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1、第4节组合绝缘的电气强度本讲稿第一页，共十六页第四节 组合绝缘的电气强度“油-屏障”式绝缘 油纸绝缘本讲稿第二页，共十六页 对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合：例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成，而其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。本讲稿第三页，共十六页绝缘常见形式：绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。多种介质构成的层叠绝缘。理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的理想情况下，组合绝缘中各
2、层绝缘承受的电场强度与其电气强度成正比。电场强度与其电气强度成正比。直流电压下直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度与缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度与其电导率成反比。其电导率成反比。工频交流和冲击电压下工频交流和冲击电压下：各层所承担的电：各层所承担的电压和各层电容成反比，亦即各层中的电场压和各层电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。强度与其介电常数成反比。本讲稿第四页，共十六页一、一、“油屏障油屏障”式绝缘式绝缘 油浸电力变压器主绝缘采用的是油浸电力变压器主绝缘采用的是“油油-屏障屏障式式绝缘结构，在这种组合绝缘中以
3、变压器油作为主要的绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。隙中的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一般能将电气强度提高3050。1、覆盖、覆盖 紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其性，其厚度一般只有零点几毫米厚度一般只有零点几毫米。本讲稿第五页，共十六页2、绝缘层、绝缘层 当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，当
4、覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。击穿电压和冲击击穿电压。3、屏障、屏障 放置层压纸板或层压布板做屏障。在极放置层压纸板或层压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击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穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。倍或更高。本讲稿第六页，共十六页二、油纸绝缘二、油纸绝缘 电气设备中使用的绝缘纸电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板包括纸板)纤维间含有大量纤维间含有大量的空隙，因
5、而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。“油油屏障屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度;油纸绝缘是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质油纸绝缘是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但穿场强很高，但散热条件较差散热条件较差.本讲稿第七页，共十六页 绝缘纸和绝
6、缘油的配合互补，使油纸组合绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达绝缘的击穿场强可达500600kVcm，大大超过了各组成成分的电气强度大大超过了各组成成分的电气强度(油的击油的击穿场强约为穿场强约为200kVcm，而干纸只有，而干纸只有100150kVcm)。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。缆、电容器、电容式套管等电力设备中。本讲稿第八页，共十六页油纸绝缘的最大缺点油纸绝缘的最大缺点:易受污染易受污染(包括受潮包括受潮)因为纤维素是多孔性的极性介质，很易因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细
7、致的真空干燥、浸吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。化。本讲稿第九页，共十六页三、组合绝缘中的电场三、组合绝缘中的电场1.均匀电场双层介质模型均匀电场双层介质模型 在组合绝缘中，同时采用多种电介质，在组合绝缘中，同时采用多种电介质，在需要对这一类绝缘结构中电场作定性分在需要对这一类绝缘结构中电场作定性分析时，常常采用最简单的均匀电场双层介析时，常常采用最简单的均匀电场双层介质模型，如图质模型，如图3-25所示：所示：本讲稿第十页，共十六页由此可得：1E 1 2E 2 U=E 1d1+E 2d2在这一模型中，最基本的关系
8、式为：本讲稿第十一页，共十六页 超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最大电场强度。所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘。分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化电场均匀化的目的。如：2.分阶绝缘本讲稿第十二页，共十六页内层绝缘采用高密度的薄纸(纸的纤维含量高，质地致密)，其介电常数较大，击穿场强也较大;外层绝缘则采用密度较低、厚度较大的纸，其介电常数较小、击穿场强也较小。先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。如果施加交流电压U，则其绝缘层中距电缆轴心r处的电场E可由下式求得：式中 r0、R分
9、别为电缆芯线的半径和外电极(金属护套)的半径。本讲稿第十三页，共十六页绝缘层中最大电场强度Emax位于芯线的表面上而最小电场强度Emin位于绝缘层的外表面(rR)处。此时的平均电场强度Eav应为:绝缘中平均场强与最大场强之比称为该绝缘的利用系数，则此时:本讲稿第十四页，共十六页 值越大，则电场分布越均匀，亦即绝缘材料利用得越充分。平板电容器绝缘的 值可视为1。但对超高压电缆来说，因绝缘层较厚，(R-r0)值较大，如采用一种单一的介质、则 值将较小;为提高利用系数应采用分阶绝缘。本讲稿第十五页，共十六页（本节完）小 结高压电气设备一般采用多种电介质组合的绝缘结构；“油-屏障”式绝缘结构中应用的固体介质有三种不同的形式，即覆盖、绝缘层和屏障；绝缘油和绝缘纸组成“油-纸”绝缘，击穿场强大大提高；分阶绝缘的原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。本讲稿第十六页，共十六页