組合絕緣的介電常數、介質損耗和擊穿特性

組合絕緣的介電常數、介質損耗和擊穿特性

對高壓電氣設備絕緣的要求是多方面的，除了應具有優異的電氣性能外，還應同時具有良好的熱性能、機械性能及其他一些物理、化學特性。單一種類的電介質是很難同時滿足以上要求的，所以實際電氣設備的絕緣通常都不是由單一的絕緣材料構成的，而是由多種電介質組合而成。例如變壓器的外絕緣是由套管的瓷套和周圍的空氣組成的，而其內絕緣則是由紙、布帶、膠木筒、聚合物、變壓器油等多種固體和液體電介質聯合組成的。在電機中是用由云母、膠粘劑、補強材料和浸漬劑組合成的絕緣。組合絕緣的電氣強度不僅取決于所用各種電介質的電氣特性，而且還與所用各種電介質的相互配合有關。

組合絕緣的常見形式是由多種電介質構成的層疊結構，在外加電壓作用下，各層介質承受電壓的狀況必然是影響組合絕緣電氣強度的重要因素。各層電壓的理想分配原則是使組合絕緣中各層介質所承受的電場強度與其電氣強度成正比。只有這樣，整個組合絕緣的電氣強度才是最高的，各種絕緣材料的利用才是最充分、合理的。在各種組合絕緣方式中以油浸紙的油紙絕緣方式用得最多。

組合絕緣的介電常數與介質損耗

1.介電常數

如圖3-28所示，油浸紙組合絕緣可以被看作串聯介質。如果未浸油前紙中的氣隙所占體積比為x，則浸油后油所占的體積比也為x，而固體電介質(結構緊密的紙)所占的體積比為1-x。對于圖中的平板電極(體積比可等效成厚度比)，假設介質總厚度為d，則單位面積電極間電容C為

式中：Cs為固體電介質的電容；Cx為氣隙或浸漬介質的電容。

按平板電極電容計算公式，有：

由此可解得組合絕緣的相對介電常數ε為

式中：εs為固體電介質的相對介電常數；εx為浸漬介質的相對介電常數。

2.介質損耗

按照上述方法，同樣可以求出組合絕緣的總介質損耗角正切為

式中：tanδs為固體電介質的介質損失角正切；tanδx為浸漬介質的介質損失角正切。

組合絕緣的擊穿特性

各層絕緣所承受的電壓與絕緣材料的特性和作用電壓的類型有關。在直流電壓下，各層絕緣分擔的電壓與其絕緣電阻成正比，即各層中的電場強度與其電導率成反比。而在交流和沖擊電壓下，各層介質所分擔的電壓與其電容成反比，即各層中的電場強度與其介電常數成反比。因此，直流電壓下應把電氣強度高、電導率大的絕緣材料用在電場強的地方。而在交流電壓下，則應把電氣強度高、介電常數大的介質用在電場強的地方。

下面以油紙絕緣為例，討論組合絕緣的擊穿特性。油紙絕緣廣泛應用于電容器、電纜、套管、電流互感器、某些變壓器及高壓電機中。油紙絕緣的優點主要是優良的電氣性能，干紙的耐電強度僅為10~13kV/mm，純油的耐電強度也僅為10~20kV/mm；二者組合以后，由于油填充了紙中薄弱點的空氣隙，紙在油中又起了屏障作用，從而使總體耐電強度提高很多，油紙絕緣工頻短時耐電強度可達50~120kV/mm。油紙絕緣的擊穿過程和一般固體電介質的一樣，可分為短時電壓作用下的電擊穿、稍長時間電壓作用下的熱擊穿以及更長時間電壓作用下的電化學擊穿。

油紙絕緣的短時電氣強度很高，但因組合絕緣是由多種不同介質組成，在不同介質的交界處或層與層、帶與帶交接處等都容易出現氣隙，因而容易產生局部放電。局部放電對油紙絕緣的長期電氣強度威脅很大，它對油浸紙有著電、熱、化學等腐蝕作用，十分有害，而大多數有機介質耐局部放電的性能都很差。因而油紙絕緣的電氣性能應滿足下述要求。

(1)在工作電壓下不發生有害的局部放電。

(2)在工頻試驗電壓下不發生強烈的局部放電，不擊穿，不閃絡。

(3)在雷電沖擊試驗電壓下不擊穿，不閃絡。

油紙絕緣的長時耐電強度取決于它的工作場強，短時耐電強度取決于它的試驗場強。紙的密度越大，相對介電常數εr就越大，這樣分配在其串聯的油層(或氣隙)上的場強將增大，油層較易發生局部放電，于是油紙絕緣整體的局部放電電壓下降。如果選用介電常數較小的紙或選用介電常數較大的浸漬劑，就可降低浸漬劑中的場強，改善局部放電性能。油紙絕緣在直流電壓下的擊穿電壓常為工頻電壓(幅值)下的2倍以上，這是因為工頻電壓下局部放電、損耗等都比直流電壓作用下多。

綜上所述，將多種介質進行組合應用時，應盡可能使它們各自的優缺點進行互補，揚長避短，同時還應采取合理的工藝措施，將每層介質的接縫以及介質與電極界面的過渡處理好。在組合絕緣中，各部分的溫度也可能存在較大差異，所以在設計組合絕緣結構時，還應注意溫度差異對各層介質電氣特性和電壓分布的影響。