《城市軌道交通電氣設(shè)備測試（第2版）》 課件2.3液體電介質(zhì)絕緣及應(yīng)用

《絕緣材料特性》液體電介質(zhì)絕緣及應(yīng)用目錄01液體絕緣介質(zhì)定義02液體絕緣介質(zhì)特性03影響液體絕緣介質(zhì)的因素04提高液體絕緣介質(zhì)絕緣性能措施05液體絕緣介質(zhì)劣化及處理01液體絕緣介質(zhì)定義

液體絕緣介質(zhì)是指電氣設(shè)備中起絕緣作用的液體電介質(zhì)，如變壓器油，在電氣設(shè)備中主要起著絕緣、冷卻、滅弧、填充的作用。液體絕緣介質(zhì)定義

由于液體絕緣介質(zhì)和氣體絕緣介質(zhì)的流動性，所以介質(zhì)擊穿后具有“自愈性”，同時比氣體絕緣介質(zhì)絕緣性能好，所以應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用在變壓器、斷路器、電抗器、互感器、套管、油開關(guān)、電容器和電纜等油浸式的電氣設(shè)備中。02液體絕緣介質(zhì)特性2.1變壓器油的作用液體絕緣介質(zhì)特性2.2絕緣作用液體絕緣介質(zhì)特性

變壓器油首要功能就是絕緣性能可靠。在電氣設(shè)備中，變壓器油可將不同電位的帶電部分隔離開來，增加了絕緣強度，使其不至于形成短路，避免被擊穿?？諝獾慕殡姵?shù)為1.0，而變壓器油的介電常數(shù)為2.25，也就是說，油的絕緣強度要比空氣的大得多。2.3冷卻作用

變壓器在帶電運行過程中，由于線圈有電流通過，因電阻引起功率損耗，這部分損耗稱為“銅耗”。電流通過鐵心時，由于鐵心磁通發(fā)生作用，引起功率損耗，這部分損耗稱為“鐵心損耗”。這兩部分損耗均以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來。如果不將線圈內(nèi)的這種熱量散發(fā)出去，它必然會使線圈和鐵心內(nèi)積蓄的熱量越積越多而使鐵心內(nèi)部溫度升高，從而會損壞線圈外部包覆的固體絕緣，以致燒毀線圈。若是使用變壓器油，那么線圈內(nèi)部產(chǎn)生的這部分熱量，先是被油吸收，然后通過油的循環(huán)而使熱量散發(fā)出來，從而保證設(shè)備的安全運行。2.4滅弧液體絕緣介質(zhì)特性

在開關(guān)設(shè)備中，變壓器油主要起滅弧作用。當(dāng)油浸開關(guān)在切斷電力負荷時，其固定觸頭和滑動觸頭之間會產(chǎn)生電弧，此時的電弧溫度很高，并且隨開斷電流的大小而不同。如果不將弧柱的熱量帶走，使觸頭冷卻，那么在初始電弧發(fā)生之后，還會有連續(xù)的電弧產(chǎn)生，從而很容易使設(shè)備燒毀，同時還會引起過電壓的產(chǎn)生而使設(shè)備損壞。當(dāng)油浸開關(guān)在最初開斷而受到電弧作用時，由于高溫會使油發(fā)生劇烈的熱分解，而產(chǎn)生約70%的氫氣，同時由于氫的導(dǎo)熱系數(shù)較大（該系數(shù)約為41），此時氫氣就可以吸收大量的熱，并且將熱量傳導(dǎo)至油中，而直接將觸頭冷卻，從而達到了滅弧的目的。2.5填充液體絕緣介質(zhì)特性

由于變壓器油能充填在絕緣材料的空隙中，所以可以起到保護鐵心和線圈組件的作用，同時可將易于氧化的纖維素和其他材料所吸收的氧含量減少到最低限度。也就是說，油會使混入設(shè)備中的氧首先起氧化作用，從而延緩了氧對絕緣材料的侵蝕。

絕緣油在熱和電的作用下，能分解出氫、一氧化碳、二氧化碳以及多種小分子烴類氣體，充油設(shè)備內(nèi)部故障的類型及其嚴重程度與這些氣體組分及產(chǎn)氣速率有著密切關(guān)系。目前利用這一關(guān)系監(jiān)視充油設(shè)備的運行狀況，判斷充油設(shè)備內(nèi)部故障，已成為電力系統(tǒng)對充油設(shè)備進行技術(shù)監(jiān)督，保證電網(wǎng)安全運行不可缺少的手段。液體絕緣介質(zhì)特性

以油浸變壓器為例，變壓器油大大提高了電氣絕緣強度，縮短了絕緣距離，減小了設(shè)備的體積，提高了變壓器的有效熱傳遞和散熱效果，提高了導(dǎo)線中允許的電流密度，減輕了設(shè)備重量。它是將運行變壓器器身的熱量通過變壓器油的熱循環(huán)，傳遞到變壓器外殼和散熱器進行散熱，從而提高了有效的冷卻降溫水平。由于油浸密封而降低了變壓器內(nèi)部某些零部件和組件的氧化程度，延長了使用壽命。根據(jù)變壓器使用周期，也需要制訂相應(yīng)的試驗計劃對變壓器油進行在線監(jiān)測和離線試驗，在線監(jiān)測以變壓器色譜在線監(jiān)測為主，離線試驗其中一項重要試驗就是絕緣油介質(zhì)強度耐壓試驗。03影響液體絕緣介質(zhì)的因素影響液體絕緣介質(zhì)的因素

純凈液體的擊穿主要是碰撞電離擊穿和氣泡擊穿，因而密度大的液體擊穿強度較高；升溫使密度減小，擊穿強度降低；減薄油層可提高擊穿強度；隨著電壓作用時間的減少與環(huán)境壓力的提高，擊穿電壓提高。

絕緣油水中微量水分是影響絕緣特性的重要因素之一。絕緣油中微量水分的存在，對絕緣介質(zhì)的電氣性能和理化性能都有極大的危害，水分可導(dǎo)致絕緣油的火花放電電壓降低，介質(zhì)損耗因數(shù)tan增大，促進絕緣油老化，使絕緣性能劣化，損壞電力設(shè)備，導(dǎo)致運行安全與人身安全。影響液體絕緣介質(zhì)的因素液體絕緣性能會受到的影響有：影響液體絕緣介質(zhì)的因素

雜質(zhì)包括水分、纖維、微生物、金屬粉塵微粒等。有微量水在變壓器油中，就會使用油的擊穿電壓大幅下降。當(dāng)油中含水量達十萬分之幾時，就會對擊穿電壓有明顯的影響。3.1雜質(zhì)

高壓電氣設(shè)備中油長期在高溫、電磁場作用下，極易產(chǎn)生化學(xué)復(fù)分解反應(yīng)，在油中生成新的化學(xué)成分使油老化。油產(chǎn)生劣化的因素很多，其中最主要是空氣的影響。空氣中含有水分、雜質(zhì)、微生物等，在與油接觸中，這些雜質(zhì)均可進入油中；尤其是空氣中的氧氣是變壓器油被氧化時氧的主要來源之一。

在熱、氧、水分、觸媒以及電場作用下，如果發(fā)生油的顏色變深、黏度增大、酸值變大、閃點降低、電氣性能下降、界面張力減小，甚至生成褐黑色沉淀物，則認為此油已經(jīng)老化。當(dāng)變壓器油老化時，不溶于油的雜質(zhì)沉淀于固體絕緣物上，導(dǎo)致絕緣性能下降。影響液體絕緣介質(zhì)的因素

環(huán)境因素對絕緣內(nèi)部造成的老化主要是使其受潮。絕緣受潮后其絕緣電阻和介質(zhì)損耗將增大.從而有可能引起熱擊穿。由于水分是強極性液體，絕緣受潮后其介電常數(shù)也將增加。如果材料受潮不均勻，將引起電場分布的變化，從而降低其耐電強度。絕緣油只要輕微受潮，例如每噸油中只需含有幾十克水分，浸油絕緣的短時耐電強度就將顯著降低。如圖2-13所示為水對絕緣油的絕緣性能影響，圖2-14所示為絕緣油微量水分測定儀。圖2-13水對絕緣油的絕緣性能影響影響液體絕緣介質(zhì)的因素圖2-14絕緣油微量水分測定儀影響液體絕緣介質(zhì)的因素

絕緣受潮后原則上是可逆的，即通過干燥而恢復(fù)其性能。

水分能通過各種途徑影響氧化，它能提高金屬的催化活性，使油加速氧化并生成大量的沉淀物。

微量的油泥和各種形式的雜質(zhì)也起著不同程度的催化作用。油的某些氧化物對油的進一步氧化來說也是催化劑，所以應(yīng)避免不同氧化程度的油混合?；旌蠒r，嚴重氧化的油可能有些改善，但是這種好處遠遠補償不了輕度氧化油壽命的降低。當(dāng)用新油更換嚴重污染的油時，必須徹底清洗器身。舊油中通常含有銅和鐵的可溶性化合物，一旦它們混在新油中，將對新油的氧化起著強烈的催化作用。影響液體絕緣介質(zhì)的因素

擊穿電壓與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，與電場均勻程度、油品、電壓類型都有關(guān)系。3.2溫度

局部過熱和溫度升高，將使油裂解為低分子烴，造成油的閃點降低。而局部放電的電弧會使油碳化，使油的絕緣性能變劣。油被空氣中的氧氧化，生成醛、酮和有機酸等，使酸值和黏度增加。而日光的照射也加速油的老化。

油的劣化速度還決定于溫度，平均溫度每升高10C，油的劣化速度就增加2倍。另外，油的烴類組成成分對油的劣化速度也有關(guān)系，因為油是多種烴類化合物，而各種烴類的抗氧化能力也是各不相同的，特別是一些油中雜質(zhì)，對油的劣化也起著一定的影響。油氧化的起始溫度是60～70C。在此溫度以下，油幾乎很少發(fā)生任何變質(zhì)。當(dāng)溫度達到120C時，氧化較劇烈，溫度達160C時，氧化最劇烈。影響液體絕緣介質(zhì)的因素

電壓作用時間越長，擊穿電壓越低，會使擊穿更容易。3.3電壓作用時間3.4壓力

壓力越大，液體中氣泡的電離電壓增高，氣體在油中的溶解度增大，擊穿電壓也增大。3.5電場均勻程度

液體電介質(zhì)擊穿電壓的分散性和電場的均勻程度有關(guān)，電場不均勻程度越大，擊穿電壓的分散性越小。工頻擊穿電壓的分散性在極不均勻電場不超過5%，在均勻電場往往達到30%～40%。04提高液體絕緣介質(zhì)絕緣性能措施提高液體絕緣介質(zhì)絕緣性能措施

采用過濾、脫氣、干燥等方法消除液體中的雜質(zhì)，這個方法能有效消除“雜質(zhì)小橋”的形成，從而提高擊穿電壓。4.1提高油的品質(zhì)4.2覆蓋層

當(dāng)油品較差，電場均勻、電壓長時間作用時，使用覆蓋層效果較好。例如，變壓器中常利用薄的絕緣紙包裹高壓引線和繞組導(dǎo)線，從而提高絕緣耐壓水平，減少放電。4.3絕緣層

這個方法適用于不均勻電場，例如變壓器中常利用厚的絕緣層包裹金屬高壓引線和屏蔽環(huán)，提高絕緣耐壓水平。這個是由于固體介質(zhì)的介電常數(shù)大于液體絕緣介質(zhì)，從而減少電極附近的電場強度，防止電極局部放電。提高液體絕緣介質(zhì)絕緣性能措施

這個方法適用于均勻電場和不均勻電場中電壓作用時間較長的情況，例如，在變壓器中利用多個絕緣板做成圓筒、圓環(huán)狀，置于鐵心和繞組、高低壓繞組間，將一個油隙分隔成多個油隙，從而提高擊穿電壓。其原因在于固體絕緣板阻隔雜質(zhì)形成小橋，改善電場分布,如圖2-15所示為圓筒絕緣板。4.4.屏障提高液體絕緣介質(zhì)絕緣性能措施圖2-15圓筒絕緣板05液體絕緣介質(zhì)劣化及處理液體絕緣介質(zhì)劣化及處理

介質(zhì)損耗tan、黏度、凝點和酸價等是絕緣油的主要性質(zhì)指標，正常情況下絕緣油的氧化過程進行得很緩慢，具有穩(wěn)定優(yōu)良的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。如果維護得當(dāng)甚至使用20年還可保持應(yīng)有的質(zhì)量而不老化，但混入油中的金屬、雜質(zhì)、氣體等會加速氧化，使油質(zhì)變壞，顏色變深，油的性質(zhì)劣化。

5.1劣化的原因

變壓器油劣化的原因主要是雜質(zhì)的存在。變壓器油質(zhì)變壞，按輕重程度可分為污染和劣化兩個階段。污染是油中混入水分和雜質(zhì)，這些不是油氧化的產(chǎn)物，污染油的絕緣性能會變壞，擊穿電場強度降低，介質(zhì)損失角增大。

變壓器油氧化時，作為催化劑的水分及加速劑的熱量，使變壓器油生成油泥，其影響主要表現(xiàn)在：在電場的作用下沉淀物粒子大；雜質(zhì)沉淀集中在電場最強的區(qū)域，對變壓器的絕緣形成導(dǎo)電的“橋”；沉淀物并不均勻而是形成分離的細長條，同時可能按電力線方向排列，這樣無疑妨礙了散熱，加速了絕緣材料老化，并導(dǎo)致絕緣電阻降低和絕緣水平下降。液體絕緣介質(zhì)劣化及處理

5.2劣化過程

油在劣化過程中主要階段的生成物有過氧化物、酸類、醇類、酮類和油泥。早期劣化階段,油中生成的過氧化物與絕緣纖維材料反應(yīng)生成氧化纖維素，使絕緣纖維機械強度變差，造成脆化和絕緣收縮。生成的酸類是一種黏液狀的脂肪酸，盡管腐蝕性沒有礦物酸那么強，但其增長速率及對有機絕緣材料的影響是很大的。

后期劣化階段，當(dāng)酸侵蝕銅、鐵、絕緣漆等材料時，反應(yīng)生成油泥，是一種黏稠而類似瀝青的聚合型導(dǎo)電物質(zhì)，它能適度溶解于油中，在電場的作用下生成速度很快，黏附在絕緣材料或變壓器箱殼邊緣，沉積在油管及冷卻器散熱片等處，使變壓器工作溫度升高，耐電強度下降。液體絕緣介質(zhì)劣化及處理

5.3變壓器油質(zhì)分析、判斷及維護處理

純凈的變壓器油的耐壓強度，高壓電壓為35kV以下試驗值不低于25kV；電壓為35kV及以上試驗值不小于35kV。油中只混有水分和雜質(zhì)，這種污染情況并不改變油的基本性質(zhì)。對于水分可用干燥的辦法加以排除；對于雜質(zhì)可用過濾的辦法加以清除；油中的空氣可通過抽真空的辦法加以排除。絕緣油變質(zhì)，對絕緣油進行再生處理，可能消除油變質(zhì)的產(chǎn)物。絕緣油進水受潮，在電場的作用下易電離分解，而增加了絕緣油的電導(dǎo)電流，微量的水分可使絕緣油介質(zhì)損耗顯著增加。通過測試絕緣油的微水，判