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第三节：固体电介质的击穿
3.1 固体击穿理论
概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生 不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化 电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种 主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生 电离性老化：在介质夹层或介质内部如果存在气隙或气泡，在交 变场下气隙或气泡的场强会比邻近固体介质内的场强大得多，而 气体的起始电离场强又比固体介质低得多，所以在该气隙或气泡 内很容易发生电离。气隙或气泡的电离，通过上述综合效应，会 造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化等形式)，并沿 电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状 发展，称作“电树枝” 电导性老化：如果在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质( 例如水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐 HV & EMC Laboratory 深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝” North China Electric Power University
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第二节：液体电介质的击穿
2.2 影响液体击穿电压的因素
1 杂质：处于悬浮状态的气体、水分和 固体颗粒；电场越均匀影响越大，击 穿电压分散性也越大；不均匀电场中 局部放电扰动液体，不易形成“小 桥”；对冲击击穿电压影响不大。
表征参数：
tg
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第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.3 介质损耗与温度、频率的关系
非极性或弱极性电介 质损耗很小，损耗主 要由电导决定
t＜t1时： 电导和极化损耗都很小， 随着温度的升高，极化损耗显著增加 t1 ＜ t ＜t2: 由于分子热运动加快，妨 碍极性分子的转向极化，极化损耗的 减小比电导损耗的增加更快 t＞t2时： 电导损耗占主要部分
3.1 固体击穿理论
1 电击穿：少量传导电子－电子撞击原子发生电离－当 电子崩发展到一定程度时－击穿。特点：时间短，电压 高，温度低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环 境无关。
2 热击穿：介损发热＝》温度升高＝》电导增大＝》发 热增大＝》介质分解炭化。特点：与各种使热量聚集的 因素有关 3 电化学击穿：局部放电引起劣化击穿。（很多有机材 料虽然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差。）
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第一节：液体固体电介 质的极化电导损耗
1.2 电介质电导
施加直流电压于固体 介质时的泄漏电流：
1 瞬时充电电流Ic： 冲击性质 2 吸收电流Ia：渐减 性质：夹层极化电荷 与空间极化电荷的来 源 3 泄漏电流Ig：恒定 值；由介质电导决定
I
ic
Ia
ig
0
i 'a i 'c
t
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第一节：液体固体电介质的极化导损耗
1.2 讨论电导的意义
1 控制电场分布：直流电压下，串连介 质中的电场强度与电导率成反比；套管 法兰附近上半导体釉；发电机线棒出槽 部位上半导体涂层
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化种类
电子位移极化
E=0 E + + +
离子位移极化
(a)无外电场
转向极化
-+-+ -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ -+ (b)有外电场
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第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 讨论极化的意义
1 选材：电容器－介电常数较大－增大电容值；电缆－介电 常数较小－减小电容电流；套管－介电常数较小－提高沿面 闪络电压 2 控制电场分布：交流及冲击电压下，串连介质中的电场强 度与介电常数成反比 3 控制介质发热：转向极化等有较大能量损耗＝》介质发热 ＝》老化劣化和热击穿 4 绝缘检测：夹层极化电荷积累时间很长＝》时间取决于电 导＝》介质受潮后往往电导增大＝》时间缩短
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第二节：液体电介质的击穿
2.1 液体击穿理论
1 电击穿：阴极发射电子－电子撞击液体分子发生电离－正 离子形成空间电荷层，加强阴极表面电场－电流剧增，击穿 2 气泡击穿：产生气体（1）电子撞击液体分子发生分解，2） 阴极发射电子电流加热分解液体，3）尖电极电晕液体汽化， 4）原有气泡带电后体积变大）＝》气泡电离＝》气泡温度升 高，电离发展＝》产生更多气体＝》气泡堆积形成气体“小 桥”＝》沿“小桥”击穿 3 工程液体的“小桥”击穿：杂质（多数介电常数较大）极 化，并沿电场方向排列＝》沿杂质通道泄漏电流增大，使水 分汽化、液体分解＝》气泡电离、膨胀，形成“小桥”＝》 沿“小桥”击穿
Ub（有效值）/kV
40
20
2 温度：冰－溶解－汽化＝击穿电压 “N”形变化
3 电压作用时间：杂质与小桥的形成时 间 4 5 电场均匀程度 压力
0
0.02
含水量×100
0.04
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第三节：固体电介质的击穿
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化种类
1 电子位移极化：所有物质；电子与原子核相对位移；时间 极短，与频率无关；无能量损耗；温度升高时略微下降； 2 离子位移极化：离子式无机物；正负离子相对位移；时间 极短，与频率无关；微弱能量损耗；温度升高时略微升高 3 偶极子转向极化：极性共价化和物；分子转向；时间较长， 频率增大时减小；有较大能量损耗；温度升高时先增大后减 小 4 夹层极化：多层介质；夹层界面聚集电荷；时间很长，仅 在低频率下存在；有较大能量损耗； 5 空间电荷极化：含有自由离子的介质；离子向电极集结； 时间很长，仅在低频率下存在；有较大能量损耗；
第三节：固体电介质的击穿
3.2 局部放电－水树枝
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第三节：固体电介质的击穿
3.3 影响固体击穿电压的因素
1 电压作用时间：很短时间－电击穿；较长－热击穿、电 热联合；很长时间－电化学击穿 2 温度：环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低 3 电场均匀程度：均匀电场中击穿电压与厚度成正比；不 均匀电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。 4 电压种类：冲击击穿电压长大于工频击穿电压 5 积累效应：局部损伤积累－注意冲击或工频试验次数 6 受潮：易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至1％ 7 机械负荷：出现微观裂缝后击穿电压显著下降（零值绝 缘子）
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化
极化概念：在外施电 压下介质中原来彼此 中和的正负电荷产生 了相对位移，形成电 矩，使介质表面出现 了束缚电荷。 现象：电容增大
表征参数：相对 介电常数
c Q0 Q r 0 c0 Q0
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第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.3 介质损耗
含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：
P pV E 2tgV U 2ctg
单位体积介质中的损耗功率：
P EJr EJctg E 2tg
2 绝缘检测：介质受潮后往往电导增大， 泄漏电流增大
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第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.3 介质损耗
Jg：真空和无损极化引起的电流密度 Jlk ：漏导引起的电流密度 Jp：有损极化引起的电流密度
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第四节：电介质其他性能
1 热性能：短时耐热；长时耐热；耐热等级（A-105度， B－130度）；耐寒等级（10＃变压器油＝－10度凝固）。 2 机械性能：脆性、塑性、弹性 3 吸湿性能： 4 化学稳定性和抗生物特性
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第一节：液体固体电介质的极化电导损耗