第三章 液体和固体电介质的击穿特性

2、采用固体介质降低杂质的影响 2）绝缘层——在曲率半径很小的电极包缠很厚的固体绝缘，改善 油中的电场分布。适用于极不均匀电场。
1）覆盖——在曲率半径较小的电极覆盖固体绝缘，以切断杂质小 桥、限制泄漏电流。适用于电场比较均匀的场合。
紧紧包在小曲率半径上 薄固体绝缘层（诸如电缆纸、黄蜡布、 漆膜等）称为覆盖，其厚度一般只有零点几微米，所以不会引起油 中电场的变化。它能阻止杂质小桥直接接触电极，因而能有效的控 制泄漏电流，从而阻碍杂质击穿过程的发展。电场约均匀，杂质小 桥对油隙击穿电压的影响越大，采用覆盖的效果越显著。由于采用 覆盖花费不多，而收效明显，所以在各种充油的电气设备中都很少 采用裸导体。
当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝缘层，一般 厚度为数毫米到数十毫米。绝缘层不但能象覆盖那样减小油中杂质 的有害影响，而且能降低电极表面附近的电场强度，大大提高整个 油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。变压器中某些线饼或静电屏 上包以较厚的绝缘层都是为了这个目的。
3）屏障——”油-纸”或“油-布”绝缘，切断杂质小桥，改善电场 分布，提高油间隙的工频击穿电压。屏障的形式要因电极形状而定， 并且，屏障要足够大，已能包住电极。 如果在油隙中放置尺寸、形状与电极相适应、厚度为1～5mm 的层压纸板（筒）或层压布板（筒）屏障，那么它既能阻止杂质小 桥的形成又象气体屏障那样拦住一部分带电粒子，使电场变得比较 均匀。电场越不均匀，放置屏障的效果越好。 如果用多重屏障将油隙分隔成多个较短油隙，则击穿场强能 提高更多。但相临屏障间距不宜太小，因为这不利于油隙冷却循 环。另一方面，屏障的总厚度也不能太大，因为固体介质的介电 常数比变压器油大。所以固体介质总厚度的增加会引起油中电场 强度的增大。通常设计时控制屏障的总厚度不大于整个油隙长度 的1/3。
（二）热击穿理论 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质长 期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围 散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散热将在一定条 件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质温度不会不断上升 而的导致绝缘的破坏。但是如果发热大于散热，介质温度将不断上 升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而发生热击穿。 特点： 1、击穿电压相对较低，击穿时间相对较长； 2、击穿电压与介质温度有很大关系； 3、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 心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿场强随厚度的增 大而降低。
二、影响液体介质击穿电压的因素 1、杂质 悬浮状水滴在油中是十分有 Ub(kV) 40 害的，如右图，当含水量为 万 分之几时，它对击穿电压就有明 显的影响，这意味着油中已出现 20 悬浮状水滴；含水量达0.02%时 击穿电压已下降至10kV，比不 含水分时低很多倍 。含水量继 0 0.02 0.04 含水量(%) 续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬 浮于水中，多余的会沉淀到油底部，但这对有的绝缘性能也 非常有害。 当油中有其他杂质时，击穿电压的下降程度随杂质的种类 和数量而异。
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第二节
固体介质的击穿特性
一、固体介质的击穿机理——电击穿、热击穿、化学击穿 （一）电击穿理论 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。 固体介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子）， 它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子） 不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞 时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子 ）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩， 破坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。
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液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用 的最多的液体介质是变压器油以及电容器油和电缆油。用作 内绝缘的固体介质常见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等。 以及用于制造绝缘子的电瓷、玻璃和硅橡胶等。
第三章 液体和固体电介质的击穿 特性
在本章中将扼要介绍液体个固体介质的主要电气参数和 基本概念以及它们在温度、湿度、电场强度、频率、电压类 型等因素影响下的变化规律
杂介质电导（或介质损耗）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，其击穿场强一般可达105～106kV/m，比热击穿时的击 穿场强高很多，后者仅为103～104kV/m。
电击穿的主要特征为：击穿电压几乎与周围环境温度无关 ；除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关系 不大；介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电压有显著影 响。
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；在稍不均匀电场中，也能使击穿电压提高25% 或更多。所以在电力变压器、油断路器、充油套管等设备中广泛采 用着“油-屏障”绝缘。当屏障表面与电力线垂直时，效果最好。所 以变压器中的屏障往往做成圆筒或角垫圈的形式。
油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘结构，以变 压器油作为主要介质，在油隙中放置若干屏障以改善油隙中电场分 布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高到30% ～ 50%。
液体电介质的作用：绝缘、散热、灭弧 主要的液体电介质：从石油中提炼出来的由各种碳氢化合物组成的 矿物油；人工合成的液体介质。 一、液体电介质的击穿机理 电击穿——纯净的液体 气泡击穿——杂质 1、电击穿过程——电子碰撞游离过程 当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射的电子将被电场加 速而具有足够的动能，在碰撞液体分子时可能引起电离，使电子数 加倍，形成电子崩。与此同时由碰撞电离产生的正离子将在阴极附 近集结形成空间电荷层，增强了阴极附近的电场，使阴极发生的电 子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流回急剧增大 ，从而导致液体介质的击穿。
240 160 80 0 100 102
d=6.35mm d=25.4mm 104 106 t(μs)
油隙的击穿电压会随着电压作用时间的增加而下降， 外加电压时间还会影响油的击穿性质。如图电压作用时间 为数百微妙前，杂质的影响没有显示出来，为电击穿。这 时影响因素主要是电场均匀度。时间更长，杂质开始聚集 ，油隙的击穿开始出现热过程，为热击穿。
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（1）如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串 联，由于纤维εr 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电 场显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电 离增强，这样下去点：在均匀电场中，当 工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋 即消失，油又恢复其电气强度；电压再增油中又可能出现火 花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定 的击穿。
纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中电子 碰撞游离的理论有些相似。但纯净液体的击穿场强要比气体介 质高得多（约高一个数量级）。
由电击穿理论知 ：纯净液体的密度增加时，击穿场强会 增大；温度升高时液体膨胀击穿场强会下降；由于电子崩的 产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很 短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于 工频击穿场强。
2、温度 变压器油的击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场均匀度、 油的品质以及电压类型的不同而异。 均匀电场油间隙时，在干燥油中随温度升高，击穿电压略有下 降，符合前述的电子碰撞电离。潮湿的油温度由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。 在极不均匀电场中，随着油温的上升击穿电压稍有下降，电压 的下降可用电子碰撞电离理论来说明，水滴等杂质不影响极不均匀 电场中的工频击穿电压。 不论在均匀电场中还是不均匀电场中，随着温度的上升，冲击 击穿电压均单调地稍有下降。这也可借助电子碰撞电离理论来加以 解释，而水滴等杂质的影响很小，因为在冲击电压作用下来不及形 成杂质小桥。
固体介质在长期工作电压的作用下，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。在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击 穿形式完成，也可以因劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。
电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切，但也因 介质种类的不同而异。通常无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。
2、气泡击穿理论 在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 εr 成 反比的。由于气泡的εr 最小（≈1），其电气强度又比液体介 质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体 积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带 电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大 。如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可 能在此通道中发生。 如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体 的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆 中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强 气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释 工程用变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质（主 要有气体、纤维和水分）的，这些杂质的介电常数和电导率 均与变压器油不同，从而会畸变油中电场，影响油的击穿。 由于水和纤维的 εr 很大，很易沿电场方向极化定向，并 排列成杂质小桥。这时会发生两种情况： （1）杂质小桥尚未接通电极。 （2）杂质小桥接通电极。
电化学击穿的击穿电压比热击穿和电击穿的击穿电压低，击穿 时间很长。
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三、提高液体介质击穿电压的方法 5、压力 无论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总 是随油压的增大而增大，这是因为油中气泡的电离电压增高和 气体在油中溶解度增大的缘故。但经过脱气处理的油，其工频 击穿电压就几乎与油压无关。 由于油中气泡等杂质不影响冲击击穿电压，故油压大小也不 影响冲击击穿电压。 对工程用油来说，应设法减少杂质的影响。通常采用过滤 、防潮、祛气等方法来提高油的品质，在绝缘设计中则可利用 “油—屏障”式绝缘来减少杂质的影响，这些措施都能显著提 高油隙的击穿电压 1、减少液体介质中的杂质 1）过滤——杂质被滤纸除去 2）祛气——加热除去油中的气体 3）防潮——在制造、检修及运行中注意去除油中的水分