组合绝缘的介电常数、介质损耗和击穿特性

组合绝缘的介电常数、介质损耗和击穿特性

在高压电气设备中，组合绝缘是确保设备安全运行的关键技术之一。本文详细探讨了组合绝缘的介电常数、介质损耗和击穿特性，分析了不同电压类型下组合绝缘的性能特点，并以油纸绝缘为例，深入讨论了其击穿特性及应用要求。

对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了应具有优异的电气性能外，还应同时具有良好的热性能、机械性能及其他一些物理、化学特性。单一种类的电介质是很难同时满足以上要求的，所以实际电气设备的绝缘通常都不是由单一的绝缘材料构成的，而是由多种电介质组合而成。例如变压器的外绝缘是由套管的瓷套和周围的空气组成的，而其内绝缘则是由纸、布带、胶木筒、聚合物、变压器油等多种固体和液体电介质联合组成的。在电机中是用由云母、胶粘剂、补强材料和浸渍剂组合成的绝缘。组合绝缘的电气强度不仅取决于所用各种电介质的电气特性，而且还与所用各种电介质的相互配合有关。

组合绝缘的常见形式是由多种电介质构成的层叠结构，在外加电压作用下，各层介质承受电压的状况必然是影响组合绝缘电气强度的重要因素。各层电压的理想分配原则是使组合绝缘中各层介质所承受的电场强度与其电气强度成正比。只有这样，整个组合绝缘的电气强度才是最高的，各种绝缘材料的利用才是最充分、合理的。在各种组合绝缘方式中以油浸纸的油纸绝缘方式用得最多。

组合绝缘的介电常数与介质损耗

1.介电常数

如图3-28所示，油浸纸组合绝缘可以被看作串联介质。如果未浸油前纸中的气隙所占体积比为x，则浸油后油所占的体积比也为x，而固体电介质(结构紧密的纸)所占的体积比为1-x。对于图中的平板电极(体积比可等效成厚度比)，假设介质总厚度为d，则单位面积电极间电容C为

$$
C = \frac{C_s C_x}{C_s + C_x}
$$

式中：$C_s$为固体电介质的电容；$C_x$为气隙或浸渍介质的电容。

按平板电极电容计算公式，有：

$$
C_s = \frac{\varepsilon_s A}{d_s}, \quad C_x = \frac{\varepsilon_x A}{d_x}
$$

由此可解得组合绝缘的相对介电常数$\varepsilon$为

$$
\varepsilon = \frac{1-x}{\varepsilon_s} + \frac{x}{\varepsilon_x}
$$

式中：$\varepsilon_s$为固体电介质的相对介电常数；$\varepsilon_x$为浸渍介质的相对介电常数。

2.介质损耗

按照上述方法，同样可以求出组合绝缘的总介质损耗角正切为

$$
\tan \delta = \frac{(1-x) \tan \delta_s + x \tan \delta_x}{1 - x \tan \delta_s \tan \delta_x}
$$

式中：$\tan \delta_s$为固体电介质的介质损失角正切；$\tan \delta_x$为浸渍介质的介质损失角正切。

组合绝缘的击穿特性

各层绝缘所承受的电压与绝缘材料的特性和作用电压的类型有关。在直流电压下，各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，即各层中的电场强度与其电导率成反比。而在交流和冲击电压下，各层介质所分担的电压与其电容成反比，即各层中的电场强度与其介电常数成反比。因此，直流电压下应把电气强度高、电导率大的绝缘材料用在电场强的地方。而在交流电压下，则应把电气强度高、介电常数大的介质用在电场强的地方。

下面以油纸绝缘为例，讨论组合绝缘的击穿特性。油纸绝缘广泛应用于电容器、电缆、套管、电流互感器、某些变压器及高压电机中。油纸绝缘的优点主要是优良的电气性能，干纸的耐电强度仅为1013kV/mm，纯油的耐电强度也仅为1020kV/mm；二者组合以后，由于油填充了纸中薄弱点的空气隙，纸在油中又起了屏障作用，从而使总体耐电强度提高很多，油纸绝缘工频短时耐电强度可达50~120kV/mm。油纸绝缘的击穿过程和一般固体电介质的一样，可分为短时电压作用下的电击穿、稍长时间电压作用下的热击穿以及更长时间电压作用下的电化学击穿。

油纸绝缘的短时电气强度很高，但因组合绝缘是由多种不同介质组成，在不同介质的交界处或层与层、带与带交接处等都容易出现气隙，因而容易产生局部放电。局部放电对油纸绝缘的长期电气强度威胁很大，它对油浸纸有着电、热、化学等腐蚀作用，十分有害，而大多数有机介质耐局部放电的性能都很差。因而油纸绝缘的电气性能应满足下述要求。

(1)在工作电压下不发生有害的局部放电。

(2)在工频试验电压下不发生强烈的局部放电，不击穿，不闪络。

(3)在雷电冲击试验电压下不击穿，不闪络。

油纸绝缘的长时耐电强度取决于它的工作场强，短时耐电强度取决于它的试验场强。纸的密度越大，相对介电常数$\varepsilon_r$就越大，这样分配在其串联的油层(或气隙)上的场强将增大，油层较易发生局部放电，于是油纸绝缘整体的局部放电电压下降。如果选用介电常数较小的纸或选用介电常数较大的浸渍剂，就可降低浸渍剂中的场强，改善局部放电性能。油纸绝缘在直流电压下的击穿电压常为工频电压(幅值)下的2倍以上，这是因为工频电压下局部放电、损耗等都比直流电压作用下多。

综上所述，将多种介质进行组合应用时，应尽可能使它们各自的优缺点进行互补，扬长避短，同时还应采取合理的工艺措施，将每层介质的接缝以及介质与电极界面的过渡处理好。在组合绝缘中，各部分的温度也可能存在较大差异，所以在设计组合绝缘结构时，还应注意温度差异对各层介质电气特性和电压分布的影响。