液体绝缘击穿理论
液体电绝缘介质及其击穿特性
绝缘油分类
1、矿物油。 矿物油是从石油中提炼精制旳液体绝缘材料。石油旳主要成份是烷烃、环 烷烃和芳香烃，这些组分旳电气性能和老化稳定性优良。应用最广泛旳矿 物油就是变压器油。
2、合成油。 由人工合成旳液体绝缘材料。因为矿物绝缘油是多种碳氢化合物旳混合物， 难以除净降低绝缘性能旳组分，且制取工艺复杂，易燃烧，耐热性低，因 而人们研究、开发了多种性能优良旳合成油。如有机硅油和十二烷基苯等。
❖1 变压器油
【学习任务】了解变压器油旳基本特征和用途， 熟悉变压器油旳运营要求。
▪ 表征绝缘材料性能旳几种基本电气参数：
▪ ε －介电常数 ---表征极化强弱 ▪ ρ －电阻率 ---表征导电性能 ▪ γ －电导率 ▪ tgδ －介质损耗角正切 ---表征介质损耗大小
▪ E0 －击穿场强 ---表征绝缘性能（耐电性能） ▪ U －耐受电压 ▪
影响液体电介质击穿电压旳原因
4、电压作用时间
油旳击穿电压与电压作用时间有关。因为油旳击穿需要一定旳时间，所以 油间隙击穿电压会随所加电压作用时间旳增长而下降。 当电压作用时间较长时，油中杂质有足够旳时间在间隙中形成“小桥”， 击穿电压下降。对一般不太脏旳油做一分钟击穿电压和长时间击穿电压旳试 验成果差不多. 所以做油耐压试验时，只做一分钟。
变压器油旳物理性质
5）油旳闪点：油加热时所发生旳蒸气与空气所形成旳混合物， 在火焰接近时而闪火，此时是以温度作为闪点。闪点是表征油 旳蒸发度，油旳闪点越低，其挥发性越高。挥发性越小越好或 者说闪点越高越好，新油原则应不低于135℃。
二、变压器油旳基本特征
变压器油旳化学性质
1）酸值：变压器油旳酸值是指油中有机酸旳数值，油旳中 和酸度是指氧化试验后来旳数值。酸度旳常用计量措施是中 和所需旳KOH旳质量（mg），用mgKOH／g表达。酸性大 旳油会腐蚀金属设备。当油中有水分时，腐蚀性质强，酸价 逐年增大，反应了油旳劣化。
高电压技术 液体介质的击穿
2.4 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
2.4.1 油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点
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）
屏蔽电极的均压原理1（均压环）
工程中应 用很多！
屏蔽电极的均压原理2（均压环）
a:只考虑对地电容CE b:只考虑对导线电容CL c:同时考虑CE和CL
工程中应 用很多！
pause
2.6 电力系统过电压与绝缘配合
过电压（over voltage）
电气设备上出现的高于工作电压的电压
按来源形式分类
绝缘油的老化（氧化、温度》》》油枕） 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
绝缘与导体之间（化学反应、相容）
支柱绝缘子内屏蔽
330kV绝缘子柱
330kV及以上的悬式绝缘子串 一般也装有均压环 绝缘子数决定于线路所要求 的绝缘水平： 35kV-3片 110kV-7片 200kV-13片 330kV-19片 500kV-28片
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
2.3.3.1 局部放电的等值电路
Cm>>Cg>>Cb
Cb ug u C g Cb
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) C m Cb 对间隙g放电的电容量为： C g C m Cb
变压器油进行耐压试验时击穿现象和原理
变压器油进行耐压试验时击穿现象和原理
在电力工业中，变压器是一种至关重要的设备。
它们被用来将高电压的电能转换为低电压的电能，以满足各种不同的电力需求。
然而，为了确保变压器的安全性和效率，我们需要对其进行定期的耐压试验。
本文将深入探讨变压器油进行耐压试验时可能出现的击穿现象以及
其背后的原理。
首先，让我们理解什么是耐压试验。
耐压试验是检查电气设备绝缘性能的一种方法，通过施加高于额定电压的电压来测试设备是否能够承受这种压力。
在变压器的耐压试验中，我们通常会施加一个比正常运行电压更高的电压，以模拟可能遇到的最高电压情况。
然而，当变压器油进行耐压试验时，如果超过了其绝缘强度，就可能会发生击穿现象。
这是因为在高压下，油中的气体会被电离，形成导电通道，从而导致电流通过油流过设备，这就是击穿现象。
那么，为什么变压器油会发生击穿呢？这主要与变压器油的性质有关。
变压器油是一种绝缘液体，它的主要作用是隔离带电部分和接地部分，防止电流通过。
然而，变压器油本身并不是完全不导电的。
实际上，当油受到高压冲击时，其中的气体会被电离，形成导电通道。
此外，油中的杂质也可能会导致击穿。
那么，如何避免或减少击穿现象的发生呢？首先，我们需要选择足够高的试验电压，以确保设备的绝缘强度能够承受这种压力。
其次，我们需要定期对变压器进行维护和检查，以确保其绝缘性能良好。
如果发现有损坏或老化的部件，应立即更换。
最后，我们还需要对操作人员进行培训，让他们了解如何正确地进行耐压试验。
5液体、固体介质的击穿
（3）散热比较困难，工作温度低（＜90℃），易受潮， 且受潮后击穿场强显著降低。
应用： 广泛用于电力电容器、高压套管、互感器、电缆、 变压器等。
2、油-屏障绝缘：以油作为主要介质，屏障是为了改善油
隙的电场分布和阻止杂质小桥的形成。
特点： 结构及生产工艺较简单，散热良好； 但电气强度较油-纸绝缘低。
二、影响固体介质击穿的因素
电压作用时间、 E均匀程度、温度、受潮、累积效应等
1、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，击穿电压当然较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压 数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。 不过二者有时很难分清，例如工频1min耐压试验中试 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。
3.1 液体介质的击穿
一、液体介质的击穿机理
主要包括天然矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。 工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质， 它们对液体介质的击穿有很大的影响。
1、纯净液体介质的击穿理论
（1）电子碰撞游离理论（电击穿理论） 在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子时可引起游离，使 电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间 电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多， 导致液体介质击穿。
2、采用固体介质降低杂质的影响
机理：阻止杂质小桥的形成和发展 （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。
液体绝缘击穿理论
液体绝缘击穿理论饶文彬用以隔绝不同电位导电体的液体。
又称绝缘油。
它主要取代气体，填充固体材料内部或极间的空隙，以提高其介电性能，并改进设备的散热能力。
例如，在油浸纸绝缘电力电缆中，它不仅显著地提高了绝缘性能，还增强散热作用；在电容器中提高其介电性能，增大每单位体积的储能量；在开关中除绝缘作用外，更主要起灭弧作用。
性能液体绝缘材料均具有优良的电气性能，即击穿强度高,介质损耗角正切(tanδ)小，绝缘电阻率高,相对介电常数εb 小（电容器中为了增大储能则要求εb 大）；其次是具有优良的物理和化学性能。
如汽化温度高，闪点高,尽量难燃或不燃；凝固点低,合适的粘度和粘度－温度特性；热导率大，比热容大；热稳定性好，耐氧化；在电场作用下吸气性小；它和与之接触的固体材料之间的相容性要好；毒性低、易生物降解。
还要求来源广、价格低。
开关油还要求在电弧作用下生成的碳粒少、易分散、沉淀快。
超高压变压器油则要求油的流动产生的静电荷少。
采取精制处理清除油中的杂质和水分，可以提高油的绝缘性能。
常用的方法是用白土(Al 2O 3·mSiO 2·nH 2O)、硅胶或活性氧化铝等吸附剂进行吸附精制，亦可用溶剂精制或电净化。
为抑制绝缘油的老化，应加强设备的散热，隔绝空气并添加抗氧剂。
20世纪60年代初发展的油中气体分析（气相色谱）技术，可对变压器进行异常监测与诊断，以确保其安全运行。
分类液体绝缘材料可按其极性分为弱极性、非极性、极性、强极性等几类。
弱极性和非极性液体绝缘材料（以矿物油为代表）的固有电偶极矩小，相对介电常数εb 约为2.2。
εb随温度的升高略有下降,与电压的频率无关,εb的温度系数和它的体积膨胀系数有相同数量级。
介质损耗主要来自电导。
由于极性小,不易吸附杂质,或吸附杂质后易于精制，因此电导率γ和tanδ可较小。
温度升高，载流子的活化能增大,故γ和tanδ随温度升高而增大。
tanδ与电压的频率成反比。
液体电介质的击穿特性
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3. 电压作用时间
Ubp（kV）（峰值） 冲击系数Kl最小值
700
Φ
600
50
20
50
0
10-6 10 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 1
t（s）
10 9 8
7 6
5 4 3 2 1
10 2
稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
(虚线表示未经研究过的区域)
(虚线表示未经研究的区域)
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4. 电场均匀程度
油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能 使工频或直流电压下的击穿电压明显提高
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5％，而在均匀电场中可达3040％
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5.压强
Ub(有效值)/kV
d
主要内容
液体电介质的击穿理论 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
（一）液体电介质的击穿理论
液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质
击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论
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1. 纯净液体电介质的电击穿理论
液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场 中被加速，与液体分子发生碰撞电离
在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，先在 尖电极附近开始电离，电离开始阶段以后是流 注发展阶段，流注分级地向另一电极发展，放 电通道出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙
与长空气间隙的放电过程很相似
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2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论
当外加电场较高时，液体介质内由于各种原因 产生气泡 1）电子电流加热液体，分解出气体； 2）电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 3）静电斥力，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； 4）电极凸起处的电晕引起液体气化。
高电压工程4(液固击穿)
四. 提高固体电介质击穿电压的措施
1. 改进制造工艺 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀
2. 改进绝缘设计
采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽 可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除 接触处的气隙
3. 改善运行条件 注意防潮、防尘；加强散热
五. 绝缘老化
电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化 学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气 和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。
局部放电使电介质劣化损伤的机理：
• 放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和 腐蚀作用，使介质逐渐劣化；
• 放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升， 加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加；
• 带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂 解；
• 放电产生的高能辐射线引起材料分解；
4. 受潮
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。因为电导率和介质损耗大大增加的缘 故。
5. 累积效应
固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压 、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。它会导致固体介质击穿电 压的下降。
浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 潮湿的油由0℃开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为
害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 ℃后，水开始
汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 ℃～80℃间出
现最大值
四、提高液体介质击穿电压的方法
1.3液体电绝缘介质及其击穿特性
小桥理论
极性分子
水分
纤维 被游离的气体 气泡小桥 气泡游离
在E作用下 在电极间
逐渐排列成小桥
将间隙接通
形成气泡
水分汽化
发热
泄漏电流
从而导致油间隙的击穿
杂质“小桥”形成带有统计性，因而工程液体电介质的击穿电压有较大的分散性。
2
液体电介质的击穿
液体电介质通常用标准试油杯按标准试验方法测得的工频击穿电压来 衡量其品质的优劣。
新油或良好的变压器油，介质损耗角常温时（20～30℃）一般在
0.1%以下，运行中油的介质损耗角一般不大于0.5%。
变压器油的电气性能 3）击穿电压
变压器油绝缘强度限值（kV） 设备额定电压 15及以下 20～35 63～220 330 500 击穿电压（kV） 运行中 ≥20 ≥30 ≥35 ≥45 ≥50 新油 ≥25 ≥35 ≥40 ≥50 ≥60
1
变压器油
一、变压器油的作用
（一）绝缘作用
在电气设备中，变压器油将不同电位的带电部分隔离开来，使不致 于形成短路。因为空气的介电常数为1.0，而变压器油的介电常数为 2.25。油的绝缘强度要比空气的大得多。变压器绕组之间充满了变 压器油，增加了耐电强度，绝缘就不会被击穿，并且随着油的质量 提高，设备的安全系数就越大。
1
变压器油
二、变压器油的基本特性
由于矿物绝缘油是由各种烃类组成，因此在运行中受温度、 空气、金属、电场等的影响，会逐渐劣化，如遇高温过热等设 备故障，则油质劣化加速，因此电力系统对油品的性能、质量 是有严格要求的。变压器油为了能很好地发挥它在绝缘、散热 以及灭弧等多方面的功能作用，其本身必须具备良好的化学、 物理和电气等方面的的基本特性。
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液体绝缘击穿理论
饶文彬
用以隔绝不同电位导电体的液体。
又称绝缘油。
它主要取代气体，填充固体材料内部或极间的空隙，以提高其介电性能，并改进设备的散热能力。
例如，在油浸纸绝缘电力电缆中，它不仅显著地提高了绝缘性能，还增强散热作用；在电容器中提高其介电性能，增大每单位体积的储能量；在开关中除绝缘作用外，更主要起灭弧作用。
性能
液体绝缘材料均具有优良的电气性能，即击穿强度高,介质损耗角正切(tanδ)小，绝缘电阻率高,相对介电常数εb 小（电容器中为
了增大储能则要求εb 大）
；其次是具有优良的物理和化学性能。
如汽化温度高，闪点高,尽量难燃或不燃；凝固点低,合适的粘度和粘度－温度特性；热导率大，比热容大；热稳定性好，耐氧化；在电场作用下吸气性小；它和与之接触的固体材料之间的相容性要好；毒性低、易生物降解。
还要求来源广、价格低。
开关油还要求在电弧作用下生成的碳粒少、易分散、沉淀快。
超高压变压器油则要求油的流动产生的静电荷少。
采取精制处理清除油中的杂质和水分，可以提高油的绝缘性能。
常用的方法是用白土(Al 2O 3·mSiO 2·nH 2O)、硅胶或活性氧化铝等吸附剂进行吸附精制，亦可用溶剂精制或电净化。
为抑制绝缘油的老化，应加强设备的散热，隔绝空气并添加抗氧剂。
20世纪60年代初发展
的油中气体分析（气相色谱）技术，可对变压器进行异常监测与诊断，以确保其安全运行。
分类
液体绝缘材料可按其极性分为弱极性、非极性、极性、强极性等几类。
弱极性和非极性液体绝缘材料（以矿物油为代表）的固有电偶
极矩小，相对介电常数ε
b 约为2.2。
ε
b
随温度的升高略有下降,与电
压的频率无关,ε
b
的温度系数和它的体积膨胀系数有相同数量级。
介
质损耗主要来自电导。
由于极性小,不易吸附杂质,或吸附杂质后易于精制，因此电导率γ和tanδ可较小。
温度升高，载流子的活化能增大,故γ和tanδ随温度升高而增大。
tanδ与电压的频率成反比。
极
性液体绝缘材料的固有电偶极矩大，故ε
b
较大，一般为3～7。
强极
性液体绝缘材料的ε
b
更大。
由于存在较大的本征离子电导,且易吸附杂质,故γ和tanδ较大。
由于存在偶极损耗,使tanδ和温度、电压频率的关系出现峰值，使用中应注意避开峰值的温度和频率。
纯净液体的击穿主要是碰撞电离击穿和气泡击穿，因而密度大的液体击穿强度较高；升温使密度减小，击穿强度降低；减薄油层可提高击穿强度；随着电压作用时间的减少与环境压力的提高，击穿电压提高。
工程液体绝缘材料因含气、水和杂质，在电场作用下易形成跨越电极间的汽泡(气桥)、水泡(水桥)、杂质(杂质桥)，从而使击穿电压降低。
祛气、脱水、滤除杂质可以提高绝缘油的击穿场强。
处理完善的绝缘油,在标准电极(电极直径为25毫米，极间距离为2.5毫米,电极边缘曲率半径为2毫米)中击穿电压约为35～70千伏。
液体绝缘材料按材料来源可分为矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油 3大类。
工程技术上最早使用的是植物油，如蓖麻油、大豆油、菜籽油等，至今仍在使用。
蓖麻油是优良的脉冲电容器的浸渍剂，与菜籽油一样，都可用于金属化电容器。
为满足各种电工设备的不同要求，又开发了多种类型的合成绝缘油，并得到广泛应用，如供高温下使用的硅油以及十二烷基苯、聚丁烯油等。
但工程上使用最多的仍然是矿物绝缘油。