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固体、液体的击穿电压特性与影响因素

更新时间:2024-06-26      点击次数:209

固体电介质和液体电介质的击穿特性

固体电介质和液体电介质电气强度一般都比空气的电气强度高得多,其用作内绝缘可以大大减小电气设备的结构尺寸,因此被广泛用作电气设备的内绝缘和绝缘支撑等。最常见的固体电介质有绝缘纸、环氧树脂、玻璃纤维板、云母、电瓷、硅橡胶及塑料等,应用得最多的液体电介质是变压器油。固体电介质和液体电介质与气体电介质电气特性有很大不同。首先固体及液体的有机介质在运行过程中会逐渐发生老化,从而影响绝缘的电气强度和寿命;其次固体电介质一旦发生击穿即对绝缘造成不可逆转性破坏,故称其为非自恢复绝缘;固体电介质和液体电介质击穿机理与气体电介质也不同。虽然目前人们对固体和液体电介质击穿过程的理解不如气体的那么清楚,但已经提出了几种不同的击穿机埋。



4.1固体电介质的击穿机理

在电场作用下,固体电介质击穿可能会因电的作用、热的作用或电化学的作用所引起,因此击穿过程比较复杂。

4.1.1 电击穿

固体电介质的电击穿是指仅由于电场的作用而直接造成固体绝缘击穿的物理现象。

关于固体电介质击穿的机理有种种理论和假设,归结起来即认为在强电场下固体电介质内部存在的少量带电粒子作剧烈的运动,与固体电介质晶格结点上的原子发生碰撞电离,形成电子崩,从而破坏了固体介质的晶格结构,使电导增大而导致击穿

击穿的主要特点是击穿电压与周围环境温度无关,与电压作用时间也关系不大,介质

形成电子崩,从而破坏了固体介质的晶格结构,使电导增大而导致击穿

击穿的主要特点是击穿电压与周围环境温度无关,与电压作用时间也关系不大,介质发热不显著;但电场的均匀程度对击穿电压影响很大。电击穿所需的场强比较高,一般可达105106kV/m。当介质的电导很小,又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电时,固体电介质所发生的击穿一般为电击穿

4.1.2 热击穿

击穿是由于电介质内部的热不稳定所造成的。当固体电介质较长时间地处在外电压作用下,由于介质内部的损耗而发热,致使温度升高,从而使介质的电导和tanδ都增大,这反过来又使温度进一步升高。若到达某一温度后,发热量等于散热量,介质的温度则停止上升而处于热稳定状态,这时将不致引起绝缘强度的破坏。然而,这种热稳定状态不是在任何情况下都能建立的。如果散热条件不好,或电压达到某一临界值,使绝缘的发热量总是大散热量,这时将会使介质的温度不断升高,直至介质分解、熔化、碳化或烧焦,造成热破坏而丧失其绝缘性能,这就是热击穿的过程。

在交流电压作用下,单位体积介质的功率损耗P随温度的升高增大,且关系式为

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式中:tanδ0为温度t0时的介质损耗角正切;t为温度;δ为与介质有关的系数;C为绝缘结构的电容;U为外加电压

单位时间产生的热量Q1介质损耗功率P成正比,即

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

                    固体、液体的击穿电压特性与影响因素

式中:A为比例常数

假定产生的热量只能从电极两边散出,则单位时间内散出的热量Q2

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式中:σ为散热系数;S为散热面积。

Q1Q2与温度的关系可用图4-1来表示。由于体电介质tanδ随温度按指数规律上升,Q1也随温度按指数规律上升(图1-1中曲线1~3),Q2则与温度呈线性关系(见图4-1中曲线4)。在不同的外加电压下,可画出不同的发热曲线Q1(U1)、Q1(U2)、Q1(U3),此处U1U2U3显然,只有发热量和散热处于热平衡状态时,即Q1=Q2介质才会处于热稳定状态,具有某一稳定的工作温度,不会发生热击穿

由图4-1可见,当电压为较低值U1时,相应的发热曲线Q(U1)与Q2相交于A点,对应的温度为tAA点为稳定的工作点。一旦介质温度上升,t>tA,则由于散热量大于发热量,将使温度下降到tAt<tA则由于发热量大于散热量又会使温度再回升到tA,所以介质就有一个稳定的工作温度tA,不会引发热击穿

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电压升高到U2时,相应的发热曲线Q1(U2)与Q2相切于K点,对应于K点的温度为tK K点是不稳定的热平衡点,仅仅在t=tK时才达到热平衡。如果有偶然因素使介质温度略有升高,则由于Q1Q2而使温度继续升高,直到发生热击穿,因此,可以将电压U2看作是发生热击穿的临界电压值。这是因为当U>U2时,曲线Q1(U3)不再与Q2有交点,这时不论在什么温度下总是发热大于散热,使介质的温度不断上升,必然会造成热击穿

击穿的主要特点是击穿电压随环境温度的升高呈指数规律下降,击穿电压直接与介质的散热条件相关。由于厚度大的介质散热困难,所以热击穿电压并不随介质厚度成正比增加。热击穿需要热量的积累,而热量的积累需要时间,因此加压时间短时,热击穿电压将增高。此外,电压频率或介质tanδ增大,都会使介质发热量增大,导致热击穿电压下降。

4.1.3 电化学击穿

固体电介质在长期工作电压作用下,由于介质内部发生局部放电,产生活性气体O3NO、NO2,对介质产生氧化和腐蚀作用,同时产生热量引起局部发热,以及在局部放电过程中带电粒子的撞击作用,导致绝缘劣化或损伤,使其电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。电化学击穿是一个复杂而缓慢过程,在临近最终击穿阶段,可能因劣化处损耗增加,温度过高而以热击穿形式完成;也可能因介质劣化后电气强度下降,而以电击穿形式完成。

在电化学击穿中,还有一种树枝状或丛状放电的情况,这通常是发生在有机绝缘材料(如交联聚乙烯)的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时,往往在此处先发生局部的树枝状或丛状放电,并在有机固体介质上留下纤细的放电痕迹,这就是树枝状放电劣化。在交流电压下,树枝状放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。在冲击电压下,则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所致。

4.2影响固体电介质击穿电压的因素

影响固体电介质击穿电压的因素很多,下面仅对主要影响因素作一些介绍。

4.2.1 电压作用时间

以常用的油浸电工纸板为例,如图4-2所示,以其1min工频击穿电压(峰值)为基准值(100%),纵坐标用标幺值表示。电击穿与热击穿的分界点时间在105106μs之间,电压作用时间大于此值后的穿为热击穿,小于此值的击穿则属于电击穿。由图可见,电压作用时间越长,击穿电压越低,1min击穿电压与更长时间的击穿电压已相差不大。所以,通常可将1min工频试验电压作为基础来估计固体电介质工频电压作用下长期工作时的热击穿电压。尚需指出,许多有机绝缘材料的短时间气强度虽然很高,但由于它们耐局部放电的性能 较差,以致其长时间电气强度较低,这一点必须予以重视。在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中(如旋转电机),就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料

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由图4-2还可以看出,在电击穿区域内,在较宽的时间范围内油浸电工纸板击穿电压电压作用时间几乎无关,只有在时间小于微秒级时击穿电压才随电压作用时间减小而升高,这一点与气体放电的伏秒特性很相似。其雷电冲击击穿电约为工频击穿电压3倍。

4.2.2 电场均匀程度

均匀、致密的固体介质如处于均匀电场中,其击穿电压往往比较高,且击穿电压介质厚度的增加近似地呈线性增加。若在不均匀电场巾,则击穿电压较均匀电场中降低,且随着介质厚度的增加使电场更不均匀,击穿电压也不再随介质厚度的增加而线性增加。当介质厚度的增加使散热困难时,又会促使发生热击穿,这时靠增加介质厚度来提高击穿电压就没有多大的意义。

4.2.3温度

固体介质击穿的场强很高,而与温度几乎无关,但其热击穿电压则随温度的升高而降低。由于环境温度高不利于固体介质的散热,会使热击穿电压下降。所以,用固体介质绝缘材料电气设备,如果某处局部温度过高,在工作电压下就会有热击穿的危险。为了降低绝缘的温度,常采取一些散热措施,如加强风冷、油冷及加装散热器等。

4.2.4受潮

固体介质受潮会使击穿电压大大降低,其降低程度与介质的性质有关。对于不易吸潮的材料,如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质,受潮后击穿电压仅降低一半左右;对于易吸潮的材料,如棉纱、纸等纤维材料,吸潮后的击穿电压可能只有干燥时的百分之几或更低,这是因为电导率和介质损耗均大大增加的缘故。所以高压绝缘结构不但在制造时要注意除去水分,在运行中也要注意防潮,并定期检查受潮情况,一旦受潮必须进行干燥处理。

4.2.5 累积效应

固体介质在不均匀电场中,或者在雷电冲击电压下,其内部可能出现局部放电或者损伤,但并未形成贯穿性的击穿通道,但在多次冲击或工频试验电压作用下,这种局部放电或者伤痕会逐步扩大,这称为累积效应。显然,由于累积效应会使固体介质的绝缘性能劣化,导致击穿电压下降。因此,在确定电气设备试验电压和试验次数时应充分考虑固体介质的这种累积效应,在设计固体绝缘结构时亦应保证一定的绝缘裕度。

4.3固体电介质的老化

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,从而使介质的物理、化学性能产生不可逆转的劣化,导致电介质电气及机械强度下降,介质损耗及电导增大等,这一现象称为绝缘的老化。

引起绝缘老化的原因很多,主要有热的作用、电的作用、机械力的作用以及周围环境因素的影响,如受潮、氧、臭氧、氮氧化物、各种射线以及微生物的作用等。各种不同的因素除了本身能对绝缘产生老化作用外,还常常互相影响,加速老化过程,尽管老化过程是一个非常复杂的物理化学变化过程,但从老化的特征上可将其大体划分为电老化和热老化两大类型。

4.3.1 固体介质的电老化

电老化主要是由于电场的作用所产生。根据电老化的性质不同,又可分为电离性老化、电导性老化和电解性老化。

1.电离性老化

电离性老化主要指绝缘内部存在的气隙或气泡在较强电场下发生电离而产生局部放电所引起的绝缘老化。

局部放电引起绝缘老化的机理被认为是:带电粒子对介质的撞击可使有机介质主链断裂,使高分子解聚或部分变成低分子;局部放电引起局部过热,高温使绝缘材料产生化学分解;局部放电产生的活性气体O3NO、NO2介质的氧化和腐蚀,以及由局部放电产生的紫外线或X射线使介质分解和解聚;随后放电道通沿电场方向逐渐向绝缘深处发展,在某些高分有机绝缘中常发展成树枝状,称为“电树枝"。电树枝的不断发展最终将导致绝缘击穿。因此,许多高压电气设备都将局部放水平作为检验其绝缘质量的重要指标。

绝缘中气隙或气泡引起局部放电的机理可以这样来解释:当固体介质内部含有气隙时,气隙及与其相串联的固体介质中的场强分布是与它们的介电常数成反比。气体介质介电常数比固体介质介电常数小得多,因此气隙中的电场强度要比固体介质中的电场强度高得多,而气体的电气强度又较固体介质低,所以当外加电压还远小于固体介质击穿电压时,气隙中的气体就首先发生电离而产生局部放电。

下面对局部放电的发展过程作简单分析。

固体介质内部有单个小气隙时的等效电路如图4-3所示。图中,Cg为气隙的电容,Cb是与气隙串联的固体介质的电容,Ca是固体介质其余完好部分的电容,Z为气隙放电脉冲的电源阻抗。一般情况下气隙较小,所以CbCg,且CbCa

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

将瞬时值为u的交流电压施加在固体介质时,Cg上分得的电压

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ugu增大到气隙的放电电压Us时,气隙放电。放电产生的正负电荷在外加电场作用下分别聚积在气隙与固体介质的上下交界面上,它们建立的电场与外加电场方向相反,从而使Cg上的电压急剧下降到剩余电压Ur,放电熄灭。但由于外加电压u还在上升,Cg上的电压又随外加电压u充电到US,开始第二次放电。同理,第二次放电产生的正负电荷所建立的电场与外加电场方向相反,所以Cg上的电压会再次下降到剩余电压Ur,放电熄灭。当外加电压u不断下降时,气隙界面电荷产生的附加电场会超过外加电场,导致反向放电发生。依此类推,可以推出第四次、第五次、第六次等放电出现的位置与放电的极性,如图4-4(a)所示。因此,随着Cg的充放电过程使局部放电重复发生,从而在电路中产生由局部放电引起的脉冲电流,如图4-4(b)所示,其频率范围在200~400kHz。

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Cg每次放电时,其放电电荷量为

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其中:qr为真实放电量。由于CgCbCa实际上都是无法测定的,所以qr也无法测定。但是气隙放电引起的电压变动(Us-Ur)会按反比分配在CbCa(因从气隙两端看CbCa是相串联的)。设在Ca上的电压变动为u,则有

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

这就是说,当气隙放电时,固体介质两端的电压也会产生电压降落u,这相当于固体介质放掉电荷q,即

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其中:q为视在放电量。

通过电源充电在回路中形成电流脉冲。u和q的值都是可以测量的,因此,通常将q作为度量局部放电强度的参数。从以上各式可以看出,q既是发生局部放电时试品电容所放掉的电荷,也是电容Cb上的电荷增量。比较式(4-6)和式(4-8)可得

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

即视在放电量通常比真实放电量小得多,但q与qr呈线性关系,因此通过测量q可以相对地反映出qr的大小。

实验研究表明,视在放电量,放电重复率和一次放电所消耗的能量是反映局部放电强弱的三个基本参数。

如前所述,在交流电压下,当外加电压较高时,局部放电在半周期内可以重复多次发生,而在直流电压下情况就不一样。由于直流电压的大小和方向均不变,所以一旦气隙产生放电,所产生的空间电荷建立的附加电场会使气隙中的电场削弱,导致放电熄灭,直到空间电荷通过介质内部的电导消散,使附加电场减小到一定程度后,才能开始第二次放电。由于电介质的电导很小,所以空间电荷的消散速度极慢。因此,在其他条件相同的情况下,直流电压下单位时间内的放电次数一般要比交流电压下小3~4个数量级,从而使得介质在直流电压下的局部放电所产生的破坏作用远比交电压下小。

2. 电导性老化

电导性老化指某些高分子机合成绝缘材料内部在某些液态的导电物质(最常见的是水分或制造过程中残留的某些电解质溶液),在电场强度超过某一定值时,这些导电液就会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中去,形成近似树枝状的痕迹,称为“水树枝",使介质的绝缘特性老化。

“水树枝"是由于水或其他电解液中的离子在交变电场作用下往复冲击介质,使其疲劳损伤和化学分解,随之逐渐渗透扩散到介质深处所形成的。实践表明,产生“水树枝"所需的电场强度要比产生“电树枝"所需的场强低得多;“水树枝"一旦产生其发展速度也比“电树枝"快。

3.电解性老化

电解性老化指在所加电压还远低于局部放电起始电压的情况下,由于介质内部进行的化学过程(尤其在直流电压下最为严重)造成对介质的腐蚀、氧化,使介质逐渐老化。当有潮气侵入电介质时,由于水分本身就能离解出H+O-离子,则会加速电解性老化。随着温度的升高,化学反应速度加快,电解性老化的速度也随之加快。

4.3.2固体电介质的热老化

固体电介质的性能在长期受热的情况下逐渐劣化,失去原来的优良性能,称为热老化。热老化的主要过程为热裂解、氧化裂解以及低分子挥发物的逸出。热老化的特征大多数是使介质失去弹性、变硬、变脆,机械强度降低,也有些介质表现为变软、发黏、变形,失去机械强度,与此同时介质的电导变大,介质损耗增加,击穿电压降低,绝缘性能变坏。

由于温度的升高将使热老化过程加速,所以根据热老化决定的绝缘寿命与绝缘的工作温度密切相关。国际电工委员会将各种电工绝缘材料按其耐热性能划分等级,并确定各级绝缘材料的最高持续工作温度,见表41。

4-1                      电工绝缘材料的耐热等级

耐热等级

最高持续工作温度(℃)

绝缘材



Y

90

木材、纸、纸板、棉纤维、天然丝;聚乙烯、聚氯乙烯:天然橡胶


A

105

油性树脂漆及其漆包线;矿物油和没入其中或经其浸溃的纤维材料


E

120

酚醛树指塑料;胶纸板、胶布板;聚酯薄膜;聚乙烯醉缩甲醛


B

130

沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板;聚酷漆;环氧树脂


F

155

聚酯亚胺漆及其漆包线;改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布


H

180

聚酰胺漆及其漆包线;硅有机漆及其制品;硅橡胶及其玻璃


C

180

聚酰亚胺漆及薄膜;云母;陶瓷、玻璃及其纤维;聚四氟乙烯


使用温度超过表4-1的规定,绝缘材料将迅速老化,寿命大大缩短。实验表明,绝缘的工作温度超过规定值8℃,则寿命大约缩短一半,这通常称为热老化的8℃规则。实际上对其他各级绝缘的温度规定值并不都是8℃,如B级绝缘为10℃,H极绝缘为12℃等。

有机绝缘材料在热的作用下发生着各种化学变化,包括氧化、热裂解和缩聚等,这些化学反应的速率决定了材料的热老化寿命。因此,可应用化学反应动力学推出材料寿命和温度的关系。在温度低于绝缘材料的上限工作温度时,有机绝缘由热老化所决定的绝缘寿命的近似计算式为

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

式中:T为实际使用温度下的绝缘寿命;A为标准使用温度下的绝缘寿命;θ为绝缘的实际使用温度;θ0为绝缘的标定使用温度;α为热老化系数,由绝缘的性质、结构等因素决定,对级绝缘α0.065~0.12范围内。

为了获得最佳的经济技术效益,在当今的技术经济条件下,对大多数电气设备(如发电机、变压器、电动机等)绝缘的正常使用寿命一般认定为20~25年,由此就可以确定出该设备的标准使用温度。

4.4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

纯净液休电介质击穿机理与气体电介质击穿机理类似。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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

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(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。

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

额定电压  等级(KV)

用标准油杯测得的工频击穿              电压有效值(KV)

额定电压  等级(KV)

用标准油杯测得的工频击穿                     电压有效值(KV)

新油,不低于

运行中的油,不低于

新油,不低于

运行中的油,不低于

15级以下

25

20

330

50

45

20~35

35

30

500

60

50

63~220

40

35




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: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长,并在极间排列成导电“小桥"。图4-6为在标准油杯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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

“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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

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),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。的变压器或高压套管采用密闭并充氮的方法防止油的氧化。

(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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

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1mm)的固绝缘层,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大大超过各单一介质电气强度(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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

(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E1E2别为

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

(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

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

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)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。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素固体、液体的击穿电压特性与影响因素

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,长时间穿场强则为交流时的3倍以上。

固体、液体的击穿电压特性与影响因素

(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。

(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。


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