高电压技术

项目一：高电压绝缘材料的认识

学习情境三：固体绝缘材料的认识

能用相关理论解释固体电介质的击穿机理。能正确运用提高固体电介质击穿电压的方法。

能理解和解释电介质的极化、电导和损耗现象。

教学目标

电介质的电气特性表现在电场作用下的导电性能介电性能

电气强度

固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：

绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶

固体介质的击穿

固体介质的击穿理论电击穿理论热击穿理论电化学击穿

影响固体介质击穿电压的主要因素电压作用时间电场均匀程度温度受潮累积效应


电过程（电击穿）

热过程（热击穿）

电化学过程（电化学击穿）

介质本身的特性；绝缘结构形式；

电场均匀性；

实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于以下多种因素：

在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：


外加电压波形；

外加电压时间；

工作环境（周围媒质的温度及散热条件）

常用的有机绝缘材料，如纤维材料 ( 纸、布和纤维板 ) 以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。


一、固体介质的击穿理论

( 一 ) 电击穿理论

1 、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。

2 、在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强可达 105-106kV/m 。

3 、电击穿的主要特征： ① 与周围环境温度有关； ② 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； ③ 介质发热不显著； ④ 电场均匀程度对击穿有显著影响。



( 二 ) 热击穿理论

固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。

为简单起见，以图 3-

21 中的平板状固体介质为例，对热平衡问题进行讨论。

设平板电极和介质的面积都足够大，介质以及介质中的电场都是均匀的，于是介质发热均匀 ; 介质损耗产生的热量主要沿垂直于电极的方向（ x 轴方向）流向介质表面和平板电极。在这种条件下，固体介质沿厚度 2h 的双向散热可看作是沿厚度 h 的单向散热。

h

UE

2


电介质的损耗率（单位体积的功率损耗）

12

22

0 108.1

tgEfEP r （ W/cm3 ）

式中： - 电介质的电导率， S/cm

E- 电介质的电场强度， V/cm

f- 外加电场的频率， Hz

设在 1cm³ 介质中单位时间内产生的热量为 Q0 ， Q0 可直接由上式求得。于是在 x 轴方向厚度为 h 、横截面为 1cm²的一条状介质中，单位时间产生的热量为：

101 hQQ （ J/s ）


另 : 单位时间内电极上 1cm² 面积所逸出的热量为：（ J/s ） 1)( 02 ttQ s

式中：－散热系数， J/(s·cm²·ºC) ;

－电极表面温度， ºC ；－周围媒质温度， ºC ；

st

0t

如图所示，在三个电压下(U1>U2>U3) 有发热曲线

1 、 2 、 3 ， 4 为散热曲线。


① 曲线 1 ， Q1>Q2 ，介质一定击穿；② 曲线 2 ，与散热曲线 4 交于k 点，它是不稳定的平衡点， t>tk 时，介质温度不断上升，直至击穿。 ③ 曲线 3 和曲线 4 有 a 、 b两个交点， a 为稳定的热平衡点， b 为不稳定的热平衡点， t>tb 时，介质发生击穿。


可得到以下几点结论： ① 热击穿电压会随着周围媒质温度 t0 的上升而下降，这时直线 4 会向右移动； ② 热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质的击穿场强随 h 的增大而降低；


③ 如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升； ④ f 或增大时都会造成 Q1

增加，使曲线 1 、 2 、 3 向上移动。曲线 2 上移表示临界击穿电压下降。

tg



( 三 ) 电化学击穿

固体介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：

1) 产生活性气体对介质氧化、腐蚀；

2) 温升使局部介质损耗增加；

3) 切断分子结构，导致介质破坏。

电化学击穿电压的大小与施加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。图 3—23 是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：


曲线 l 、 2 下降较快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放电的性能差；曲线 3 接近水平，表示硅有机玻璃云母带的击穿场强随加电压时间的增加下降很少。

无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。


在电化学击穿中，还有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材料的场合。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放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝化放电劣化。


在交流电压下，树枝化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

穿场强所造成的结果。



二、影响固体介质击穿电压的主要因素

( 一 ) 电压作用时间如果电压作用时间很短 ( 例如 0.1s 以下 ) ，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。不过二者有时很难分清，例如在工频交流 1min 耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。

在图 3—24 中，以常用的油浸电工纸板为例，以lmin工频击穿电压 ( 峰值 ) 作为基准值，纵坐标以标么值来表示。电击穿与热击穿的分界点时间约在 105 ～ 106us之间，作用时间大于此值后，热过程和电化学作用使得击穿电压明显下降。



不过 lmin 击穿电压与更长时间 ( 图中达数百小时 ) 的击穿电压相差已不太大，所以通常可将 lmin 工频试验电压作为基础来估计固体介质在工频电压作用下长期工作时的热击穿电压。许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低，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 ( 例如旋转电机 ) ，就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料。


( 二 ) 电场均匀程度

处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；

若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。

如果经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。

常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。


( 三 ) 温度

固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。

不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不同的。



( 四 ) 受潮

受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。

对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；

容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。

所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。


( 五 )累积效应

固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。

在幅值不高的内部过电压下以及幅值虽高、但作用时间

很短的雷电过电压下，由于加电压时间短，可能来不及形

成贯穿性的击穿通道，但可能在介质内部引起强烈的局部

放电，从而引起局部损伤。


主要以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着施加冲击或工频试验电压次数的增多，很可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此，对这些电气设备进行耐压试验，加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保证一定的绝缘裕度。


小结

在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿、热击穿和电化学击穿；

实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于介质本身的特性、绝缘结构形式和电场均匀性。


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、机械性能及其他物理 -化学性能，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的外瓷套和周围的空气组成，而其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。

组合绝缘的电气强度


绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其电气强度成正比。

直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的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，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。


一、“油－屏障”式绝缘油浸电力变压器主绝缘采用的是“油 -屏障’’式绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高 30％～ 50％。1 、覆盖紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。


2 、绝缘层当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的 2倍或更高。3 、屏障在油隙中放置尺寸较大、形状与电极相适应的屏障，既能阻碍杂质小桥的形成，有能拦住一部分带电粒子，使原有电场变得比较均匀，从而提高油隙强度电场越不均匀，放置屏障的效果越好。


二、油纸绝缘

电气设备中使用的绝缘纸 (包括纸板 ) 纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。前面介绍的“油—屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度，而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差 .


绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达 500 ～ 600kV／ cm ，大大超过了各组成成分的电气强度 (油的击穿场强约为 200kV ／ cm ，而干纸只有 100 ～ 150kV ／ cm) 。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。油纸绝缘的最大缺点 :易受污染 (包括受潮 )因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。

三、组合绝缘中的电场 1. 均匀电场双层介质模型在组合绝缘中，同时采用多种电介质，在需要对这一类绝缘结构中电场作定性分析时，常常采用最简单的均匀电场双层介质模型，如图 3-25 所示：


由此可得：

ε1E 1 ＝ ε2E 2 U=E 1d1+ E 2d2

)(2

2

1

11

1

ddU

E

)(

2

2

1

12

2

ddU

E

在这一模型中，最基本的关系式为：


超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最大电场强度。

所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘。

分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。如：

2. 分阶绝缘


内层绝缘采用高密度的薄纸 (纸的纤维含量高，质地致密 ) ，其介电常数较大，击穿场强也较大 ; 外层绝缘则采用密度较低、厚度较大的纸，其介电常数较小、击穿场强也较小。先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。如果施加交流电压 U，则其绝缘层中距电缆轴心 r 处的电场 E可由下式求得：

0

lnr

Rr

UE 式中 r0 、 R 分别为电缆芯线的半径和

外电极 ( 金属护套 ) 的半径。


绝缘层中最大电场强度 Emax 位于芯线的表面上

00

max

lnr

Rr

UE

而最小电场强度 Emin 位于绝缘层的外表面 (r ＝ R)处。此时的平均电场强度 Eav 应为 :

0rR

UEav


00max

lnr

R

rR

r

E

E oav

值越大，则电场分布越均匀，亦即绝缘材料利用得越充分。平板电容器绝缘的值可视为 1 。但对超高压电缆来说，因绝缘层较厚， (R-r0)值较大，如采用一种单一的介质、则值将较小 ; 为提高利用系数应采用分阶绝缘。

绝缘中平均场强与最大场强之比称为该绝缘的利用系数，则此时 :


小结高压电气设备一般采用多种电介质组合的绝缘结构；

“油 -屏障”式绝缘结构中应用的固体介质有三种不同的形式，即覆盖、绝缘层和屏障；

绝缘油和绝缘纸组成“油 - 纸”绝缘，击穿场强大大提高；

分阶绝缘的原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。


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