击穿电压测试仪工作实验原理

液体电介质的击穿机理

液体电介质主要有天然矿物油和人工合成油以及蓖麻油(植物油)。目前用得最多的是从石油中提炼出的矿物油，通过不同程度的精炼，可得到分别用于变压器、断路器、电缆及电容器等高压电气设备中的各种液体电介质，相应称为变压器油、电缆油和电容器油。液体电介质除用作电气设备的绝缘介质外，还用作冷却介质(如在变压器中)或灭弧介质(如在断路器中)。

目前人们对液体电介质击穿机理的研究远不及对气体电介质的研究那么充分，这是因为纯净的液体电介质和通常含有某些杂质(如水分、空气、微粒及纤维等)的液休电介质的击穿特性存在着很大差异。液体电介质分为两大类，即纯净的和工程用的(不很纯净的)，在高电压工程中应用最多的液体电介质是各种各样的绝缘油，其中尤以变压器油使用的最为广泛，故在下文的讨论中，将以变乐器油为主要对象，

一般认为，变压器油的击穿存在两种形式：一种是纯净的变压器油主要发生电击穿，另一种是含石水蒸气或其他悬浮杂质的工程用变压器油则主要发生热击穿。

4.4.1 纯净液体电介质的击穿机理

纯净液休电介质的击穿机理与气体电介质的击穿机理类似。因为在液体电介质中，也总是会由于外界的高能射线或局部强电场的作用或阴极的强电场发射等原因，使介质中存在有一些初始电子，这些电子在电场的作用下，向阳极作加速运动，产生碰撞电离，形成电子崩，导致液体电介质的击穿。但由于液体电介质的密度远较气体的大，电子的自由行程很小，所以纯净液体电介质的击穿强度大大超过气体的击穿强度(约大一个数量级)。

4.4.2 含气泡液体电介质的击穿机理

当液体电介质中存在气泡时，在交流电压下，气泡中的电场强度与油中的电场强度按各自的介电常数成反比分布，从而在气泡上分配到较大的场强，但气体的击穿场强又比液体电介质的击穿场强低得多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升，体积膨胀，密度减小，促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使之又分解出气体，导致气体通道进一步扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成连通两电极的所谓“小桥"，击穿就可能在此通道中发生。

气泡击穿理论依赖于气泡的形成、发热膨胀、气体通道的扩大并排列成“小桥"，有热的过程，所以属热击穿的范畴。

4.4.3 工程用变压器油的击穿机理

气泡击穿理论可以推广到由其他悬浮杂质引起的击穿，比较好地解释工程用变压器油的击穿过程。

工程用变压器油属于不很纯净的液体介质，即使将极为纯净的油注入电气设备中，也难免在注入过程中会有杂质混入。比如，注油时油的搅动会有空气混入；油与大气接触时也会发生氧化，并从中吸收气体和水分：运行中油本身也会老化，分解出气体、水分和聚合物；以及各种纤维从固体绝缘材料上脱落到油中，使油中总含有少量的杂质，等等。这些杂质的介电常数和电导与油本身的相应参数不相同，这就必然会在这些杂质附近造成局部强电场。在电场力的作用下，这些杂质很容易沿电场方向极化定向，并排列成杂质“小桥"，如果杂质“小桥"贯穿于两电极之间，由于组成“小桥"的纤维及水分的电导较大，发热增加，促使水分汽化，形成气泡“小桥"连通两极，导致油的击穿。即使杂质“小桥"尚未贯通两极，但在各段杂质“小桥"的端头，其电场强度也会增大很多，使该处的油发生电离而分解出气体，使“小桥"中气泡增多，促使电离过程增强，最终也将出现气泡“小桥"连通两极而使油击穿。由于这种击穿依赖于“小桥"的形成，所以也称此为解释变压器油热击穿的所谓“小桥"理论。

变压器油也具有自恢复绝缘的特性，这是因为由“小桥"引起的火花放电会使纤维烧毁，水滴汽化，油的扰动以及油具有一定的灭孤能力等，使得电介质的绝缘强度得以恢复。

4.4.4变压器油的电气强度

由于液体电介质击穿理论很不成熟，只能在一定程度上定性地解释其击穿的规律性，因此对变压器油的电气强度也需通过试验予以确定。

工程上用标准油杯按照标准试验方法来测定变压器油的工频击穿电压。我国采用的标准油杯如图4-5所示。图中，极间距离为2.5mm，电极是直径为25mm、厚度为4mm的一对圆盘形铜电极，电极与油杯杯壁及试油液面的距离不小于15mm。对为了减弱其边缘效应，电极的边缘被加工成半径为2.5mm的半圆，使电极间的电场近乎均匀。

试验时由于油击穿的分散性，应取5次击穿电压的平均值，且每次击穿电压与平均值的偏差不超过+25%；否则应继续试验，直到获得5个不超过平均值士25%的数值为止。以这5次击穿电压的平均值作为被试油样的工频击穿电压值(kV)，或换算成击穿场强(kV/cm)。

我国规定不同电压等级电气设备中变压器油的电气强度应符合表4-2的要求。

由表4-2可见，变压器油在标准油杯和标准试验条件下的击穿电压在20～60kV之间，相应的击穿场强有效值为80～240kV/cm，约为空气击穿场强的4～10倍。顺便指出，工程用变压器油作冷却介质时，油的凝固点至关重要，因此按照油的凝固点不同将油分为各种不同的牌号。比如，25号变压器油即其凝固点温度为-25℃。由此可见，高寒地区运行的变压器应选用高牌号的变压器油。

表4-2             不同电压等级电气设备中变压器油的电气强度要求

4.5 影响液体电介质击穿电压的因素

4.5.1 水分及其他杂质

水分在变压器油中可以三种状态存在：①以分子状态溶解于油中；②以小水珠状态悬浮于油中；③水分过多，以至于有水分沉淀在油的底部。实验表明，以分子状态溶解于变压器油中的水分对油的击穿电压影响不大。对变压器油的击穿危害最大的是悬浮于油中的小水珠，因为这种小水珠在电场作用下会发生极化而沿电场方向伸长，并在极间排列成导电“小桥"。图4-6为在标准油杯中测出的变压器油的工频击穿电压与含水量的关系。由图可见，在常温下，只要变压器油中含有0.01%的水分，就会使油的击穿场强下降到干燥时的15%～30%。当水分含量超过0.02%时，多余的水分即沉淀到变压器油的底部，因此油的击穿电压不再降低。但是这种沉淀水对变压器油的绝缘性能的危害不可忽视，因为沉淀状的水随着温度及其他条件的变化随时都可以转化为悬浮状的水分。

由“小桥"理论可知，其他固体杂质也会使油的击穿电压下降。特别是一些极性的纤维介质，极易吸潮，并沿电场方向极化而形成杂质“小桥"，使油的击穿电压大大下降。然而，从油中分解出来的碳粒却对油的击穿电压影响较小，所以在油断路器中允许用油既作灭弧介质，又作绝缘介质。但是，碳粒的沉淀形成汕泥则易造成油中沿固体表面的放电，同时也影响散热，然而，在冲击电压下，由于电压作用时间极短，以至于杂质来不及形成“小桥"，所以杂质对油的冲击击穿电压的影响也不大。

4.5.2 电压作用时间

电压作用时间对油的击穿电压影响很大，击穿电压会随电压作用时间的增加而下降。电压作用时间还会影响油的击穿性质。如图4-7 所示，当电压作用时间极短(小于毫秒级)时，如雷电冲击电压的作用，则油的击穿纯属电击穿，击穿电压比较高，且击穿电压随时间的变化规律与气体介质的伏秒特性相似。当电压作用时间大于毫秒级以后，则呈现为热击穿的性质，且随着电压作用时间的增长，击穿电压显著下降。

4.5.3 电场的均匀程度

对于纯净变压器油，如电场比较均匀则可以大大提高油的工频击穿电压和冲击击穿电压。对于含有杂质的变压器油，由于其击穿电压主要取决于杂质“小桥"的形成，所以电场的均匀程度对击穿电压的影响相对减小。

4.5.4温度的影响

变压器油的击穿电压与油温的关系比较复杂，随电场的均匀程度、油的纯净程度以及电压类型的不同而不同。

标准油杯中变压器油工频击穿电压有效值与温度的关系如图4-8所示。图中，曲线1为纯净油，油温升高，有利于碰撞电离，所以击穿电压略有下降；曲线2为有水分的油，视温度对水分存在状态的影响情况而异。比如；油温从0℃开始升高，有利于悬浮状的水滴在油中的溶解，所以击穿电压随之升高。但油温超过80℃，水分开始汽化，产生气泡，则又会使油的击穿电压降低。由图4-8可见，变压器油温在60~80℃范围内，击穿电压出现最大值；油温在0～5℃范围内，全部水分转化为乳浊状态，导电“小桥"最易形成，出现击穿电压最小值；油温低于0℃时，则水滴结成冰粒，油的密度变大，其击穿电压又会升高。

在极不均匀电场中，随着油温的上升工频击穿电压稍有下降，水滴等杂质对极不均匀电场下变压器油的工频击穿电压影响较小，这是因为不均匀电场中的电晕会引起杂质的扰动。应该指出，不论在均匀电场还是不均匀电场中，随着温度的上升，冲击击穿电压均单调地稍有下降，这可借助电子碰撞电离理论予以解释。

4.5.5 压力的影响

不论电场是否均匀，当压力增加时，工程用变压器油的工频击穿电压都会随之升高，只是在均匀电场中，这个关系更为明显些。但如果将变压器油中所含气体处理干净，则压力对油隙的击穿电压就几乎没有什么影响了。分析认为，压力的影响主要是因为变压器油中所含气体的放电电压随压力的增大而增大，但压力对油的击穿电压的影响远不如气体那样显著。

由于变压器油中气体等杂质不影响冲击击穿电压，所以压力也不影响冲击击穿电压。

4.5.6 面积效应及体积效应的影响

与气体电介质相类似，液体电介质的击穿电压也会受到面积效应的影响。也就是，当电极面积越大时，电极表面严重的突出物和一些影响击穿电压的偶然因素出现的概率也越大，因而会导致击穿电压下降。另外，与固体电介质类似，绝缘油的击穿还会受到体积效应的影响。当油的体积增大后，绝缘缺陷出现的概率增大，导致击穿场强降低。

4.5.7 变压器油的老化

1.变压器油老化的特征

变压器油的老化可以大大降低油的击穿电压，油的老化主要是热老化。以变压器油为例，其老化具有下列特征：

(1)颜色逐渐深暗，从淡黄色变为棕褐色，从透明变为混浊。

(2)黏度增大，影响散热；闪点降低；灰分和水分增多。

(3)酸价增加，油中所含的低分子酸量增加，腐蚀性增大。

(4)绝缘性能变坏，表现为电阻率降低，介质损耗增大，击穿电压降低。

(5)出现沉淀物，影响绕组的冷却。

变压器油老化的机理主要是油的氧化。新绝缘油在与空气接触的过程中逐渐吸收氧气，初期吸收的氧气与油中的不饱和碳氢化合物起化学反应，形成饱和的化合物，这段时期称为初期。此后油再吸收氧气，就生成稳定的油的氧化物和低分子量的有机酸(如蚁酸、醋酸等)，也有部分高分子有机酸(如脂肪酸、沥青酸等)，使油的酸价增高。这种油对绕组绝缘和金属都有较强的腐蚀作用，这段时期称为中期。此后，绝缘油进一步氧化，油中酸性产物达一定浓度时，便产生加聚和缩聚作用，生成中性的高分子树脂及沥青等，使油呈混浊的胶凝状态，最后成为固体的油泥沉淀。在此加聚和缩案过程中，同时析出水分，这段时期称为后期。生成的油泥如沉淀在绕组上，将影响绕织的散热。劣化到一定程度的油，就不能再继续使用，用物理方法也不能使其恢复，必须予以更换，或另行再生处理。

由上可见，温度是影响变压器油老化的主要因素之一。试验表明：当温度低于60～70℃时，油的氧化作用很小，高于此温度时，油的氧化作用就开始显著了；此后，大约是温度每增高10℃，油的氧化速度就增大1倍；当温度超过115～120℃时，其情况又大有不同，不仅出现氧化的进一步加速，还可能伴随有油本身的热裂解，这一温度称为油的临界温度。随着油的来源、成分和精炼程度不同，其临界温度也稍有差别。为此，在油的运行中或油的处理过程中(如加热干燥等)，都应该避免油温过高，一般规定最高不允许超过115℃。

此外，光照和电场也都会加速变压器油的老化。

2.延缓绝缘油老化的方法

(1)装设扩张器。其作用是供油热胀冷缩，使油与空气接触面减小，且扩张器内油温较低，吸氧量小。例如在油扩张器中设置隔气胶囊，则可供油自由胀缩，并将油与大气隔绝。

(2)在油呼吸器通道中装设吸收氧气和水分的过滤器。用氯化钙、硅胶、氧化铝等吸收水分；用粉末状的铜、氯化铵、纯洁的铁等吸收氧气。

(3)用氮气来排挤出油内吸收的空气。有的变压器或高压套管采用密闭并充氮的方法来防止油的氧化。

(4)掺入抗氧化剂，以提高油的稳定性，抗氧化剂只有在新油或再生过的油中有效，因为它只能延长前述初期的时间，既不能阻止氧化过程的进行，更不能使已氧化的油还原。

(5)将已老化的变压器油进行再生处理。

4.5.8 变压器油流速的影响

在大型电力变压器的实际运行中，由于强制油循环或者不同部位油温差造成的自然对流，都使绝缘油处于流动状态。油的流动会影响杂质“小桥"的形成，因而其击穿特性与静止状态下有较大不同，如图4-9所示。油流速的增加会阻碍“小桥"的形成，使得击穿电压有所升高。但当油流速进一步增大后，体积效应会起主导作用，即单位时间内通过高电场区域的油体积增大，出现绝缘缺陷的概率升高，导致击穿电压下降。

4.5.9 提高变压器油击穿强度的常用措施

油中杂质是降低油的工频击穿电压的决定性囚素。因此，设法减少油中杂质，提高油的品质，是提高工程用变压器油击穿电压的首要措施。

(1)通过过滤提高油的品质，常用的方法是采用加热式真空过滤，可以有效地驱除油中所含的气体、水分及其他固体杂质，

(2)在绝缘结构设计中采用对金属电极覆盖一层很薄(小于1mm)的固体绝缘层，覆盖可以有效地隔断杂质小桥连通电极，减小回路流经杂质小桥的电导电流，阻碍热击穿过程的发展。而且油的品质越差，此法提高击穿电压的效果越显著。

(3)包绝缘层。如果把上述的覆盖层加厚到几毫米甚至几十毫米的绝缘层，利用绝缘层的介电常数比油的大，可有效地使被覆盖的电极附近的电场强度减弱，减少电极附近油的局部放电，从而提高油的击穿电压，

(4)采用极间障(绝缘屏障)。与提高气隙击穿电压所使用的绝缘屏障相类似，在油间隙中也可以设置极间障来提高油隙的击穿电压。通常是用电工厚纸板或胶布层压板做成，形状可以是平板或圆筒，视具体情况而定，厚度通常为2～7mm。

极间障的作用：①阻隔杂质小桥的形成；②在不均匀电场中利用极间障一侧所聚积的均匀分布的空间电荷使极间障另一侧油隙中的电场变得比较均匀，从而提高油隙的击穿电压。

在油间隙中，有时甚至设置几个极间障，可以使油隙的击穿电压提高更多。在变压器和充油套管中经常采用多个极间障，如此处理可将油的击穿电压提高30%以上。

4.6组合绝缘的击穿特性

高压电气设备绝缘必须具有优异的电气性能外，还要求具有良好的热性能、机械性能及其他物理化学性能，单一的电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际中绝缘一般采用多种电介质的组合。

4.6.1 组合绝缘的配合原则

电气设备的绝缘通常都不是由单一的电介质所构成，而是由多种电介质组合而成。例如，变压器的外绝缘是由套管的瓷套与周围的空气所组成，其内绝缘则是由纸、布带、胶木筒、变压器油等多种固体介质和液体介质组合而成。组合绝缘的电气强度不仅取决于所用各种电介质的电气特性，而且还与所用各种电介质相互之间的配合是否合理有密切关系，其配合原则如下：

(1)由多种介质构成的层叠绝缘，应尽可能使组合绝缘中各层介质所承受的电场强度与其耐电强度成正比。此时，使各种绝缘材料利用得合理、最充分，整个组合绝缘的电气强度也最高。

例如，在直流电压下，各层介质承受的电压与其电导成反比；但在交流和冲击电压下，各层介质承受的电压则与其介电常数成反比。因此，在直流电压下应将电气强度高、电导率大的绝缘材料用在电场强的地方；而在交流电压下，应将电气强度高、介电常数大的介质用在电场强的地方。显然，这种配合有利于均匀电场分布，使原来电场强度较强的地方此时电场强度相对减小。

(2)在组合绝缘中，各部分的温度也可能存在较大的差异，所以在设计组合绝缘结构时，还要注意温度差异对各层介质的电气特性和电压分布的影响(因为温度升高，介质的电导增大)。

(3)将多种介质进行组合应用时，应尽可能使它们各自的优缺点进行互补，扬长避短，从而使总体的电气强度得到加强。例如，绝缘纸或纸板含有大量的空隙，所以在一般情况下纸的电气强度是不高的，但通过真空干燥和用油浸渍后所形成的纸与油的组合绝缘却可以使这两种介质的优势互补，大大提高整体的绝缘性能，其短时击穿场强可高达500～600kV/cm，大大超过各自单一介质的电气强度(油的击穿场强为200kV/cm，纸的击穿场强为100～150kV/cm)。这种油纸组合绝缘广泛用于电缆、电容器、电容式套管和变压器等电气设备中。

(4)采取合理工艺，处理好每层介质的接缝及介质与电极界面的过渡处理。因为，叠层式组合绝缘有很多是每层由绝缘纸带或胶带进行缠绕，这时要求每层缠绕时要有一定的搭接长度(一般为50%，即上层带的中间正好压在下层带的缝隙上)，以充分排除气隙，并防止沿绝缘带的边沿发生局部放电。在介质与电极的交界面上，由于电极表面的凹凸不平导致局部强电场，为此常常采用半导体屏蔽层作为过渡层以均匀电场，实现电场强度的平稳过渡，消除局部放电。

4.6.2组合绝缘中的电场

以两种介质的组合绝缘为例，为了分析简单起见，设电极形式为平行板电极，极间双层绝缘的交界面可与等位面重合或与等位面斜交。

(1)双层绝缘的交界面与等位面重合，如图4-10所示，在平行板电极间。电场是均匀的，双层介质的交界面别与等位相重合，这时两层介质中的电场强度E₁和E₂分别为

式(4-11)和式(4-12)表明，在极间绝缘距离d=d₁+d₂不变的情况下，增大ε₂时会使E₂减小，但却使E₁增大，这一点进行组合绝缘设计时是值得注意的。比如，在电场比较均匀的油间隙中放置多个屏障会使油中的电场强度明显增大。

(2)双层绝缘的交界面与等位面斜交，在这种情况下，电场与界面之间的角度不是90°，因此电力线会在第二种介质中发生折射，如图4-11所示。电力线入射角α₁与折射角α₂的关系为

图4-12为此时电力线与等位面的分布示意图，由图可见，界面上某些地方(如P₁点）的等位面受到压缩，从而使这些地方的场强大大增加，这在绝缘设计时应予以注意。但另一方面在某些地方(如P₂点)等位而受到扩展，使这一点的电场强度有所减小。因此，适当调节入射角和折射角亦可对绝缘结构的电场作某些调整。

4.6.3 油纸电缆绝缘的击穿特性

1.工频交流电压下的击穿特性

油纸电缆是典型的多层油纸组合绝缘。工作在交流电压下的电缆，如果只采用均匀的介质，那么在靠近电缆芯线的内层绝缘所分配到的场强，会比靠近电缆护套侧的外层绝缘所分配到的场强高得多。这样，外层绝缘就不能得到充分利用。为此，高压电力电缆的绝缘都是采用分阶绝缘结构。例如，电缆的内层绝缘采用高密度的薄纸缠绕，这种纸的纤维含量高，质地致密，故介电常数较大，耐受场强也较大；外层绝缘则采用密度较低、厚度较大的纸缠绕，这种纸的介电常数较小，耐受场强也较小。适当设计分阶绝缘的参数，可使各阶绝缘强度具有接近相同的利用率。同时，在电缆芯线外及靠金属护套的最外层绝缘层上加包一层半导体屏蔽层，以消除芯线和护套内壁粗糙突出处的电场集中，消除芯线凹槽油隙及护套内壁间隙上的电位差，使电缆绝缘的工频耐压和局部放电起始电压大幅度提高。由于绝缘层的缝隙都互相交错压接，所以绝缘击穿总是沿绝缘层呈阶梯状通过缝隙向绝缘深处发展，往往在轴向延伸很长一段距离后才完成，因此这种击穿过程需要较长的时间。如果电压作用时间不够，就只能产生局部放电，或某几层被击穿而其余绝缘仍是完好的。

2.直流电压作用下的击穿特性

(1)在相同条件下，含有气隙或气泡的固体介质在直流电压下单位时间内所产生的局部放电次数远远小于交流下的放电次数，因此介质在直流下局部放电所产生的破坏作用远比交流下小，对于电缆绝缘亦是如此。图4-13为油纸电缆的交流和直流击穿场强与电压作用时间的比较。由图可见，直流电压下短时击穿场强为交流时的2倍以上，长时间击穿场强则为交流时的3倍以上。

(2)在直流电压下，绝缘只存在较小的电导损耗；而在交流电压下，既有电导损耗，又有反复进行的极化所引起的极化损耗，使介质损耗大大增加，温度升高，使击穿电压降低。

(3)在直流电压下，油纸组合绝缘的直流电压分布与油和纸的电导率成反比，而油浸渍过的纸的电导率远小于油的电导率，所以纸中的电场强度远大于油中的电场强度，面油浸渍过的纸的绝缘强度也远高于油。可见，在直流电压下，油纸绝缘的电场分布是合理的，也是有利的。此外，绝缘的电导率与温度密切相关，电缆芯线温度比护套温度高，随着此温差的逐渐增大，绝缘层中最大电场强度将由靠近芯线侧向护套侧转移(由于电率随温度的变化而引起)。这样，在直流电压作用下的最大电场强度和最高温度，不再像工频交流电压作用时那样总是重合在绝缘的内侧，而是分别错开在绝缘的两侧，因此可以在一定程度上抑制热击穿的发展。

由于上述原因，使得同样一根电缆在直流下的耐压远高丁其交流耐压。采用油纸组合绝缘的电容器、套管亦是如此。

小 结

(1)固体电介质和液体电介质的绝缘强度一般比空气的绝缘强度高很多。在实际的电气设备中采用由固体和液体介质构成的组合绝缘具有更优良的绝缘特性。

(2)固体电介质的击穿按其形成机理不同可分为电击穿、热击穿和电化学击穿。

(3)气隙和潮气是影响固体介质击穿电压的重要因素，因此应对固体介质进行真空干燥和浸油处理。

(4)固体电介质与气体电介质不同，有机固体电介质会发生老化。根据老化的机理不同，可分为电老化和热老化。老化的结果使固体电介质的击穿电压下降，使用寿命缩短。固体介质热老化遵循8℃规则。

(5)液体电介质击穿理论有电击穿理论和热击穿理论，二者适合解释不同品质的液体介质的击穿。

(6)杂质(特别是气泡、水分和纤维)是影响液体介质击穿电压的重要因素，因此要求对液体介质必须进行净化处理和保持干燥。

(7)组合绝缘可以做到各种介质优势互补，但要求设计必须遵从一定的原则，使不同介质有一个合理搭配和合理结构，才能充分发挥组合绝缘的优良特性。