第二章 液体和固体介质的电气特性

第二节液体介质的击穿•液体和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：–液体介质：变压器油、电容器油、电缆油–固体介质：纸、布、云母、塑料、瓷、玻璃、硅橡胶第二节液体介质的击穿•应用广泛，作为设备的内绝缘。–绝缘、灭弧、散热•纯净的液体介质击穿场强比气体高得多（1MV／cm）。•工程用的液体介质击穿场强很少超过300kV／cm。•击穿机理–理想：与气体类似–工程：小桥理论一、小桥理论工程应用的液体介质不可避免地存在气泡或杂质如水分、悬浮的固体纤维等。纤维对电场产生畸变作用，易导致纤维端部的液体介质放电汽化，产生气泡（分两种情况）水分流过电流时易发热气化，进而形成气泡•在电极间排列搭成电导性较强的气泡“小桥”，造成击穿。判断变压器油的质量，其中最重要的实验项目就是测量油的工频击穿电压。二、影响液体介质击穿的因素1、杂质的影响•水分：油中最主要的杂质。溶解悬浮•气泡注入过程（放电）中产生静置一定时间以消除油中气泡变压器油Eb与含水重量浓度m的关系变压器油工频击穿电压与温度的关系2、温度的影响关系比较复杂，主要取决于油中水分的状态（固、悬浮、溶解、汽化）3、油体积的影响杂质出现的概率随油体积的增加而增加，击穿场强随之下降。4、电压形式的影响•杂质形成小桥需要时间。•冲击击穿强度比工频击穿强度高得多。•极不均匀：1.4-1.5•均匀：2三、减小杂质影响的措施过滤防潮（呼吸器）祛气（真空注油）用固体介质减小油中杂质的影响覆盖层：限制泄漏电流/电缆纸、黄蜡布或漆膜绝缘层：覆盖层厚度增大，本身承担一定电压屏障：既阻止杂质“小桥”的形成，又改善间隙中电场均匀度（最佳位置、厚度）-应用广泛第三节固体介质的击穿1年=31536000s固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高。特点：击穿场强与电压作用的时间有很大关系。一旦击穿，绝缘无法自行恢复。（一）电击穿电击穿过程与气体中相似，电离足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。体积效应由于材料的不均匀性，导致击穿场强分散性很大；加大试样的面积或体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低；累积效应固体介质在冲击电压多次作用下，局部损伤会逐渐扩大，致使其击穿电压Un有可能低于单次冲击电压作用时的击穿电压U1。存在于有机材料。（二）热击穿是一个热不平衡的过程（电导电流、介质极化）。介质损耗导致发热和温度升高；温度升高加剧损耗和发热；发热与散热相等，达到平衡温度；发热大于散热，温度不断上升，造成热破坏。热击穿所需时间较长（几分钟～几小时）工频lmin耐压不能考验热击穿特性（5~10min）随外加电场频率的增加，热击穿的几率增大（极化：直流、工频，高频）。（三）电化学击穿介质长期加电压引起介质劣化而导致击穿强度下降。局部放电导致绝缘劣化。介质内气隙的局部放电（PartialDischarge，简称PD）PD产生活性气体如O3、NO、NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用；带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热。气隙的产生制造过程：浇注、挤压成型等绝缘与电极接触不良局部放电导致绝缘劣化。1、局部放电的等值电路CmCgCbbgbgCCCuu气隙放电时气隙上的电压变化1、微量压降2、电流脉冲放电前后，间隙g两端的电压变化为(Ug-Ur)对间隙g放电的电容量为：bmbmgCCCCC真实放电量Δqr为：rgbgrgbmbmgrUUCCUUCCCCCq不可测！视在放电量Δq=放电时试品上电压变化ΔU╳试品电容gbgbmCCCCCUq视在放电量可能比真实放电量小得多！mUCqrgmbrgmbbUUCCUUCCCU绝缘上的电压变化：rgbUUCqrbgbqCCCq单次局部放电的能量2221rgbmbmgUUCCCCCWrgbbgrgrrgrgbgUUCCCqUUqUUUUCCW212121设Cg放电时试品上电压为Ui，则：bgbigCCCUU若近似地认为Ur≈0，则：iqUW21rggiUUUUqW212交流和直流电压下局部放电的比较随着交流电压频率的增高，单位时间内局放次数增多，局放对绝缘的危害加大。发电机定子绕组端部绝缘局部放电实测波形直流下局放频率很低，其危害性远小于交流时E+++---3提高局部放电电压的措施各种材料耐受局放的性能不同：无机材料有较强的耐局放性能：陶瓷、云母；有机材料耐局放的性能较差：塑料。提高绝缘局部放电电压的措施：尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸：钢管油压电缆；设法提高空穴的击穿场强：用液体介质或高耐电强度的压缩气体充填空穴。第四节组合绝缘的特性电气设备内部绝缘结构中常用液体与固体介质构成组合绝缘：油—屏障绝缘；油纸绝缘。组合绝缘电气强度不仅取决于所用介质的绝缘强度，还与介质的互相配合有关。油—屏障绝缘：以油为主要绝缘介质，散热、冷却作用好；屏障的作用：改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成；广泛用于变压器中；屏障的总厚度不宜取得过大（否则可能引起油中场强增高）。一、油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点油纸绝缘：液体介质用作充填固体绝缘中气隙的浸渍剂；固体介质为绝缘的主体；油纸绝缘的击穿强度很高，但散热比较困难；油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多。1—粘浸渍电缆2—充油电缆直流电压下短时击穿场强约为交流时二倍以上，其长时间击穿场强则为交流时三倍以上。二、多介质系统中的电场221111//ddUE221122//ddUE三、电场调整的方法组合绝缘结构的电场调整用分阶绝缘的方法来降低电力电缆缆芯附近的场强nnrrr2211第五节绝缘的老化绝缘老化：固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性能劣化。绝缘老化的原因：电的作用、热的作用、机械力的作用、水分、氧化和射线、微生物的作用等。一、电介质的热老化高温下，短时间内就能发生明显的损坏。热老化温度比短时允许温度低，但作用时间长时，绝缘性能发生的不可逆的变化绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短。不同介质材料的耐热性不同：绝缘级别OAEBFHC最高容许温度90105120130155180180工作温度超过规定值时，介质迅速劣化，寿命大大缩短（1/2）A级：8℃规则(油—屏障和油纸绝缘属A级)B级：10℃规则(大电机绝缘用云母制品属B级)H级：12℃规则（干式变压器等）绝缘级别OAEBFHC最高容许温度90105120130155180180二、介质的电老化主要原因：局部放电。固体介质耐受局部放电的性能存在差别：抗电老化的性能是不同的（无机/有机)。•绝缘设计时必须选择合适的工作场强。三、机械力的影响机械应力过大使固体介质内产生裂痕或气隙导致局部放电。悬式绝缘子串中靠近铁塔悬挂点的最易损坏。电机绕组机械力作用，使绝缘受到损伤。温度突变产生内部应力：突然降雨使瓷表面骤冷，其内部产生应力。四、环境的影响环境条件对绝缘的老化有很大的影响。绝缘油的老化（氧化、温度）户外绝缘应能耐受日晒雨淋湿热区域使用的要有抗生物特性材料的相容性。第六节电力系统过电压与绝缘配合过电压（overvoltage）电气设备上出现的高于工作电压的电压。按来源形式分类外部过电压（雷电过电压）：雷云放电。内部过电压：在电力系统内部，由于断路器的操作或系统发生故障，使系统参数发生变化，引起电网电磁能量的转化或传递。雷电过电压直击雷过电压：直击输电线路等，雷电流流过被击物（60米）。感应雷过电压：雷击输电线路附近的地面，通过电磁耦合。一般不会超过500kV。一、电力系统过电压简介切除空载变压器切除空载线路合闸空载线路间歇性弧光接地操作过电压铁磁谐振参数谐振线性谐振谐振过电压突然甩负荷不对称短路空载长线电容效应工频过电压暂时过电压内部过电压直击雷过电压感应雷过电压大气过电压过电压电容效应在集中参数L、C串联电路中，如果容抗大于感抗，即1/ωCωL，那么电路中将流过容性电流。电容上的电压等于电源电势加上电容电流流过电感造成的电压降，这种电容电压高于电源电势的现象，称为电容效应。1、空载长线的电容效应引起的工频过电压～RLUR.UL.EUCC..空载长线的简化等值电路E1U2UsXl12lIlZUjIlZIjlUUcossinsincos22122100CLkm/06.00Z：线路波阻抗，约300相位系数若线路末端开路，即：02I可得线路首末端电压关系为lUUcos/122'lkml1500kmf600050/103641波长谐振：线路末端电压将趋于无穷大电源的容量的影响:1、无限大容量（Xs=0）2、有限大容量（Xs0）加剧电容效应ZXarctgS空载线路终端电压的升高AUBAULINCAU2IjdI3I0302、中性点不接地系统电弧接地过电压jdI1C2C3C2I3IdABCNL23LI00max2)(UUUUUUsss..0.13/.).5.1(2upCupC健全相的最大过电压为3.5p.u.，故障相的最大过电压为2.0p.u.。限制过电压的措施中性点直接接地。采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。消弧线圈作用：①补偿流过故障点的电容电流，使电弧能自行熄灭，系统自行恢复正常工作状态。②降低故障相上的恢复电压上升的速度，减小电弧重燃的可能性。采用中性点经消弧线圈接地的运行方式2202313LCCULUIIkphphCLr消弧线圈的补偿度：脱谐度：22011CLCrIIIkγr0：欠补偿；γr0：过补偿；二、过电压的防护和限制措施1、防雷装置•防雷装置：避雷针、避雷线、避雷器、接地网。•保护原理：吸引雷电击于自身，使其附近的处于保护范围内的被保护物（导线、设备、建筑物等）免遭雷击；同时通过良好的接地装置，将雷电流泻入大地。•接地：•把设备与作为0电位参照点的地球作电气上的连接。•接地分类①工作接地：电力系统为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。③防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害。④静电接地：在可燃物场所的金属物体，蓄有静电后，往往爆发火花，以致造成火灾。因此要对这些金属物体（如贮油罐等）接地。•接地体：埋入地中并直接与大地接触的金属导体。•接地装置：将接地体与需要接地的设备接地端连接起来的装置。•接地电阻•接地点处的电位U与经接地装置入地的接地电流I的比值（R＝U/I）。•是大地电阻效应的总和（本体电阻+土壤电阻效应）。•接地电阻越大越好还是越小越好？避雷器（Arrester，Arr）限制过电压的保护装置。种类：保护间隙；管型避雷器；阀型避雷器：普通阀型（FS、FZ）、磁吹式（FCZ、FCD）；金属氧化物避雷器（又称ZnO避雷器）。不同类型的避雷器的保护特性存在明显差别。排气式避雷器1—产气管2—棒形电极3—环形电极S1—内间隙S2—外间隙架空线雷电波放电避雷器变压器阀型避雷器的保护原理避雷器•1非线性电阻元件•2火花间隙432154321567避雷器阀片的伏安特性u=ciα阀片的伏安特性i1—工频续流u1—工频电压i2—雷电流u2—避雷器残压阀型避