69国内精品一区二区三区 固体、液体的击穿电压特性与影响因素

固体电介质和液体电介质的击穿特性

固体电 介质 和液体电 介质 的 电气强度 一般都比空气的 电气强度 高得多，其用作内绝缘可以大大减小 电气设备 的结构尺寸，因此被广泛用作 电气设备 的内绝缘和绝缘支撑等。最常见的固体电 介质 有绝缘纸、环氧树脂、玻璃纤维板、云母、电瓷、硅橡胶及塑料等，应用得最多的液体电 介质 是变压器油。固体电 介质 和液体电 介质 与气体电 介质 的 电气 特性有很大不同。首先固体及液体的有机 介质 在运行过程中会逐渐发生老化，从而影响绝缘的 电气强度 和寿命；其次固体电 介质 一旦发生 击穿 即对绝缘造成不可逆转性破坏，故称其为非自恢复绝缘；固体电 介质 和液体电 介质 的 击穿 机理与气体电 介质 也不同。虽然目前人们对固体和液体电 介质击穿 过程的理解不如气体的那么清楚，但已经提出了几种不同的 击穿 机埋。

4.1固体电介质的击穿机理

在电场作用下，固体电 介质 的 击穿 可能会因电的作用、热的作用或电化学的作用所引起，因此 击穿 过程比较复杂。

4.1.1 电 击穿

固体电 介质 的电 击穿 是指仅由于电场的作用而直接造成固体绝缘 击穿 的物理现象。

关于固体电 介质 电 击穿 的机理有种种理论和假设，归结起来即认为在强电场下固体电 介质 内部存在的少量带电粒子作剧烈的运动，与固体电 介质 晶格结点上的原子发生碰撞电离，形成电子崩，从而破坏了固体 介质 的晶格结构，使电导增大而导致 击穿 。

电 击穿 的主要特点是 击穿电压 与周围环境温度无关，与 电压 作用时间也关系不大， 介质

形成电子崩，从而破坏了固体 介质 的晶格结构，使电导增大而导致 击穿 。

电 击穿 的主要特点是 击穿电压 与周围环境温度无关，与 电压 作用时间也关系不大， 介质 发热不显著；但电场的均匀程度对 击穿电压 影响很大。电 击穿 所需的场强比较高，一般可达 10 ⁵ ～10 ⁶ kV/m。当 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时，固体电 介质 所发生的 击穿 一般为电 击穿 。

4.1.2 热 击穿

热 击穿 是由于电 介质 内部的热不稳定所造成的。当固体电 介质 较长时间地处在外 电压 作用下，由于 介质 内部的损耗而发热，致使温度升高，从而使 介质 的电导和 tan δ 都增大，这反过来又使温度进一步升高。若到达某一温度后，发热量等于散热量， 介质 的温度则停止上升而处于热稳定状态，这时将不致引起绝缘 强度 的破坏。然而，这种热稳定状态不是在任何情况下都能建立的。如果散热条件不好，或 电压 达到某一临界值，使绝缘的发热量总是大 于 散热量，这时将会使 介质 的温度不断升高，直至 介质 分解、熔化、碳化或烧焦，造成热破坏而丧失其绝缘性能，这就是热 击穿 的过 程。

在交流 电压 作用下，单位体积 介质 的功率损耗 P随温度的升高增大，且关系式为

式中： tan δ ₀ 为温度t ₀ 时的 介质 损耗角正切；t为温度； δ 为与 介质 有关的系数；C为绝缘结 构的电容； U为外加 电压 。

单位时间产生的热量 Q ₁ 与 介质 损耗功率P成正比，即

即

式中： A为比例 常数 。

假定产生的热量只能从电极两边散出，则单位时间内散出的热量 Q ₂ 为

式中： σ 为散热系数；S为散热面积。

Q ₁ 和 Q ₂ 与温度的关系可用图4-1来表示。由于体电 介质 的tan δ 随温度按指数规律上升， 故 Q ₁ 也随温度按指数规律上升(图1-1中曲线1~3)，Q ₂ 则与温度呈线性关系(见图4-1中曲线4)。在不同的外加 电压 下，可画出不同的发热曲线Q ₁ (U ₁ )、Q ₁ (U ₂ )、Q ₁ (U ₃ )，此处U ₁ ＜U ₂ ＜U ₃ 。 显然，只有发热量和散热 量 处于热平衡状态时，即Q ₁ =Q ₂ ， 介质 才会处于热稳定状态，具有某一稳定的工作温度，不会发生热 击穿 。

由图 4-1可见，当 电压 为较低值U ₁ 时，相应的发热曲线Q(U ₁ )与Q ₂ 相交于A点，对应的温度为 t _A ，A点为稳定的工作点。一旦 介质 温度上升，t＞ t _A ，则由于散热量大于发热量，将使温度下降到 t _A ；t＜ t _A ， 则由于发热量大于散热量又会使温度再回升到 t _A ，所以 介质 就有一个稳定的工作温度 t _A ，不会引发热 击穿 。

当 电压 升高到 U ₂ 时，相应的发热曲线Q ₁ (U ₂ )与Q ₂ 相切于K点，对应于K点的温度为t _K ， K点是不稳 定的热平衡点，仅仅在 t= t _K 时才达到热平衡。如果有 偶然因素使 介质 温度略有升高，则由于 Q ₁ ＞Q ₂ 而使 温度继续升高，直到发生热 击穿 ，因此，可以将 电压 U ₂ 看作是发生热 击穿 的临界 电压 值。这是因为当U＞U ₂ 时，曲线Q ₁ (U ₃ )不再与Q ₂ 有交点，这时不论在什么温度下总是发热大于散热，使 介质 的温度不断上升，必然会造成热 击穿 。

热 击穿 的主要特点是 击穿电压 随环境温度的升高呈指数规律下降， 击穿电压 直接与 介质 的散热条件相关。由于厚度大的 介质 散热困难，所以热 击穿电压 并不随 介质 厚度成正比增加。热 击穿 需要热量的积累，而热量的积累需要时间，因此加压时间短时，热 击穿电压 将增高。此外， 电压 频率或 介质 的 tan δ 增大，都会使 介质 发热量增大，导致热 击穿电压 下降。

4.1.3 电化学 击穿

固体电 介质 在长期工作 电压 作用下，由于 介质 内部发生局部放电，产生活性气体 O ₃ 、 NO、NO ₂ ，对 介质 产生氧化和腐蚀作用，同时产生热量引起局部发热，以及在局部放电过程中带电粒子的撞击作用，导致绝缘劣化或损伤，使其 电气强度 逐步下降并引起 击穿 的现象称为电化学 击穿 。电化学 击穿 是一个复杂而缓慢过程，在临近最终 击穿 阶段，可能因劣化处损耗增加，温度过高而以热 击穿 形式完成；也可能因 介质 劣化后 电气强度 下降，而以电 击穿 形式完成。

在电化学 击穿 中，还有一种树枝状或丛状放电的情况，这通常是发生在有机 绝缘材料 (如交联聚乙烯)的场合。当有机 绝缘材料 中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状或丛状放电，并在有机固体 介质 上留下纤细的放电痕迹，这就是树枝状放电劣化。在交流 电压 下，树枝状放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体 介质 引起电化学劣化的结果。在冲击 电压 下，则可能是局部电场 强度 超过了材料的电 击穿 场强所致。

4.2影响固体电介质击穿电压的因素

影响固体电 介质击穿电压 的因素很多，下面仅对主要影响因素作一些介绍。

4.2.1 电压作用时间

以常用的油浸电工纸板为例，如图 4-2所示，以其1min 工频击穿电压 (峰值)为基准值(100%)，纵坐标用标幺值表示。电 击穿 与热 击穿 的分界点时间在10 ⁵ ～10 ⁶ μ s之间， 电压 作用时间大于此值后的 击 穿 为热 击穿 ，小于此值的 击穿 则属于电 击穿 。由图可见， 电压 作用时间越长， 击穿电压 越低，1min 击穿电压 与更长时间的 击穿电压 已相差不大。所以，通常可将1min 工频 试验 电压 作为基础来估计固体电 介质 在 工频电压 作用下长期工作时的热 击穿电压 。尚需指出，许多有机 绝缘材料 的短时间 电 气强度 虽然很高，但由于它们耐局部放电的性能 较差，以致其长时间 电气强度 较低，这一点必须予以重视。在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中 (如旋转电机)，就必须采 用云母等耐局部放电性能好的无机 绝缘材料 。

由图 4-2还可以看出，在电 击穿 区域内，在 较宽的时间范围内油浸电工纸板 击穿电压 与 电压 作用时间几乎无关，只有在时间小于微秒级时 击穿电压 才随 电压 作用时间减小而升高，这一点与气体放电的伏秒特性很相似。其雷电冲击 击穿电 压 约为 工频击穿电压 的3倍。

4.2.2 电场均匀程度

均匀、致密的固体 介质 如处于均匀电场中，其 击穿电压 往往比较高，且 击穿电压 随 介质 厚度的增加近似地呈线性增加。若在不均匀电场巾，则 击穿电压 较均匀电场中降低，且随着 介质 厚度的增加使电场更不均匀， 击穿电压 也不再随 介质 厚度的增加而线性增加。当 介质 厚度的增加使散热困难时，又会促使发生热 击穿 ，这时靠增加 介质 厚度来提高 击穿电压 就没有多大的意义。

4.2.3温度

固体 介质 电 击穿 的场强很高，而与温度几乎无关，但其热 击穿电压 则随温度的升高而降低。由于环境温度高不利于固体 介质 的散热，会使热 击穿电压 下降。所以，用固体 介质 作 绝缘材料 的 电气设备 ，如果某处局部温度过高，在工作 电压 下就会有热 击穿 的危险。为了降低绝缘的温度，常采取一些散热措施，如加强风冷、油冷及加装散热器等。

4.2.4受潮

固体 介质 受潮会使 击穿电压 大大降低，其降低程度与 介质 的性质有关。对于不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性 介质 ，受潮后 击穿电压 仅降低一半左右；对于易吸潮的材料，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的 击穿电压 可能只有干燥时的百分之几或更低，这是因为电导率和 介质 损耗均大大增加的缘故。所以高压绝缘结构不但在制造时要注意除去水分，在运行中也要注意防潮，并定期检查受潮情况，一旦受潮必须进行干燥处理。

4.2.5 累积效应

固体 介质 在不均匀电场中，或者在雷电冲击 电压 下，其内部可能出现局部放电或者损伤，但并未形成贯穿性的 击穿 通道，但在多次冲击或 工频 试验 电压 作用下，这种局部放电或者伤痕会逐步扩大，这称为累积效应。显然，由于累积效应会使固体 介质 的绝缘性能劣化，导致 击穿电压 下降。因此，在确定 电气设备 试验 电压 和试验次数时应充分考虑固体 介质 的这种累积效应，在设计固体绝缘结构时亦应保证一定的绝缘裕度。

4.3固体电介质的老化

电 介质 在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理化学变化，从而使 介质 的物理、化学性能产生不可逆转的劣化，导致电 介质 的 电气 及机械 强度 下降， 介质 损耗及电导增大等，这一现象称为绝缘的老化。

引起绝缘老化的原因很多，主要有热的作用、电的作用、机械力的作用以及周围环境因素的影响，如受潮、氧、臭氧、氮氧化物、各种射线以及微生物的作用等。各种不同的因素除了本身能对绝缘产生老化作用外，还常常互相影响，加速老化过程，尽管老化过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，但从老化的特征上可将其大体划分为电老化和热老化两大类型。

4.3.1 固体介质的电老化

电老化主要是由于电场的作用所产生。根据电老化的性质不同，又可分为电离性老化、电导性老化和电解性老化。

1.电离性老化

电离性老化主要指绝缘内部存在的气隙或气泡在较强电场下发生电离而产生局部放电所引起的绝缘老化。

局部放电引起绝缘老化的机理被认为是：带电粒子对 介质 的撞击可使有机 介质 主链断裂，使高分子解聚或部分变成低分子；局部放电引起局部过热，高温使 绝缘材料 产生化学分解；局部放电产生的活性气体 O ₃ 、NO、NO ₂ 对 介质 的氧化和腐蚀，以及由局部放电产生的紫外线或X射线使 介质 分解和解聚；随后放电道通沿电场方向逐渐向绝缘深处发展，在某些高分 子 有机绝缘中常发展成树枝状，称为 “电树枝"。电树枝的不断发展最终将导致绝缘 击穿 。因此，许多高压 电气设备 都将局部放 电 水平作为检验其绝缘质量的重要指标。

绝缘中气隙或气泡引起局部放电的机理可以这样来解释：当固体 介质 内部含有气隙时，气隙及与其相串联的固体 介质 中的场强分布是与它们的 介电常数 成反比。气体 介质 的 介电常数 比固体 介质 的 介电常数 小得多，因此气隙中的电场 强度 要比固体 介质 中的电场 强度 高得多，而气体的 电气强度 又较固体 介质 低，所以当外加 电压 还远小于固体 介质 的 击穿电压 时，气隙中的气体就首先发生电离而产生局部放电。

下面对局部放电的发展过程作简单分析。

固体 介质 内部有单个小气隙时的等效电路如图 4-3所示。图中，C _g 为气隙的电容，C _b 是与气隙串联的固体 介质 的电容，C _a 是固体 介质 其余完好部分 的电容， Z为气隙放电脉冲的电源阻抗。一般情况下气隙较小，所以 C _b ≪ C _g ，且 C _b ≪ C _a 。

将瞬时值为 u的交流 电压 施加在固体 介质 时，C _g 上分得的 电压 为

当 u _g 随u增大到气隙的放电 电压 U _s 时，气隙放电。放电产生的正负电荷在外加电场作用下分别聚积在气隙与固体 介质 的上下交界面上，它们建立的电场与外加电场方向相反，从而使C _g 上的 电压 急剧下降到剩余 电压 U _r ，放电熄灭。但由于外加 电压 u还在上升，C _g 上的 电压 又随外加 电压 u充电到U _S ，开始第二次放电。同理，第二次放电产生的正负电荷所建立的电场与外加电场方向相反，所以C _g 上的 电压 会再次下降到剩余 电压 U _r ，放电熄灭。当外加 电压 u 不断下降时，气隙界面电荷产生的附加电场会超过外加电场，导致反向放电发生。依此类推，可以推出第四次、第五 次、第六次等放电出现的位置与放电的极性，如图 4-4(a)所示。因此，随着C _g 的充放电过程使局部放电重复发生，从而在电路中产生由局部放电引起的脉冲电流，如图4-4(b)所示，其频率范围在200～400kHz。

C _g 每次放电时，其放电电荷量为

其中： q _r 为真实放电量。由于C _g 、C _b 和C _a 实际上都是无法测定的，所以q _r 也无法测定。但是气隙放电引起的 电压 变动(U _s - U _r )会按反比分配在C _b 、C _a 上(因从气隙两端看C _b 、C _a 是相串联的)。设在C _a 上的 电压 变动为 ∆ u，则有

这就是说，当气隙放电时，固体 介质 两端的 电压 也会产生 电压 降落 ∆ u，这相当于固体 介质 放掉电荷q，即

其中： q为视在放电量。

通过电源充电在回路中形成电流脉冲。 ∆ u和q的值都是可以测量的，因此，通常将q作为度量局部放电 强度 的参数。从以上各式可以看出，q既是发生局部放电时试品电容所放掉的电荷，也是电容C _b 上的电荷增量。比较式(4-6)和式(4-8)可得

即视在放电量通常比真实放电量小得多，但 q与 q _r 呈线性关系，因此通过测量q可以相对地反映出 q _r 的大小。

实验研究表明，视在放电量，放电重复率和一次放电所消耗的能量是反映局部放电强弱的三个基本参数。

如前所述，在交流 电压 下，当外加 电压 较高时，局部放电在半周期内可以重复多次发生，而在直流 电压 下情况就不一样。由于直流 电压 的大小和方向均不变，所以一旦气隙产生放电，所产生的空间电荷建立的附加电场会使气隙中的电场削弱，导致放电熄灭，直到空间电荷通过 介质 内部的电导消散，使附加电场减小到一定程度后，才能开始第二次放电。由于电 介质 的电导很小，所以空间电荷的消散速度极慢。因此，在其他条件相同的情况下，直流 电压 下单位时间内的放电次数一般要比交流 电压 下小 3～4个数量级，从而使得 介质 在直流 电压 下的局部放电所产生的破坏作用远比交 流 电压 下小。

2. 电导性老化

电导性老化指某些高分子机合成 绝缘材料 内部在某些液态的导电物质 (最常见的是水分或制造过程中残留的某些电解质溶液)，在电场 强度 超过某一定值时，这些导电液就会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树枝状的痕迹，称为 “水树枝"，使 介质 的绝缘特性老化。

“水树枝"是由于水或其他电解液中的离子在交变电场作用下往复冲击 介质 ，使其疲劳损伤和化学分解，随之逐渐渗透扩散到 介质 深处所形成的。实践表明，产生 “水树枝"所需的电场 强度 要比产生 “电树枝"所需的场强低得多；“水树枝"一旦产生其发展速度也比“电树枝"快。

3.电解性老化

电解性老化指在所加 电压 还远低于局部放电起始 电压 的情况下，由于 介质 内部进行的化学过程 (尤其在直流 电压 下最为严重)造成对 介质 的腐蚀、氧化，使 介质 逐渐老化。当有潮 气侵入电 介质 时，由于水分本身就能离解出 H ⁺ 和O ^- 离子，则会加速电解性老化。随着温度的升高，化学反应速度加快，电解性老化的速度也随之加快。

4.3.2固体电介质的热老化

固体电 介质 的性能在长期受热的情况下逐渐劣化，失去原来的优良性能，称为热老化。热老化的主要过程为热裂解、氧化裂解以及低分子挥发物的逸出。热老化的特征大多数是使 介质 失去弹性、变硬、变脆，机械 强度 降低，也有些 介质 表现为变软、发黏、变形，失去机械 强度 ，与此同时 介质 的电导变大， 介质 损耗增加， 击穿电压 降低，绝缘性能变坏。

由于温度的升高将使热老化过程加速，所以根据热老化决定的绝缘寿命与绝缘的工作温度密切相关。国际电工委员会将各种电工 绝缘材料 按其耐热性能划分等级，并确定各级 绝缘材料 的最高持续工作温度，见表 41。

表 4-1                      电工绝缘材料的耐热等级

使用温度超过表 4-1的规定， 绝缘材料 将迅速老化，寿命大大缩短。实验表明，绝缘的工作温度超过规定值8℃，则寿命大约缩短一半，这通常称为热老化的8℃规则。实际上对其他各级绝缘的温度规定值并不都是8℃，如B级绝缘为10℃，H极绝缘为12℃等。

有机 绝缘材料 在热的作用下发生着各种化学变化，包括氧化、热裂解和缩聚等，这些化学反应的速率决定了材料的热老化寿命。因此，可应用化学反应动力学推出材料寿命和温度的关系。在温度低于 绝缘材料 的上限工作温度时，有机绝缘由热老化所决定的绝缘寿命的近似计算式为

式中： T为实际使用温度下的绝缘寿命；A为标准使用温度下的绝缘寿命； θ 为绝缘的实际使用温度； θ ₀ 为绝缘的标定使用温度； α 为热老化系数，由绝缘的性质、结构等因素决定，对级绝缘 α 在0.065~0.12范围内。

为了获得最佳的经济技术效益，在当今的技术经济条件下，对大多数 电气设备 (如发电机、变压器、电动机等)绝缘的正常使用寿命一般认定为20～25年，由此就可以确定出该 设备 的标准使用温度。

4.4液体电介质的击穿机理

液体电 介质 主要有天然矿物油和人工合成油以及蓖麻油 (植物油)。目前用得最多的是从石油中提炼出的矿物油，通过不同程度的精炼，可得到分别用于变压器、断路器、电缆及电容器等高压 电气设备 中的各种液体电 介质 ，相应称为变压器油、电缆油和电容器油。液体电 介质 除用作 电气设备 的绝缘 介质 外，还用作冷却 介质 (如在变压器中)或灭弧 介质 (如在断路器中)。

目前人们对液体电 介质击穿 机理的研究远不及对气体电 介质 的研究那么充分，这是因为纯净的液体电 介质 和通常含有某些杂质 (如水分、空气、微粒及纤维等)的液休电 介质 的 击穿 特性存在着很大差异。液体电 介质 分为两大类，即纯净的和工程用的(不很纯净的)，在高 电压 工程中应用最多的液体电 介质 是各种各样的绝缘油，其中尤以变压器油使用的最为广泛，故在下文的讨论中，将以变乐器油为主要对象，

一般认为，变压器油的 击穿 存在两种形式：一种是纯净的变压器油主要发生电 击穿 ，另一种是含石水蒸气或其他悬浮杂质的工程用变压器油则主要发生热 击穿 。

4.4.1 纯净液体电介质的击穿机理

纯净液休电 介质 的 击穿 机理与气体电 介质 的 击穿 机理类似。因为在液体电 介质 中，也总是会由于外界的高能射线或局部强电场的作用或阴极的强电场发射等原因，使 介质 中存在有一些初始电子，这些电子在电场的作用下，向阳极作加速运动，产生碰撞电离，形成电子崩，导致液体电 介质 的 击穿 。但由于液体电 介质 的密度远较气体的大，电子的自由行程很小，所以纯净液体电 介质 的 击穿强度 大大超过气体的 击穿强度 (约大一个数量级)。

4.4.2 含气泡液体电介质的击穿机理

当液体电 介质 中存在气泡时，在交流 电压 下，气泡中的电场 强度 与油中的电场 强度 按各自的 介电常数 成反比分布，从而在气泡上分配到较大的场强，但气体的 击穿 场强又比液体电 介质 的 击穿 场强低得多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升，体积膨胀，密度减小，促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使之又分解出气体，导致气体通道进一步扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成连通两电极的所谓 “小桥"， 击穿 就可能在此通道中发生。

气泡 击穿 理论依赖于气泡的形成、发热膨胀、气体通道的扩大并排列成 “小桥"，有热的过程，所以属热 击穿 的范畴。

4.4.3 工程用变压器油的击穿机理

气泡 击穿 理论可以推广到由其他悬浮杂质引起的 击穿 ，比较好地解释工程用变压器油的 击穿 过程。

工程用变压器油属于不很纯净的液体 介质 ，即使将极为纯净的油注入 电气设备 中，也难免在注入过程中会有杂质混入。比如，注油时油的搅动会有空气混入；油与大气接触时也会发生氧化，并从中吸收气体和水分：运行中油本身也会老化，分解出气体、水分和聚合物；以及各种纤维从固体 绝缘材料 上脱落到油中，使油中总含有少量的杂质，等等。这些杂质的 介电常数 和电导与油本身的相应参数不相同，这就必然会在这些杂质附近造成局部强电场。在电场力的作用下，这些杂质很容易沿电场方向极化定向，并排列成杂质 “小桥"，如果杂质“小桥"贯穿于两电极之间，由于组成“小桥"的纤维及水分的电导较大，发热增加，促使水分汽化，形成气泡“小桥"连通两极，导致油的 击穿 。即使杂质 “小桥"尚未贯通两极，但在各段杂质“小桥"的端头，其电场 强度 也会增大很多，使该处的油发生电离而分解出气体，使 “小桥"中气泡增多，促使电离过程增强，最终也将出现气泡“小桥"连通两极而使油 击穿 。由于这种 击穿 依赖于 “小桥"的形成，所以也称此为解释变压器油热 击穿 的所谓 “小桥"理论。

变压器油也具有自恢复绝缘的特性，这是因为由 “小桥"引起的火花放电会使纤维烧毁，水滴汽化，油的扰动以及油具有一定的灭孤能力等，使得电 介质 的绝缘 强度 得以恢复。

4.4.4变压器油的电气强度

由于液体电 介质击穿 理论很不成熟，只能在一定程度上定性地解释其 击穿 的规律性，因此对变压器油的 电气强度 也需通过试验予以确定。

工程上用标准油杯按照标准试验方法来测定变压器油的 工频击穿电压 。我国采用的标准油杯如图 4-5所示。图中，极间距离为2.5mm，电极是直径 为 25mm、厚度为4mm的一对圆盘形铜电极，电 极与油杯杯壁及试油液面的距离不小于 15mm。对为了减弱其边缘效应，电极的边缘被加工成半径为2.5mm的半圆，使电极间的电场近乎均匀。

试验时由于油 击穿 的分散性，应取 5次 击穿电压 的平均值，且每次 击穿电压 与平均值的偏差不超过+25%；否则应继续试验，直到获得5个不超过平均值士25%的数值为止。以这5次 击穿电压 的平均值作为被试油样的 工频击穿电压 值(kV)，或换算成 击穿 场强(kV/cm)。

我国规定不同 电压 等级 电气设备 中变压器油的 电气强度 应符合表 4-2的要求。

由表 4-2可见，变压器油在标准油杯和标准试验条件下的 击穿电压 在20～60kV之间，相应的 击穿 场强有效值为80～240kV/cm，约为空气 击穿 场强的4～10倍。顺便指出，工程用变压器油作冷却 介质 时，油的凝固点至关重要，因此按照油的凝固点不同将油分为各种不同的牌号。比如，25号变压器油即其凝固点温度为-25℃。由此可见，高寒地区运行的变压器应选 用高牌号的变压器油。

表 4 -2 不同电压等级电气设备中变压器油的电气强度要求

4.5 影响液体电介质击穿电压的因素

4.5.1 水分及其他杂质

水分在变压器油中可以三种状态存在： ① 以分子状态溶解于油中； ②以小水珠状态悬浮于油中；③水分过多，以至于有水分沉淀在油的底部。实验表明，以分子状态溶解于变压器油中的水分对油的 击穿电压 影响不大 。 对变压器油的 击穿 危害最大的是悬浮于油中的小水珠，因为这种小水珠在电场作用下会发生极化而沿电场方向 伸 长，并在极间排列成导电 “小桥"。图4-6为在标准油杯 中 测出的变压器油的 工频击穿电压 与含水量的关系。由图可见，在常温下，只要变压器油中含有0.01%的水分，就会使油的 击穿 场强下降到干燥时的15%～30%。当水分含量超过0.02%时，多余的水分即沉淀到变压器油的底部，因此油的 击穿电压 不再降低。但是这种沉淀水对变压器油的绝缘性能的危害不可忽视，因为沉淀状的水随着温度 及其他条件的变化随时都可以转化为悬浮状的水分。

由 “小桥"理论可知，其他固体杂质也会使油的 击穿电压 下降。特别是一些极性的纤维 介质 ，极易吸潮，并沿电场方向极化而形成杂质 “小桥"，使油的 击 穿电压 大大下降。然而，从油中分解出来的碳粒却对 油的 击穿电压 影响较小，所以在油断路器中允许用油 既作灭弧 介质 ，又作绝缘 介质 。但是，碳粒的沉淀形成汕泥则易造成油中沿固体表面的放电，同时也影响散热，然而，在冲击 电压 下，由于 电压 作用时间极短，以至于杂质来不及形成 “小桥"，所以杂质对油的冲击 击穿电压 的影响也不大。

4.5.2 电压作用时间

电压 作用时间对油的 击穿电压 影响很大， 击穿电压 会随 电压 作用时间的增加而下降。 电压 作用时间还会影响油的 击穿 性质。如图 4-7 所示，当 电压 作用时间极短 (小于毫秒级)时， 如雷电冲击 电压 的作用，则油的 击穿 纯属电 击穿 ， 击穿电压 比较高，且 击穿电压 随时间的变化规律与气体 介质 的伏秒特性相似。当 电压 作用时间大于毫秒级以后，则呈现为热 击穿 的性质，且随着 电压 作用时间的增长， 击穿电压 显著下降。

4.5.3 电场的均匀程度

对于纯净变压器油，如电场比较均匀则可以大大提高油的 工频击穿电压 和冲击 击穿电压 。对于含有杂质的变压器油，由于其 击穿电压 主要取决于杂质 “小桥"的形成，所以电场的均匀程度对 击穿电压 的影响相对减小。

4.5.4温度的影响

变压器油的 击穿电压 与油温的关系比较复杂，随电场的均匀程度、油的纯净程度以及 电 压 类型的不同而不同。

标准油杯中变压器油 工频击穿电压 有效值与温度 的关系如图4-8所示。图中，曲线1为纯净油，油温升高，有利于碰撞电离，所以 击穿电压 略有下降；曲线2为有水分的油，视温度对水分存在状态的影响情 况而异。比如；油温从 0 ℃ 开始升高，有利于悬浮状的水滴在油中的溶解，所以 击穿电压 随之升高。但油 温超过 80℃，水分开始汽化，产生气泡，则又会使油的 击穿电压 降低。由图4-8可见，变压器油温在60~80℃范围内， 击穿电压 出现最大值；油温在0～5℃范围内，全部水分转化为乳浊状态，导电“小桥"最易形成，出现 击穿电压 最小值；油温低于0℃时，则 水滴结成冰粒，油的密度变大，其 击穿电压 又会升高。

在极不均匀电场中，随着油温的上升 工频击穿电压 稍有下降，水滴等杂质对极不均匀电场下变压器油的 工频击穿电压 影响较小，这是因为不均匀电场中的电晕会引起杂质的扰动。应该指出，不论在均匀电场还是不均匀电场中，随着温度的上升，冲击 击穿电压 均单调地稍有下降，这可借助电子碰撞电离理论予以解释。

4.5.5 压力的影响

不论电场是否均匀，当压力增加时，工程用变压器油的 工频击穿电压 都会随之升高，只是在均匀电场中，这个关系更为明显些。但如果将变压器油中所含气体处理干净，则压力对油隙的 击穿电压 就几乎没有什么影响了。分析认为，压力的影响主要是因为变压器油中所含气体的放电 电压 随压力的增大而增大，但压力对油的 击穿电压 的影响远不如气体那样显著。

由于变压器油中气体等杂质不影响冲击 击穿电压 ，所以压力也不影响冲击 击穿电压 。

4.5.6 面积效应及体积效应的影响

与气体电 介质 相类似，液体电 介质 的 击穿电压 也会受到面积效应的影响。也就是，当电极面积越大时，电极表面严重的突出物和一些影响 击穿电压 的偶然因素出现的概率也越大，因而会导致 击穿电压 下降。另外，与固体电 介质 类似，绝缘油的 击穿 还会受到体积效应的影响。当油的体积增大后，绝缘缺陷出现的概率增大，导致 击穿 场强降低。

4.5.7 变压器油的老化

1.变压器油老化的特征

变压器油的老化可以大大降低油的 击穿电压 ，油的老化主要是热老化。以变压器油为例，其老化具有下列特征：

(1)颜色逐渐深暗，从淡黄色变为棕褐色，从透明变为混浊。

(2)黏度增大，影响散热；闪点降低；灰分和水分增多。

(3)酸价增加，油中所含的低分子酸量增加，腐蚀性增大。

(4)绝缘性能变坏，表现为 电阻率 降低， 介质 损耗增大， 击穿电压 降低。

(5)出现沉淀物，影响绕组的冷却。

变压器油老化的机理主要是油的氧化。新绝缘油在与空气接触的过程中逐渐吸收氧气，初期吸收的氧气与油中的不饱和碳氢化合物起化学反应，形成饱和的化合物，这段时期称为初期。此后油再吸收氧气，就生成稳定的油的氧化物和低分子量的有机酸 (如蚁酸、 醋酸 等)，也有部分高分子有机酸(如脂肪酸、沥青酸等)，使油的酸价增高。这种油对绕组绝缘和金属都有较强的腐蚀作用，这段时期称为中期。此后，绝缘油进一步氧化，油中酸性产物达一定浓度时，便产生加聚和缩聚作用，生成中性的高分子树脂及沥青等，使油呈混浊的胶凝状态，最后成为固体的油泥沉淀。在此 加聚和缩案过程中，同时析出水分，这段时期称为后期。生成的油泥如沉淀在绕组上，将影响绕织的散热。劣化到一定程度的油，就不能再继续使用，用物理方法也不能使其恢复，必须予以更换，或另行再生处理。

由上可见，温度是影响变压器油老化的主要因素之一。试验表明：当温度低于 60～70℃时，油的氧化作用很小，高于此温度时，油的氧化作用就开始显著了；此后，大约是温度每增高10℃，油的氧化速度就增大1倍；当温度超过115～120℃时，其情况又大有不同，不仅出现氧化的进一步加速，还可能伴随有油本身的热裂解，这一温度称为油的临界温度。随 着油的来源、成分和精炼程度不同，其临界温度也稍有差别。为此，在油的运行中或油的处理过程中 (如加热干燥等)，都应该避免油温过高，一般规定最高不允许超过115℃。

此外，光照和电场也都会加速变压器油的老化。

2.延缓绝缘油老化的方法

(1)装设扩张器。其作用是供油热胀冷缩，使油与空气接触面减小，且扩张器内油温较低，吸氧量小。例如在油扩张器中设置隔气胶囊，则可供油自由胀缩，并将油与大气隔绝。

(2)在油呼吸器通道 中 装设吸收氧气和水分的过滤器。用氯化钙、硅胶、氧化铝等吸收水分；用粉末状的铜、氯化铵、纯洁的铁等吸收氧气。

(3)用氮气来排挤出油内吸收的空气。 有 的变压器或高压套管采用密闭并充氮的方法 来 防止油的氧化。

(4) 掺入 抗氧化剂，以提高油的稳定性，抗氧化剂只有在新油或再生过的油中有效，因为它只能延长前述初期的时间，既不能阻止氧化过程的进行，更不能使已氧化的油还原。

(5)将已老化的变压器油进行再生处理。

4.5.8 变压器油流速的影响

在大型电力变压器的实际运行中，由于强制油循环或者不同部位油温差造成的自然对流，都使绝缘油处于流动状态。油的流动会影响杂质 “小桥"的形成，因而其 击穿 特性与静止状态下有较大不同，如图4-9所示。油流速的增加会阻碍“小桥"的形成，使得 击穿电压 有所升高。但当油流速进一步增大后，体积效应会起主导作用，即单位时间内通过高电场区域的油体积增大，出现绝缘缺陷的概率升高，导致 击穿电压 下降。

4.5.9 提高变压器油击穿强度的常用措施

油中杂质是降低油的 工频击穿电压 的决定性囚素。因此，设法减少油中杂质，提高油的品质，是提高工程用变压器油 击穿电压 的首要措施。

(1)通过过滤提高油的品质，常用的方法是采用加热式真空过滤，可以有效地驱除油中所含的气体、水分及其他固体杂质，

(2)在绝缘结构设计中采用对金属电极覆盖一层很薄(小 于 1mm)的固 体 绝缘层，覆盖可以有效地隔断 杂质 小桥连通电极，减小回路流经杂质小桥的电导电流，阻碍热 击穿 过程的发展。而且油的品质越差，此法提高 击穿电压 的效果越显著。

(3)包绝缘层。如果把上述的覆盖层加厚到几毫米甚至几十毫米的绝缘层，利用绝缘层的 介电常数 比油的大，可有效地使被覆盖的电极附近的电场 强度 减弱，减少电极附近油的局部放电，从而提高油的 击穿电压 ，

(4)采用极间障(绝缘屏障)。与提高气隙 击穿电压 所使用的绝缘屏障相类似，在油间隙中也可以设置极间障来提高油隙的 击穿电压 。通常是用电工厚纸板或胶布层压板做成，形状可以是平板或圆筒，视具体情况而定，厚度通常为2～7mm。

极间障的作用： ①阻隔杂质小桥的形成；②在不均匀电场中利用极间障一侧所聚积的均匀分布的空间电荷使极间障另一侧油隙中的电场变得比较均匀，从而提高油隙的 击穿电压 。

在油间隙中，有时甚至设置几个极间障，可以使油隙的 击穿电压 提高更多。在变压器和充油套管中经常采用多个极间障，如此处理可将油的 击穿电压 提高 30%以上。

4.6组合绝缘的击穿特性

高压 电气设备 绝缘必须具有优异的 电气 性能外，还要求具有良好的热性能、机械性能及其他物理化学性能，单一的电 介质 往往难以同时满足这些要求，所以实际中绝缘一般采用多种电 介质 的组合。

4.6.1 组合绝缘的配合原则

电气设备 的绝缘通常都不是由单一的电 介质 所构成，而是由多种电 介质 组合而成。例如，变压器的外绝缘是由套管的瓷套与周围的空气所组成，其内绝缘则是由纸、布带、胶木筒、变压器油等多种固体 介质 和液体 介质 组合而成。组合绝缘的 电气强度 不仅取决于所用各种电 介质 的 电气 特性，而且还与所用各种电 介质 相互之间的配合是否合理有密切关系，其配合原则如下：

(1)由多种 介质 构成的层叠绝缘，应尽可能使组合绝缘中各层 介质 所承受的电场 强度 与其耐电 强度 成正比。此时，使各种 绝缘材料 利用得合理、最充分，整个组合绝缘的 电气强度 也最高。

例如，在直流 电压 下，各层 介质 承受的 电压 与其电导成反比；但在交流和冲击 电压 下，各层 介质 承受的 电压 则与其 介电常数 成反比。因此，在直流 电压 下应将 电气强度 高、电导率大的 绝缘材料 用在电场强的地方；而在交流 电压 下，应将 电气强度 高、 介电常数 大的 介质 用在电场强的地方。显然，这种配合有利于均匀电场分布，使原来电场 强度 较强的地方此时电场 强度 相对减小。

(2)在组合绝缘中，各部分的温度也可能存在较大的差异，所以在设计组合绝缘结构时，还要注意温度差异对各层 介质 的 电气 特性和 电压 分布的影响(因为温度升高， 介质 的电导增大)。

(3)将多种 介质 进行组合应用时，应尽可能使它们各自的优缺点进行互补，扬长避短，从而使总体的 电气强度 得到加强。例如，绝缘纸或纸板含有大量的空隙，所以在一般情况下纸的 电气强度 是不高的，但通过真空干燥和用油 浸渍 后所形成的纸与油的组合绝缘却可以使这两种 介质 的优势互补，大大提高整体的绝缘性能，其短时 击穿 场强可高达500～600kV/cm ， 大大超过各 自 单一 介质 的 电气强度 (油的 击穿 场强为200kV/cm，纸的 击穿 场强为100～150kV/cm)。这种油纸组合绝缘广泛用于电缆、电容器、电容式套管和变压器等 电气设备 中。

(4)采取合理工艺，处理好每层 介质 的接缝及 介质 与电极界面的过渡处理。因为，叠层式组合绝缘有很多是每层由绝缘纸带或胶带进行缠绕，这时要求每层缠绕时要有一定的搭接长度(一般为50%，即上层带的中间正好压在下层带的缝隙上)，以充分排除气隙，并防止沿绝缘带的边沿发生局部放电。在 介质 与电极的交界 面 上，由于电极表面的凹凸不平导致局部强电场，为此常常采用半导体屏蔽层作为过渡层以均匀电场，实现电场 强度 的平稳过渡，消除局部放电。

4.6.2组合绝缘中的电场

以两种 介质 的组合绝缘为例，为了分析简单起见，设 电极形式为平行板电极，极间双层绝缘的交界面可与等位 面重合或与等位面斜交。

(1)双层绝缘的交界面与等位面重合，如图4-10所示，在平行板电极间。电场是均匀的，双层 介质 的交界面别与等位相重合，这时两层 介质 中的电场 强度 E ₁ 和E ₂ 分 别为

式 (4-11)和式(4-12)表明，在极间绝缘距离d=d ₁ +d ₂ 不变的情况下，增 大 ε ₂ 时会使 E ₂ 减小，但却使E ₁ 增大，这一点进行组合绝缘设计时是值得注意的。比如，在电场比较均匀的油间隙中放置多个屏障会使油中的电场 强度 明显增大。

(2)双层绝缘的交界面与等位面斜交，在这种情况下，电场与界面之间的角度不是90°，因此电力线会在第二种 介质 中发生折射，如图4-11所示。电力线入射角 α ₁ 与折射角 α ₂ 的关系为

图 4-12为此时电力线与等位面的分布示意图，由图可见，界面上某些地方(如P ₁ 点）的等位面受到压缩，从而使这些地方的场强大大增加，这在绝缘设计时应予以注意。但另一方面在某些地方(如P ₂ 点)等位而受到扩展，使这一点的电场 强度 有所减小。因此，适当调节入射角和折射角亦可对绝缘结构的电场作某些调整。

4.6.3 油纸电缆绝缘的击穿特性

1. 工频 交流 电压 下的 击穿 特性

油纸电缆是典型的多层油纸组合绝缘。工作在交流 电压 下的电缆，如果只采用均匀的 介质 ，那么在靠近电缆芯线的内层绝缘所分配到的场强，会比靠近电缆护套侧的外层绝缘所分配到的场强高得多。这样，外层绝缘就不能得到充分利用。为此，高压电力电缆的绝缘都是采用分阶绝缘结构。例如，电缆的内层绝缘采用高密度的薄纸缠绕，这种纸的纤维含量高，质地致密，故 介电常数 较大，耐受场强也较大；外层绝缘则采用密度较低、厚度较大的纸缠绕，这种纸的 介电常数 较小，耐受场强也较小。适当设计分阶绝缘的参数，可使各阶绝缘 强度 具有接近相同的利用率。同时，在电缆芯线外及靠金属护套的最外层绝缘层上加包一层半导体屏蔽层，以消除芯线和护套内壁粗糙突出处的电场集中，消除芯线凹槽油隙及护套内壁间隙上的电位差，使电缆绝缘的 工频 耐压和局部放电起始 电压 大幅度提高。由于绝缘层的缝隙都互相交错压接，所以绝缘 击穿 总是沿绝缘层呈阶梯状通过缝隙向绝缘深处发展，往往在轴向延伸很长一段距离后才完成，因此这种 击穿 过程需要较长的时间。如果 电压 作用时间不够，就只能产生局部放电，或某几层被 击穿 而其余绝缘仍是完好的。

2.直流 电压 作用下的 击穿 特性

(1)在相同条件下，含有气隙或气泡的固体 介 质 在直流 电压 下单位时间内所产生的局部放电次数远远小于交流下的放电次数，因此 介质 在直流下局部放电所产生的破坏作用远比交流下小，对于电缆绝缘亦是如此。图 4-13为油纸电缆的交流和直流 击 穿 场强与 电压 作用时间的比较。由图可见，直流 电压 下短时 击穿 场强为交流时的 2倍以上，长时间 击 穿 场强则为交流时的 3倍以上。

(2)在直流 电压 下，绝缘只存在较小的电导损 耗；而在交流 电压 下，既有电导损耗，又有反复进行的极化所引起的极化损耗，使 介质 损耗大大增加，温度升高，使 击穿电压 降低。

(3)在直流 电压 下，油纸组合绝缘的 直 流 电压 分布与油和纸的电导率成反比，而油浸渍过的纸的电导率远小于油的电导率，所以纸中的电场 强度 远大于油中的电场 强度 ，面油浸渍过的纸的绝缘 强度 也远高于油。可见，在直流 电压 下，油纸绝缘的电场分布是合理的，也是有利的。此外，绝缘的电导率与温度密切相关，电缆芯线温度比护套温度高，随着此温差的逐渐增大，绝缘层中最大电场 强度 将由靠近芯线侧向护套侧转移(由于电率随温度的变化而引起)。这样，在 直 流 电压 作用下的最大电场 强度 和最高温度，不再像 工频 交流 电压 作用时那样总是重合在绝缘的内侧，而是分别错 开在绝缘的两侧，因此可以在一定程度上抑制热 击穿 的发展。

由于上述原因，使得同样一根电缆在直流下的耐压远高丁其交流耐压。采用油纸组合绝缘的电容器、套管亦是如此。

小 结

(1)固体电 介质 和液体电 介质 的绝缘 强度 一般比空气的绝缘 强度 高很多。在实际的 电气设备 中采用由固体和液体 介质 构成的组合绝缘具有更优良的绝缘特性。

(2)固体电 介质 的 击穿 按其形成机理不同可分为电 击穿 、热 击穿 和电化学 击穿 。

(3)气隙和潮气 是 影响固体 介质击穿电压 的重要因素，因此应对固体 介质 进行真空干燥和浸油处理。

(4)固体电 介质 与气体电 介质 不同，有机固体电 介质 会发生老化。根据老化的机理不同，可分为电老化和热老化。老化的结果使固体电 介质 的 击穿电压 下降，使用寿命缩短。固体 介质 热老化遵循8℃规则。

(5)液体电 介质击穿 理论有电 击穿 理论和热 击穿 理论，二者适合解释不同品质的液体 介质 的 击穿 。

(6)杂质(特别是气泡、水分和纤维)是影响液体 介质击穿电压 的重要因素，因此要求对液体 介质 必须进行净化处理和保持干燥。

(7)组合绝缘可以做到各种 介质 优势互补，但要求设计必须遵从一定的原则，使不同 介质 有一个合理搭配和合理结构，才能充分发挥组合绝缘的优良特性。