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电气装置绝缘失效的原因及预防措施

郑州华信学院电气工程及其自动化专业论文

题目：

电气装置绝缘失效的原因及预防措施

姓名：

xxxxx

学号：

xxxxxxx

专业：

电气工程及自动化

指导教师：

xxxxx

完成时间：

2012年5月

摘要

电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的，按其形态可分为气体介质、液体介质和固体介质。

在实际应用中，电介质经常

关键词：

绝缘击穿绝缘材料

Abstract

Thedielectricinelectricalequipmentisusedasaninsulationmaterial,accordingtoitsmorphologycanbedividedintogas,liquidmediumandsolidmedium.Inpracticalapplication,thedielectricconstant

Keywords:

insulationbreakdownofinsulatingmaterial

目录

1.由击穿引起的绝缘失效5

1.1直流电压击穿5

1.1.1在电极间电场是均匀的情况下5

1.1.2在极不均匀电场的情况下5

1.2工频电压击穿6

1.3高气压电击穿7

1．4高真空电击穿7

1.5负电性气体击穿7

2.液体电介质的击穿8

2.1电击穿8

2.2气泡击穿9

2.3气体桥击穿9

2.4液体电介质中的沿面放电9

3.固体电介质的击穿10

3.1电击穿10

3.2热击穿10

3.3电化学击穿10

4.沿面击穿10

4.1老化引起的绝缘失效10

4.2电气老化11

4.3环境因素引起的老化11

4.4机械老化11

5．绝缘失效的预防11

5.1液体电介质的预防11

5.2固体电介质的预防11

5.3气体电介质的预防12

谢辞13

1.由击穿引起的绝缘失效

气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿性放电的现象。

气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等。

气体介质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、冲击电压击穿、高气压电击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿。

1.1直流电压击穿

1.1.1在电极间电场是均匀的情况下

气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。

对于空气介质，击穿电压Ub可按经验公式进行计算。

气体介质击穿公式

式中d为电极间距离（cm），δ为空气相对密度。

一般情况下,空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。

对于稍不均匀电场，如两球电极的间隙，当电极距离d与球直径D之比d/D＜1/4时，可看作均匀电场，超过此限度时就不能这样考虑了。

1.1.2在极不均匀电场的情况下

如棒－板电极的间隙，击穿场强Eb大为降低,并且还会出现极性效应,即正极性棒对负极性板的间隙击穿电压小于相反极性的情形。

引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多,在间隙中形成正极性空间电荷,改变了电场分布而引起不同的放电发展过程。

在0.3～3m电极间距离范围内，棒对板间隙的平均击穿场强Eb分别约为：

正极性棒电极时，E+≈4.5kV/cm；负极性棒电极时，E-≈10kV/cm。

1.2工频电压击穿

工频交流电压作用下的气体介质击穿。

在均匀电场（见不均匀电场）的间隙中，工频击穿电压和直流击穿电压相等。

在极不均匀电场的间隙中（如棒－板间隙），击穿总是发生在棒电极处于正极性的状态，因而交流击穿电压幅值与正极性棒对负极性板间隙的直流击穿电压相近。

棒－板空气间隙的交流平均击穿场强为Eа≈4.8kV/cm，与上述E+很接近。

为提供高电压输电线或变电所空气间隙距离的设计依据，近年来很多人研究长空气间隙的工频击穿电压（见长间隙击穿）。

图1为1～10m间隙距离的击穿电压曲线。

图中,曲线1、2是棒-棒电极间隙，上棒电极均为5m，下棒电极分别为6m及3m，两者的击穿电压稍有差异。

这是因为曲线2的下棒电极短，大地的影响大。

曲线3是棒-地间隙的击穿电压,它比棒-棒间隙的数值低许多,并且有“饱和”的趋势。

这些试验是在室内进行的，后来由户外试验说明，并未出现“饱和”现象。

“饱和”现象是由于试验室墙的影响引起的。

进行长间隙的试验需要很大的试验室，投资很多。

因此许多人在研究用理论模型计算或试验模拟来代替实际尺寸的试验。

图表1

　　冲击电压作用下的气体介质击穿现象。

冲击电压可分两类：

一类是雷电冲击电压，其标准波形为1.2/5，是模拟雷闪放电时造成的雷电过电压；一类是操作冲击电压，标准波形为250/2500或波前时间为2000～3000的衰减振荡波，为模拟开关操作或系统故障时产生的操作过电压（见过电压）。

不同电极形状空气间隙的雷电冲击击穿电压。

由于冲击击穿电压有随机分散性，一般取50％概率的数值。

冲击击穿电压与试验电压极性和电极形状有关。

冲击电压击穿可以发生在波前或波尾部分，视电压高低而定。

电压越高，击穿时延越短。

击穿电压与时延的关系曲线常称伏秒特性（见绝缘强度）。

它对电力系统的绝缘配合有重要意义。

同样，由于作用时间的影响，操作冲击电压下间隙击穿电压比雷电冲击电压下的低。

而在一些高功率脉冲装置产生的几十纳秒脉冲电压下，间隙击穿电压则高得多。

1.3高气压电击穿

由于气体压力与气体密度成正比，因而气压将直接影响电子的自由程，从而影响电离和击穿。

帕邢定律表明,在相同的间隙距离下,提高气体压力可提高其击穿电压。

然而高气压下气体介质击穿的机理与汤森理论有很大差异。

高气压电击穿有以下特点：

①超过一定气压Pc之后（各种气体的Pc值不同,例如SF6的Pc约在6kg/cm以上），击穿电压有较大的分散性。

经过多次放电之后（一般称“锻炼”），击穿电压值渐趋稳定。

但即使在锻炼之后，偶而也会出现很低的击穿电压。

②阴极材料对击穿电压有影响。

阴极材料的结构，例如有无杂质，单晶或多晶，是否有位错等，也会影响击穿电压的大小。

③电极表面状态的影响。

电极表面加工及清洁程度对击穿电压有作用。

如电极经抛光、除油等处理后，击穿电压比处理前高。

④电极面积增大，击穿电压将有所降低。

⑤气体中若含有水气及悬浮尖埃等杂质，则会降低击穿电压。

因此所充气体应经过净化处理。

1．4高真空电击穿

由于高真空状态下气体密度减少到很小的程度,电子或离子的自由程将很长,以致在间隙中不易发生碰撞电离，因此间隙的击穿电压将会很高（帕邢定律的左半支曲线）。

某些设备高真空间隙的击穿场强可高达1.3MV/cm。

影响真空间隙击穿过程有许多因素，如真空度、间隙距离、电极材料、电极状态、电压作用时间等。

在真空放电中,电极表面过程,特别是阴极表面过程是非常重要的，许多研究工作围绕着这个问题进行，提出了各种真空击穿放电模型，如场致发射模型、微粒模型、微放电模型等。

对于脉冲电压击穿的机制，看法比较一致。

对于稳态电压下的真空击穿机制，P.A.恰特登认为,在间隙距离d≈10～10cm的区域，可能是场致发射引起击穿；在d≈10～1cm的区域,可能是微放电的击穿机制；更大的间隙，可能是微粒击穿机制。

1.5负电性气体击穿

六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等许多种卤化物气体的击穿现象。

这些气体的击穿场强比空气的高。

其主要原因是卤族元素具有很强的负电性,易于吸附电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。

其次是这些气体的分子量和分子直径都较大,使电子在其中的自由程缩短,不易积聚能量，因而减少了电子碰撞电离的能力。

这些气体相对于空气的击穿场强，或称相对介电强度列于表中。

　　表中还列出了上述材料在98千帕下的液化温度。

电力设备中选用负电性气体作为绝缘介质时，除要求高介电强度外，还要求较低的液化温度和良好的化学稳定性。

因为液化温度较高的气体不能在低温下或寒冷地区运行，也不能增加压力以提高其击穿电压；化学性能不稳定则容易分解或与其他材料起反应。

例如四氯化碳的介电强度虽然较高，但其液化温度过高，而且在放电过程中容易分解产生氯气。

六氟化硫则液化温度低而化学性能稳定，它的相对介电强度为2.5～3.0，在工程中应用最为广泛。

2.液体电介质的击穿

液体电介质的电气强度比标准状态下气体的要高得多。

若油中含有水分等杂质后,其电气强度将严重下降,极易发生击穿现象。

在足够强的电场作用下，液体电介质失去绝缘能力而由绝缘状态突变为良导电状态。

纯净液体电介质与含杂质工程液体电介质的击穿机理不同。

对纯净液体电介质，有两种阐述击穿过程的理论──电击穿理论和气泡击穿理论；对工程液体电介质的击穿过程可用气体桥理论解释。

沿着液体和固体电介质分界面的放电现象称为液体电介质中的沿面放电，它具有自己的规律性。

脉冲电压下液体电介质击穿时，常出现强力气体冲击波（即电水锤），可用于水下探矿、桥墩探伤及人体内脏结石的体外破碎等。

2.1电击穿 　

液体电介质的分子因电子碰撞而电离是电击穿理论的基础。

纯净的液体电介质中总会存在一些离子，它们或由液体分子受自然界中射线的电离作用而产生，或由液体中微量杂质受电场的解离作用而产生。

对纯净的液体电介质施加电压，液体中的离子在电场作用下运动而形成电流。

电场较弱时，随电压的上升，电流呈线性增加。

当电场逐渐增强时，由于越来越多的离子已参与了导电，随着电压的进一步升高，电流呈现出不十分明显的饱和趋向。

此时液体电介质中虽有电流流过，但数值甚微，液体仍具有较高的电阻率。

当电场强度超过1MV/cm时，液体电介质中原有的少量自由电子，以及因场致发射或因强电场作用增强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用下运动、加速、积累能量、碰撞液体分子，而且以一定的概率使液体电介质的分子电离。

只要电场足够强，电子在向阳极运动的过程中，就不断碰撞液体分子，使之电离，致使电子迅速增加。

因碰撞电离而产生的正离子移动至阴极附近，增强了阴极表面的场强，促使阴极发射的电子数增多。

这样，电流急剧增加，液体电介质失去绝缘能力，发生击穿。

2.2气泡击穿 　

纯净液体电介质在电场作用下生成气泡是气泡击穿理论的基础。

当纯净液体电介质承受较高电场强度时,在其中产生气泡的原因有:

①因场致发射或因强电场作用加强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用下运动形成电子电流，使液体发热而分解出气泡；②电子在电场中运动，与液体电介质分子碰撞，导致液体分子解离产生气泡；③电极表面粗糙，突出物处的电晕放电使液体气化生成气泡；④电极表面吸附的气泡表面积聚电荷，当电场力足够时，气泡将被拉长。

液体电介质中出现气泡后，在足够强的电场作用下，首先气泡内的气体电离，气泡温度升高、体积膨胀，电离进一步发展。

与此同时,带电粒子又不断撞击液体分子,使液体分解出气体，扩大了气体通道。

电离的气泡或在电极间形成连续小桥，或畸变了液体电介质中的电场分布，导致液体电介质击穿。

2.3气体桥击穿 　

工程用液体电介质中含有水分和纤维、金属末等固体杂质。

在电场作用下，水滴、潮湿纤维等介电常数比液体电介质大的杂质将被吸引到电场强度较大的区域，并顺着电力线排列起来，在电极间局部地区构成杂质小桥。

小桥的电导和介电常数都比液体电介质的大，这就畸变了电场分布，使液体电介质的击穿场强下降。

如杂质足够多，则还能构成贯通电极间隙的小桥。

杂质小桥的电导大，因而小桥将因流过较大的泄漏电流而发热，使液体电介质及所含水分局部气化，而击穿将沿此气体桥发生。

电场和电压种类对杂质形成小桥的过程有显著影响。

在均匀或稍不均匀的电场中，杂质的影响特别明显。

直流电压下,杂质逐渐向电极间聚拢，并构成连续小桥,导致击穿。

交流电压下,杂质虽然也将被吸入电极间隙,但因杂质运动速度小于电极上电压极性的变动速度，因此在长间隙中难于形成连续小桥。

杂质聚集在电极附近，畸变了电场分布，降低了液体电介质的击穿场强。

在冲击电压作用下，杂质来不及运动，它们的影响不如直流电压下和交流电压下严重。

极不均匀电场中，电极间隙中电场强度较强区域内的液体会强烈扰动，杂质不可能形成小桥，它们对液体电介质击穿的影响较弱。

2.4液体电介质中的沿面放电 　

沿着液体与固体电介质分界面，在液体电介质中发生的电晕、滑闪、闪络放电现象。

液体电介质中沿面放电的规律性与气体中沿面放电相似（见沿面放电）。

在液体电介质中发生的放电，不仅使液体变质、劣化，而且放电产生的热作用和剧烈的压力变化可能使某些固体电介质内产生气泡。

在放电的多次作用下,这些固体电介质会出现分层、开裂现象,这时放电就有可能在固体电介质内部发展，绝缘结构的击穿电压因此下降。

3.固体电介质的击穿

固体电介质的击穿形式有：

电击穿、热击穿和电化学击穿。

同一种电介质在不同的外界条件下,可以发生不同的击穿形式。

3.1电击穿

由于外电场的存在,电离电子在强电场中积累起足够能量,使其相互间发生碰撞导致电击穿。

其特点是过程快,击穿电压高。

3.2热击穿

击穿电压随温度和电压作用时间的延长而迅速下降,这时的击穿过程与电介质中的热过程有关,称为热击穿。

环境温度和电压作用时间增加,热击穿电压下降;电介质厚度增加,平均击穿场强将下降。

3.3电化学击穿

在电场作用下,电介质中可能因此而发生化学变化,不可逆地逐渐增大了电介质的电导,最后导致击穿,称为电化学击穿。

由于化学变化通常导致介质损失增加,因而电化学击穿的最终形式常是热击穿。

4.沿面击穿

在实际的绝缘结构中,固体介质周围往往有气体或液体介质,击穿常常沿着两种电介质交界面并在电气强度较低的一侧发生,称为沿面击穿。

沿面击穿电压比单一介质击穿电压要低。

电容器电极边缘,电机线（棒）端部绝缘体很容易发生沿面放电,对绝缘的损害很大。

4.1老化引起的绝缘失效

（１）热老化

以电缆、导线为例,随着温度升高,绝缘体变软,其抗剪强度就会丧失。

在高温下如果被其他物体挤压,则绝缘体有可能会发生塑变甚至使导体外露最终酿成短路;当温度超过绝缘体的额定值时,将导致绝缘退化（寿命缩短）,还可能造成塑变或炭化,引起过度退化;因过热而老化并硬化的绝缘体如受到弯曲,就有可能出现裂纹。

若温度低于绝缘体的额定值时,如果冷导线或电缆受到剧烈弯曲或冲击时,绝缘体也会破裂。

线圈短路、烧坏以及绝缘下降在很大程度上皆是由于热老化而引起的。

开关所受的化学作用会随高温而加速,开关触点和接地之间的绝缘电阻会随温度升高而降低。

高温还会使触点和开关机构的腐蚀速度加快。

4.2电气老化

当绝缘材料承受高压电场时,绝缘材料的表面或内部空隙会发生放电。

屡次放电所产生的离子电弧和离子运动将严重侵蚀绝缘材料,使其绝缘性能下降。

4.3环境因素引起的老化

电机周围有灰尘、腐蚀性气体、水分、附着的油类和放射线等,使其加速老化。

由于杂质离子的存在更容易产生离子电流和发生离子碰撞,因此一般的电线等导体表面会加防护套或涂防护漆,一方面起绝缘作用,另一方面可以保护导体不受周围灰尘、气体的侵蚀。

4.4机械老化

受启动—运行—停车或负荷变动所造成的交变负荷和交变冲击的影响,绝缘材料与导电体之间因温差及膨胀系数差而产生的反复应力与变形,会使绝缘性能下降。

另外受电磁力、离心力、振动和重力的作用,绝缘劣化也会加速,这方面尤以转子绕组更明显。

机械冲击一般会造成衔铁变形,以致在受到冲击时不能保持定位。

高频振动将使弹性元件疲劳或产生共振作用,如果在开关触点闭合时,便会使触点反跳造成闭合不严,使电气设备无法正常工作。

5．绝缘失效的预防

根据以上分析,绝缘失效的预防主要应在提高绝缘材料的电阻率和增强电介质的击穿场强两方面入手。

5.1液体电介质的预防

保持液体电介质的纯净度,防止杂质混入。

在配制蓄电池电解液时应选用蓄电池用硫酸和纯水。

盛装电解液的容器必须是陶瓷、玻璃、耐酸塑料或纯铅容器。

切不可用铜、铁容器盛装电解液。

同时,调配和加注电解液时应严防杂质混入。

这就相对减少了电介质中的自由离子,从而降低了电介质工作时的电流密度。

5.2固体电介质的预防

固体电介质绝缘失效主要由以下４方面原因造成：

一是绝缘材料本身的内在原因,比如制作时材料的纯度不够以及固体内部产生了一些结构缺陷等。

二是外电场的场强过大或者电场两极间距离太小。

三是导体发热造成的电介质材料老化引起绝缘失效。

四是酸、碱、盐、湿度以及交变磁场和交变应力、冷热冲击等环境因素。

因此,为防止固体电介质绝缘失效,应避免电介质受到振动、冲击、压力和其他环境因素所产生的应力,防止固体电介质变形、移位;应使固体电介质远离酸、碱等腐蚀性很强的液体,或免受强烈射线的照射;电介质所处环境温度不能过高,这就要求电气设备超负荷工作时间不能过长。

此外,应尽量避免在不均匀电场使用固体电介质,防止固体电介质的电击穿。

在选择绝缘材料时也应有所侧重,比如聚合物绝缘体在高温环境下趋向于加速退化,而热固性塑料绝缘材料如酚醛塑料比ＡＢＳ、聚碳酸脂、聚丙烯或乙缩醛树脂等工作性能好。

5.3气体电介质的预防

对于某些电气设备内部需要真空介质的情况,必须确保设备的严格密封,保持其真空度;保持电介质工作环境无污染、无粉尘等颗粒性物质。

湿气和污物积聚会形成腐蚀性物质,损害电容器和其他电子元器件。

即使是在标准湿度的大气条件下,湿气也很可能围绕污物积聚起来。

如果不工作时设备还要承受潮湿侵蚀,必须有充分的防湿措施（如涂层）来加以保护。

根据击穿理论可知,在某些情况下,即使电容器电压不是很高,也会发生击穿现象,就是因为两极板之间的距离太小。

因此,保持正负两极板间的距离不过小,也是防止气体击穿的重要手段。

谢辞

本论文的完成，得益于孙明惠老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累。

在这里，特别感谢大学三年学习期间给我诸多教诲和帮助的各位老师，你们给予我的指导和教诲我将永远记在心里！

感谢和我一起生活3年的室友，是你们让我们的寝室充满快乐与温馨，“君子和而不同”，我们正是如此！

愿我们以后的人生都可以充实、多彩与快乐！

感谢我的同学们，谢谢你们给予我的帮助！

回首本人的求学生涯，父母的支持是本人最大的动力。

父母不仅在经济上承受了巨大的负担，在心里上更有思子之情的煎熬与望子成龙的期待。

忆往昔，每次回到家时父母的欣喜之情，每次离家时父母的依依不舍之眼神，电话和信件中的殷殷期待和思念之语，皆使本人刻苦铭心，目前除了学习成绩尚可外无以为报，希望以后的学习、工作和生活能使父母宽慰。