趋势，可以进一步确定故障的有无及性质。总烃产气速率大于0.25ml/h(开放式)0.5m
43、l/h(密封式),相对产气速率大于10%/月。第57页/共68页（1）在一定的电压和频率下，介质损失角正切值tg反映了电介质内单位体积中能量损耗的大小，与绝缘介质的形状、大小无关，只与介质的固有特性有关。试验表明，当间隙距离很大时，不同形状电极间隙击穿电压差别不大。如果表面潮湿、脏污时，沿面闪络电压更低。然后将脱出的气体压缩至常压，用注射器抽取试样后送入气相色谱仪，对不同气体进行分离和定量。对绝缘子来说，温度突变也会产生内部应力。（3）三比值法判断 只有根据各特征气体含量的注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，才能用三比值法判断其故障的类型。（2）破坏性试验，即耐压试验定义 为介质的相对介
44、电常数。稳态时，等于两层介质绝缘电阻的串联值。1）西林电桥的基本原理击穿(Breakdown)正接法中，试品高、低压端对地绝缘。比如“杯壁下流”、静放，保证无气泡后进行试验。测定电气设备在不同电压下局部放电强度与变化规律，能预示设备的绝缘状态，也是估计绝缘电老化速度的重要依据。绝缘油广泛应用于高压电气设备的内绝缘，其中使用最广泛的是变压器油。H2含量150 ppm存在工频续流，相间、匝间或绕组对地电弧击穿，有载分接开关切断电流等。将电桥的高压部分（最好能包括试品的低压电极）全部用接地的金属网屏蔽起来，引线也用屏蔽电缆线，这样基本上就消除了上述误差。测量泄漏电流的电路图在同一设备的三相试验结果之
45、间进行比较阴影部分面积为绝缘在充电过程中逐渐“吸收”的电荷。GB11021划分几个耐热等级，规定相应的最高允许温度。（3）三比值法判断）三比值法判断 只有根据各特征气体含量的注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，才能用三比值法判断其故障的类型。国标采用国际电工委员会(IEC)提出的特征气体比值的三比值法（乙炔C2H2/乙烯C2H4、甲烷CH4/氢气H2、乙烯C2H4/乙烷C2H6）作为判断变压器等充油电气设备故障类型的主要方法。三比值法中，每种典型故障对应的一组比值。第58页/共68页C HC H2224CHH42C HC H2426C HC H2224编码说明：如=13时，编码为1三比值
46、法的编码规则三比值法的编码规则特征气体特征气体比值范围比值范围比值范围编码比值范围编码 3222第59页/共68页C HC H2224CHH42C HC H2426序序号号故障性质故障性质编编 码码典典 型型 例例 子子0无故障无故障000正常老化正常老化1低能量密度局部低能量密度局部放电放电010绝缘材料气隙未完全浸渍，存在气泡，绝缘材料气隙未完全浸渍，存在气泡，含气空腔或高湿度作用。含气空腔或高湿度作用。2高能量密度局部高能量密度局部放电放电110原因同上，但程度已导致固体绝缘产生原因同上，但程度已导致固体绝缘产生放电痕迹或穿孔。放电痕迹或穿孔。3低能放电低能放电12012不良接点间或悬浮
47、电位体的连续火花放不良接点间或悬浮电位体的连续火花放电，固体材料间的油击穿。电，固体材料间的油击穿。4高能放电高能放电102存在工频续流，相间、匝间或绕组对地存在工频续流，相间、匝间或绕组对地电弧击穿，有载分接开关切断电流等。电弧击穿，有载分接开关切断电流等。5 700高温过高温过热故障热故障022第60页/共68页 种种非破坏性试验各具功能，也各有局限性。必须将各项试验结果联系起来进行综合分析。当有个别试验项目不合格时，宜用“三比较三比较”办法来处理：与同类型设备比较 在同一设备的三相试验结果之间进行比较 与该设备技术档案中的历年试验所得数据作比较。第61页/共68页交流耐压、直流耐压及冲击
48、试验交流耐压、直流耐压及冲击试验 冲击试验冲击试验：考核设备在考核设备在雷电及操作过电压雷电及操作过电压下的特性。比较真实、下的特性。比较真实、可靠的，特别对变压器等绕组结构的而言。难于在现场进行。可靠的，特别对变压器等绕组结构的而言。难于在现场进行。交流耐压试验交流耐压试验：一般仅在交接试验及大修后进行，因为它虽然考：一般仅在交接试验及大修后进行，因为它虽然考验很严格、有利于发现某些缺陷，但可能产生严重的验很严格、有利于发现某些缺陷，但可能产生严重的“副作用副作用”。直流耐压试验：直流耐压试验：适合于直流设备或某些电容量很大的交流设备。适合于直流设备或某些电容量很大的交流设备。但交流设备进行
49、直流耐压试验不够真实，例如油纸串联时，交流下但交流设备进行直流耐压试验不够真实，例如油纸串联时，交流下电场分布取决于介电常数电场分布取决于介电常数，而直流却取决于电阻率，而直流却取决于电阻率，不等效。，不等效。交流耐压试验所带来的残余电荷远大于直流耐压。交流耐压试验所带来的残余电荷远大于直流耐压。第62页/共68页 2.5 电气绝缘诊断概论电气绝缘诊断概论 运行电气设备运行电气设备 电、热、机械、环境等因素作用电、热、机械、环境等因素作用 性能逐渐劣化性能逐渐劣化 故障故障 事故事故 巨大损失巨大损失 故障故障 各种前期征兆各种前期征兆 电气、物理、电气、物理、化学特性化学特性的的渐变渐变 特
50、性变化的大小和趋势特性变化的大小和趋势 早期发现故障早期发现故障电气故障诊断的电气故障诊断的定义定义：通过对电气设备的试验和各种特性的测量，了解其特征，评估通过对电气设备的试验和各种特性的测量，了解其特征，评估设备设备在运行中的状态在运行中的状态(老化程度老化程度)，从而能早期发现故障的技术，从而能早期发现故障的技术。提高电气设备及电力系统的运行可靠性提高电气设备及电力系统的运行可靠性和经济性。和经济性。第63页/共68页电气故障诊断的特点：电气故障诊断的特点：任何诊断都是以征兆为线索的，电气设备故障诊断的困难在于：任何诊断都是以征兆为线索的，电气设备故障诊断的困难在于：一般说来，一般说来，故
