組合絕緣的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和擊穿特性

對高壓電氣設(shè)備絕緣的要求是多方面的，除了應(yīng)具有優(yōu)異的電氣性能外，還應(yīng)同時具有良好的熱性能、機(jī)械性能及其他一些物理、化學(xué)特性。單一種類的電介質(zhì)是很難同時滿足以上要求的，所以實(shí)際電氣設(shè)備的絕緣通常都不是由單一的絕緣材料構(gòu)成的，而是由多種電介質(zhì)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(nèi)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(zhì)聯(lián)合組成的。在電機(jī)中是用由云母、膠粘劑、補(bǔ)強(qiáng)材料和浸漬劑組合成的絕緣。組合絕緣的電氣強(qiáng)度不僅取決于所用各種電介質(zhì)的電氣特性，而且還與所用各種電介質(zhì)的相互配合有關(guān)。

組合絕緣的常見形式是由多種電介質(zhì)構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)，在外加電壓作用下，各層介質(zhì)承受電壓的狀況必然是影響組合絕緣電氣強(qiáng)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(zhì)所承受的電場強(qiáng)度與其電氣強(qiáng)度成正比。只有這樣，整個組合絕緣的電氣強(qiáng)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(shù)與介質(zhì)損耗

1.介電常數(shù)

如圖3-28所示，油浸紙組合絕緣可以被看作串聯(lián)介質(zhì)。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(zhì)(結(jié)構(gòu)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(shè)介質(zhì)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(zhì)的電容；Cx為氣隙或浸漬介質(zhì)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(shù)ε為

式中：εs為固體電介質(zhì)的相對介電常數(shù)；εx為浸漬介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

2.介質(zhì)損耗

按照上述方法，同樣可以求出組合絕緣的總介質(zhì)損耗角正切為

式中：tanδs為固體電介質(zhì)的介質(zhì)損失角正切；tanδx為浸漬介質(zhì)的介質(zhì)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(guān)。在直流電壓下，各層絕緣分擔(dān)的電壓與其絕緣電阻成正比，即各層中的電場強(qiáng)度與其電導(dǎo)率成反比。而在交流和沖擊電壓下，各層介質(zhì)所分擔(dān)的電壓與其電容成反比，即各層中的電場強(qiáng)度與其介電常數(shù)成反比。因此，直流電壓下應(yīng)把電氣強(qiáng)度高、電導(dǎo)率大的絕緣材料用在電場強(qiáng)的地方。而在交流電壓下，則應(yīng)把電氣強(qiáng)度高、介電常數(shù)大的介質(zhì)用在電場強(qiáng)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(yīng)用于電容器、電纜、套管、電流互感器、某些變壓器及高壓電機(jī)中。油紙絕緣的優(yōu)點(diǎn)主要是優(yōu)良的電氣性能，干紙的耐電強(qiáng)度僅為10~13kV/mm，純油的耐電強(qiáng)度也僅為10~20kV/mm；二者組合以后，由于油填充了紙中薄弱點(diǎn)的空氣隙，紙在油中又起了屏障作用，從而使總體耐電強(qiáng)度提高很多，油紙絕緣工頻短時耐電強(qiáng)度可達(dá)50~120kV/mm。油紙絕緣的擊穿過程和一般固體電介質(zhì)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(xué)擊穿。

油紙絕緣的短時電氣強(qiáng)度很高，但因組合絕緣是由多種不同介質(zhì)組成，在不同介質(zhì)的交界處或?qū)优c層、帶與帶交接處等都容易出現(xiàn)氣隙，因而容易產(chǎn)生局部放電。局部放電對油紙絕緣的長期電氣強(qiáng)度威脅很大，它對油浸紙有著電、熱、化學(xué)等腐蝕作用，十分有害，而大多數(shù)有機(jī)介質(zhì)耐局部放電的性能都很差。因而油紙絕緣的電氣性能應(yīng)滿足下述要求。

(1)在工作電壓下不發(fā)生有害的局部放電。

(2)在工頻試驗(yàn)電壓下不發(fā)生強(qiáng)烈的局部放電，不擊穿，不閃絡(luò)。

(3)在雷電沖擊試驗(yàn)電壓下不擊穿，不閃絡(luò)。

油紙絕緣的長時耐電強(qiáng)度取決于它的工作場強(qiáng)，短時耐電強(qiáng)度取決于它的試驗(yàn)場強(qiáng)。紙的密度越大，相對介電常數(shù)εr就越大，這樣分配在其串聯(lián)的油層(或氣隙)上的場強(qiáng)將增大，油層較易發(fā)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(shù)較小的紙或選用介電常數(shù)較大的浸漬劑，就可降低浸漬劑中的場強(qiáng)，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?yàn)楣ゎl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(zhì)進(jìn)行組合應(yīng)用時，應(yīng)盡可能使它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，揚(yáng)長避短，同時還應(yīng)采取合理的工藝措施，將每層介質(zhì)的接縫以及介質(zhì)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(shè)計組合絕緣結(jié)構(gòu)時，還應(yīng)注意溫度差異對各層介質(zhì)電氣特性和電壓分布的影響。