第二章 液体和固体介质的电气特性

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。
若近似地认为Ur≈0，则：
1 W qUi 2
2 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
E
+++ ---
直流下局放频率很低，其危害性远小于交流时
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：
绝缘级别 最高容许温度 O A E B F H C 90 105 120 130 155 180 >180
绝缘级别
O
A
E
B
F 155
H
C
最高容许温度 90 105 120 130
180 >180
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）
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。
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：
空载线路终端电压的升高
2、中性点不接地系统电弧接地过电压
2
B C 3
BA U
N
N
U CA
I 2
I 3
I 3
I jd
I L
L A
U A
300
d I jd
I L
C1
C2
C3
I 2
U max U s (U s U 0 ) 2U s U 0
2C (1.5 p.u.) / 3C 1.0 p.u.
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
（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（Partial Discharge，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。
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
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。
U E1 1 d1 / 1 d 2 / 2
U E2 2 d1 / 1 d 2 / 2
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
1r1 2 r2 n rn
第五节 绝缘的老化
绝缘老化：
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；
U cos l jI Z sin l U 1 2 2 j U 2 sin l I cos l I 1 2 Z
0 I 若线路末端开路，即： 2
E

Xs
U1
1

l
U2
2

Z：线路波阻抗，约300 相位系数 L0 C 0 0.06 0 / km
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（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
外部过电压（雷电过电压）：雷云放电。
（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）。
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
可得线路首末端电压关系为
U / cos l U 2 1
1 4 波长谐振：线路末端电压将趋于无穷大
'l 2
l 1500 km
f 3 10 6 / 50 6000 km
电源的容量的影响: 1、无限大容量（Xs=0） 2、有限大容量（Xs>0）加剧电容效应
XS arctg Z
绝缘上的电压变化：
Cb Cb U g U r U g U r U Cb C m Cm
q Cb U g U r
Cb q q r C g Cb
视在放电量可能比真实 放电量小得多！
单次局部放电的能量
C m Cb 1 W Cg 2 C m Cb 2 2 U U r g
C m Cb Cg C m Cb
真实放电量Δqr为：
C m Cb q r Cg C C m b U g U r C g C b U g U r
不可测！
视在放电量 Δq=放电时试品上电压变化ΔU╳试品电容
Cb C g q U C m Cb C g q UCm
采用中性点经消弧线圈接地的运行方式
0 IL 1 2 消弧线圈的补偿度： k r 2 I C 3CU ph 3 LC 02 IC I L 脱谐度： 1 k r 1 2


1 1 1 C g Cb U g U r W C g Cb U g U r U g U r qr U g U r q 2 2 2 Cb
设Cg放电时试品上电压为Ui，则： Ui Cb 1 U g U r W q U g Ui 2 Ug C g Cb
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
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 ）
变压器油工频击穿 电压与温度的关系
1年=31536000s
（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。
局部放电导致绝缘 劣化。
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
1、局部放电的等值电路
Cm>>Cg>>Cb
Cb ug u C g Cb
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)