高电压技术第9讲 液体电介质的击穿特性

高电压技术高电压技术屠幼萍屠幼萍[phone]+80795842，，[e-mail]@ncepu.edu.cn第第66讲讲液体电介质的击穿液体电介质的击穿屠屠幼幼萍萍++高电压与电磁兼容研究所高电压与电磁兼容研究所[phone]+80795842，，[e-mail]@ncepu.edu.cn主要内容主要内容„„液体电介质的击穿理论液体电介质的击穿理论„„影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介质击穿电压的因素„„提高液体电介质击穿电压的方法提高液体电介质击穿电压的方法一、液体电介质的击穿理论一、液体电介质的击穿理论液体电介质液体电介质：纯净的液体电介质：纯净的液体电介质工程用液体电介质工程用液体电介质/2222××1010--13132.12.1净化净化1010--16162.12.1高度净化高度净化0.50.5××1010--13132.12.1两次净化的两次净化的0.50.5××1010--10102.22.2未净化的未净化的电导率电导率γγ(S/m)(S/m)相对介电常数相对介电常数纯净程度纯净程度一、液体电介质的击穿理论一、液体电介质的击穿理论液体电介质液体电介质：纯净的液体电介质：纯净的液体电介质工程用液体电介质工程用液体电介质击穿机理不同：电击穿理论击穿机理不同：电击穿理论气泡击穿理论气泡击穿理论小桥击穿理论小桥击穿理论/22¾¾强场发射强场发射等原因产生的初始电子，在电场中被加等原因产生的初始电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离速，与液体分子发生碰撞电离¾¾在极不均匀电场中变压器油在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，首先在尖的击穿过程，首先在尖电极附近开始电离，有一个电极附近开始电离，有一个电离开始阶段电离开始阶段，然后是，然后是流注发展阶段流注发展阶段，流注是分级地向另一电极发展，后，流注是分级地向另一电极发展，后一级在前一级通道的基础上发展，放电通道会出现一级在前一级通道的基础上发展，放电通道会出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙，即贯通间隙的分枝，最后流注通道贯通整个间隙，即贯通间隙的阶段阶段与长空气间隙的放电过程很相似与长空气间隙的放电过程很相似/22„„纯净液体电介质的电击穿理论纯净液体电介质的电击穿理论¾¾各种原因产生气泡：各种原因产生气泡：电子电流电子电流加热液体，分解出气体加热液体，分解出气体电子碰撞电子碰撞液体分子，使之解离产出气体液体分子，使之解离产出气体静电斥力静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大电极凸起处的电晕电极凸起处的电晕引起液体气化引起液体气化/22„„纯净液体电介质的气泡击穿理论纯净液体电介质的气泡击穿理论¾¾机理：机理：串联介质中，场强的分布与介质的介电常数串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比。气泡成反比。气泡εεrr=1=1，小于液体的，小于液体的εεrr，承担比液体更，承担比液体更高的场强，而气体耐电强度却低，因此，高的场强，而气体耐电强度却低，因此，气泡先行气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生穿在此通道内发生/22„„纯净液体电介质的气泡击穿理论纯净液体电介质的气泡击穿理论(a)(a)形成形成““小桥小桥””(b)(b)未形成未形成““小桥小桥””受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图(a)(b)/22„„非纯净液体电介质的小桥击穿理论非纯净液体电介质的小桥击穿理论¾¾液体中的杂质在电场力液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线定向，并逐渐沿电力线方向排列成方向排列成杂质的杂质的““小桥小桥¾¾水分及纤维等的电导水分及纤维等的电导大，引起泄漏电流增大、大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽发热增多，促使水分汽化、气泡扩大化、气泡扩大¾¾液体电介质最后在气体液体电介质最后在气体通道中发生击穿通道中发生击穿与热过程密切相关与热过程密切相关--------热击穿热击穿主要内容主要内容„„液体电介质的击穿理论液体电介质的击穿理论„„影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介质击穿电压的因素„„提高液体电介质击穿电压的方法提高液体电介质击穿电压的方法/22二、影响液体电介质击穿电压的因素二、影响液体电介质击穿电压的因素„„液体介质本生品质的影响液体介质本生品质的影响较均匀电场、持续电压作用较均匀电场、持续电压作用下，油中稍有受潮、含杂，下，油中稍有受潮、含杂，击穿电压就明显下降击穿电压就明显下降规程规定在标准油杯中的工规程规定在标准油杯中的工频击穿电压：频击穿电压：用来灌注高压电力变压器等用来灌注高压电力变压器等的变压器油在的变压器油在2525∼∼40kv40kv以上以上((与设备的额定电压有关与设备的额定电压有关))灌注高压电缆和电容器的用灌注高压电缆和电容器的用油在油在5050或或60kv60kv以上以上用标准油杯来检查油的质量用标准油杯来检查油的质量我国平行存在三种标准试油电极我国平行存在三种标准试油电极Ub（有效值）/kV00.040.022040含水量×100¾¾含水量含水量变压器油的工频击穿电压和含水量的关系变压器油的工频击穿电压和含水量的关系/22„„液体介质本生品质的影响液体介质本生品质的影响液态水在油中的两种状态：液态水在油中的两种状态：以分子状态溶解于油中以分子状态溶解于油中以乳化状态悬浮在油中以乳化状态悬浮在油中随着温度的变化而相互转化：随着温度的变化而相互转化：00∼∼8080oocc含含0.1%0.1%的水分，油的击穿的水分，油的击穿电压降到干燥时的电压降到干燥时的15%~30%15%~30%考虑与温度关系考虑与温度关系¾¾含纤维量含纤维量在电场的作用下，在电场的作用下，纤维形成纤维形成““小桥小桥””，使油的击穿电压，使油的击穿电压降低降低有很强的有很强的吸附水分的能力吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低，联合作用使击穿电压降低更为严重更为严重¾¾含碳量含碳量碳粒的产生：碳粒的产生：电弧电弧碳粒对油耐电强度作用的两个方面：碳粒对油耐电强度作用的两个方面：碳粒具有碳粒具有较好的导电较好的导电，局部场强增加，击穿电压降低，局部场强增加，击穿电压降低活性碳粒有活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力很强的吸附水分和气体的能力¾¾含气量含气量油吸收、溶解一定量的气体：油吸收、溶解一定量的气体：温度、压力和化学成分温度、压力和化学成分溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降所溶气体的来源：所溶气体的来源：直接、分解、电解直接、分解、电解油中气体析出后，油中气体析出后，危害：危害：成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿电成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿电压压与油分子发生化学结合，氧化，加速老化与油分子发生化学结合，氧化，加速老化„„电压作用时间电压作用时间Ubp（kV）（峰值）01002003004005006007001234567891010-610-510-410-310-210-11101102t（s）冲击系数Kl最小值Φ5020稍不均匀电场中油的伏秒特性曲线稍不均匀电场中油的伏秒特性曲线((虚线表示未经研究过的区域虚线表示未经研究过的区域))/222001.5/40（＋）1.5/40（－）800700600500400300200100010-610-510-410-310-210-111011021033.02.52.01.51.00.5t（s）冲击系数，K（最小值）Ub,p（kV）(峰值)极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线((虚线表示未经研究的区域虚线表示未经研究的区域))„„电压作用时间电压作用时间不均匀电场中油的伏秒特性曲线不均匀电场中油的伏秒特性曲线((虚线表示未经研究过的区域虚线表示未经研究过的区域))/22作用时间小于毫秒级：作用时间小于毫秒级：电击穿性质，规律与电击穿性质，规律与气体的伏秒特性相似气体的伏秒特性相似作用时间超过临界值：作用时间超过临界值：热击穿性质，显著下热击穿性质，显著下降后，几分钟后达到降后，几分钟后达到稳定值稳定值油的冲击系数大，特别油的冲击系数大，特别在均匀场在均匀场2001.5/40（＋）1.5/40（－）800700600500400300200100010-610-510-410-310-210-111011021033.02.52.01.51.00.5t（s）冲击系数，K（最小值）Ub,p（kV）(峰值)从以上冲击伏秒特性可知：从以上冲击伏秒特性可知：„„油中杂质聚集到电极间及介质的发热都需要时间，油中杂质聚集到电极间及介质的发热都需要时间，所以油间隙击穿电压会随加压时间的增加而下降所以油间隙击穿电压会随加压时间的增加而下降„„油不太脏时，油不太脏时，11分钟下的电气强度和较长时间的电气分钟下的电气强度和较长时间的电气强度相差不大。强度相差不大。耐压试验通常只加电压耐压试验通常只加电压11分钟分钟„„电场均匀程度电场均匀程度¾¾电场较均匀时电场较均匀时油的品质对工频或直流电压下的击穿电油的品质对工频或直流电压下的击穿电压影响较大压影响较大¾¾电场极不均匀时，电场极不均匀时，油的品质对油的品质对工频或直流电压下的击工频或直流电压下的击穿电压穿电压影响很小，影响很小，强烈的电离使油扰动，杂质的聚集强烈的电离使油扰动，杂质的聚集和排列很困难和排列很困难无不论电场均匀与否，油的品质对冲击击穿电压均无无不论电场均匀与否，油的品质对冲击击穿电压均无显著影响显著影响¾¾液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过55％，％，而在均匀电场中可达而在均匀电场中可达3030∼∼4040％％/22„„温度温度t,℃4060408012020-400Ub，千伏（有效值）2.5毫米12较均匀电场较均匀电场油油工频击穿电压工频击穿电压与温度的关系与温度的关系11：干燥的油：干燥的油22：受潮的油：受潮的油/22较均匀电场：水的状态与温度较均匀电场：水的状态与温度有关，击穿电压变化复杂有关，击穿电压变化复杂固态：介电常数与油接近固态：介电常数与油接近液态：悬浮状、溶解状液态：悬浮状、溶解状气态气态极不均匀电场：电离及扰动使极不均匀电场：电离及扰动使““电桥电桥””不易形成，影响很小不易形成，影响很小工频电压作用下工频电压作用下冲击电压作用下冲击电压作用下电场、品质：击穿电压受温电场、品质：击穿电压受温度影响很小度影响很小„„压力压力p/MPa0.10.20.30.40.50.60.7dd=7.5cm2.55.0200150100500Ub(有效值)/kV变压器油（工程电介质）变压器油（工程电介质）工频击穿电压与压力的关系工频击穿电压与压力的关系/22‡‡工频电压提高的原因：工频电压提高的原因：油中气体的状态与压力油中气体的状态与压力有关，压力增大，气体有关，压力增大，气体在油中的溶解量增大在油中的溶解量增大气泡的放电起始电压也气泡的放电起始电压也提高提高‡‡升高程度不及气体间隙升高程度不及气体间隙主要内容主要内容„„液体电介质的击穿理论液体电介质的击穿理论„„影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介质击穿电压的因素„„提高液体电介质击穿电压的方法提高液体电介质击穿电压的方法三、提高液体电介质击穿电压的方法三、提高液体电介质击穿电压的方法„„提高以及保持油的品质提高以及保持油的品质„„覆盖层覆盖层„„绝缘层绝缘层„„屏障屏障„„沿面放电时改善电场分布沿面放电时改善电场分布/22„„提高以及保持