第三章 液体和固体电介质的击穿特性2018.4

一、 固体电介质的击穿机理
在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：
➢电过程（电击穿）
t< 0.2 s
➢热过程（热击穿）
t>0.2 s
➢电化学过程（电化学击穿） 数十小时
1 电击穿过程
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，电击穿过 程与气体中相似，碰撞电离形成电子崩。固体电介 质中存在的少量传导电子，在电场加速下与原子碰 撞，使其游离产生电子崩，从而引起击穿。
在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不均匀，击穿电 压不再随厚度的增加而线性增加。即使在电击穿的范围内，随 着介质厚度的增大，平均击穿场强仍将减小。当厚度增加使散 热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。
4、电压种类
直流击穿电压比工频击穿电压（幅值）高。而交 流电压下，工频交流击穿电压要高于高频交流击穿电 压。在冲击电压下，由于电压作用时间极短，一般发 生电击穿，因此击穿电压比工频交流和直流下都高。
无论电场均匀与否，变压器油的击穿电压都随电压作用时 间的增大而减小。
（五）压力的影响 不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频 击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油 中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增 大的缘故。
油中含气体时：压力↑ → Ub油↑(气体在油中溶解量↑) 油经脱气处理：压力对Ub油影响较小
非纯净液体电介质 （工程用液体电介质）
➢ 油中杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱 落纤维、液体本身老化分解。
➢ 小桥形成：由于水和纤维的介电常数分别为81和 6~7，比油的介电常数1.8~2.8大得 多，从而这些 杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。
受潮纤维在电极间定向示意图
油中受潮→水分(εr=81) 纸布脱落→纤维(εr=6~7)
介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部
放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要
原因。 电 化学
介质的 电老化
1) 产生活性气体对介质氧化、腐蚀； 2) 温升使局部介质损耗增加； 3) 切断分子结构，导致介质破坏。
表面漏电起痕与电蚀损
电介质中的树枝老化
在电化学击穿中，有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机 绝缘材料的场合。
➢ 条件：介质的电导很小，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。
➢ 电击穿的主要特征：
①与周围环境温度有关；
②击穿时间很短（10 μs～0.2s) ，击穿电压与时间
无关；
③击穿前介质发热不显著；
④电场均匀程度对击穿有显著影响。
2. 热击穿过程
• 击穿机理：固体介质会因介质损耗而发热，如果 周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不 断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、 碳化或烧焦，从而引起热击穿。
在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油 的品质的衡量标准，不能用此数值直接计算在不同条 件下油间隙的耐受电压。
（一）杂质的影响
水分：水在变压器油中有三种状态：
（1）溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；
（2）悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。
（3）沉渣态：沉淀于容器底部
溶解状的水对油的耐压影响不大；悬浮状的水分易形 成小桥，对击穿电压的影响较大。 沉淀于容器底部的 水分不在电场空间内，对油击穿无影响。
标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
（三）电场均匀程度的影响
电场越均匀，杂质越易形成小桥，杂质对油的击 穿电压的影响越大。
当电场极不均匀时，杂质对油的击穿电压的影响 很小。
在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改 善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油 的品质好坏几乎无关。
（四）电压作用时间
三、减小杂质影响的措施
（一）减少液体介质中的杂质 （1）过滤 使油在连续压力下通过滤油机中的滤纸， 即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水 分和有机酸等也会被滤纸所吸附。
三、减小杂质影响的措施
（2）祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，油中 所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件 下将油注入电气设备中，可以达到去除油中水分和 气体的目的。
• 若气体和水分溶于液体介质则对Ub影 响不大；
• 若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显 下降。
• 含水继续增多仅增加几条击穿并联通 道， Ub不再下降
• 当有纤维存在时，水分影响特别明显
（二）温度的影响
干燥的油 受潮的油
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系
0～80℃，Ub提高 （水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下 降（水分汽化）； 低于0℃，Ub提高 （水滴冻结成冰粒）
7、机械负荷
机械应力可能使某些原来较完整的电介质产生 开裂、松散，如该介质放在气体中，则气体将填充到 裂缝内，从而使击穿电压下降。
三、提高固体电介质击穿电压的方法
（1）改进制造工艺
如精选材料、真空干燥，尽可能清除电介质中 的杂质
（2）改进绝缘设计 如采用合理的绝缘结构、使电场尽可能均匀
（3）改善运行条件
➢ 因液体介质的密度比气体大得多，分子间的距 离比气体小得多，电子运动的平均自由行程短， 所以其击穿场强比气体高很多。
➢ （二）气泡击穿过程
纯净油的电气强度：相当高，可达800～1000kV/cm，但 提取工艺相当复杂。
➢ 电气设备在制造过程中难免混入杂质，运行中也会老 化而分解出气体和聚合物（蜡状物）。因此，工程上 用的绝缘油总是含有一些气体和杂质。
（3）防潮 油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时 可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入 口放干燥剂，以防潮气进入。
（二）采用固体电介质降低油中杂质的影响
➢ 覆盖层：指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层 （小于1mm），它的作用主要是使油中的杂质、 水分等形成的“小桥”不能直接与电极接触，从 而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质小桥 中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。
如果油中含有气泡，则他们在电场作用下可直接形成 气泡“小桥” ，从而导致击穿。
➢ 小桥击穿的特点：
(1) 与热过程紧密相连；
(2) 如果间隙较长则难以形成小桥，但因不连续的 小桥也会畸变电场，而引起间隙击穿电压降低；
(3) 小桥的形成和电极形状及电压种类有关：电场 极不均匀时，由于尖电极附近发生局部放电现象 造成油的扰动，而难以形成小桥；冲击电压下， 由于作用时间极短，小桥来不及形成。
随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果 在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往 往起主要作用。
但两者并无明显的界限。例如在工频交流1min.耐 压试验中的试品被击穿，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。
2、温度 周围环境温度小于t0时，击穿电压高，且与温度
二、影响液体介质击穿的因素
对液体介质，通常用标准试油杯测得的工频击穿 电压来衡量其品质的好坏。
黄铜电极
油间隙距 离2.5mm
绝缘外壳
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为 Ub > 25kV~40kV;
对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压 一般为Ub > 50kV~60kV。
5、累积效应
固体电介质属于非自恢复绝缘，在极不均匀电场 中，当作用在固体介质上的电压为幅值较低或作用时 间较短的冲击电压时，会使绝缘产生一定程度的损伤， 那么在多次施加同样电压时，绝缘的损伤会逐步积累， 其击穿电压也会降低，这种现象称为累积效应。
6、受潮
固体电介质受潮后其击穿电压的下降程度与材料 的吸水性有关。对不易吸潮的电介质，例如聚四氟乙 烯，受潮后击穿电压下降一半左右；对易吸潮的电介 质，如纸、纤维等，受潮后击穿电压仅为干燥时的几 百分之一。所以高压电气设备的绝缘在制造时应注意 烘干，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。
杂质“小桥”
沿电场极化 定向排列“杂质小桥”贯通两电极“杂质小桥”未贯通两电极
受潮纤维在电极间定向示意图
“杂质小桥”贯通两电极
如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电 流增大，发热会促使水分汽化，形成气泡；气泡扩大， 发展下去会出现气体小桥，气泡小桥贯穿，使油隙发 生击穿。
桥贯穿：G水、G纤大→i泄↑→发热↑→水分汽化，气泡扩大
➢ 绝缘层：指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料 （可达几十毫米），绝缘层不仅能起覆盖层的作 用，减小杂质的有害影响，而且它能承担一定的 电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀 电场中，包在曲率半径较小的电极上。
充油电力设备中很少采用裸导体。
➢ 屏障：又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙 中的固体绝缘板。屏障的作用一方面是阻隔杂质 小桥的形成；另一方面可改善油间隙中的电场分 布，从而提高油间隙的击穿电压。在极不均匀电 场中，曲率半径较小的电极附近场强高，会发生 电离，电离出的带电粒子被屏障阻挡，并分布在 屏障的一侧，使另一侧油隙中的电场变得比较均 匀，从而能提高油间隙的击穿电压。
变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。
固体电介质的电气强度
在气、液、固三种电介质中，固体材料密度最大， 耐电强度也最高。通常， 空气的耐电强度3kV/mm～4 kV/mm； 液体的耐电强度10kV/mm～20 kV/mm； 固体的耐电强度几十kV/mm～几百 kV/mm；
✓固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不 可恢复的绝缘。
一、液体介质的击穿机理
➢ 击穿理论研究现状：远不及气体介质击穿机理 研究，目前尚缺乏完善的击穿理论。
➢ 按击穿机理分类：纯净的和工程用(非纯净)。 液体电介质击穿形式： （1）电击穿（纯净液体电介质） （2）气泡击穿
工程用的液体电介质的击穿：可能发生电击穿， 也可能气泡击穿