绝缘材料及老化

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 绝缘材料及老化,1,第,2,章 绝缘材料及老化,绝缘材料,液体绝缘,:,绝缘油,固体绝缘：绝缘纸、电瓷 、云母交联聚乙烯等,气体绝缘,:,空气、,SF,6,、,N,2,真空绝缘,2,绝缘材料,主要的构成材料,特征,用途,云母绝缘物,云母（片状与集层云母）,热固性树脂（以环氧树脂为主）,带材（玻璃纤维，聚芳酰胺纸，聚酯薄膜等）,固体绝缘,高强度,高耐热,高耐局部放电,电机,油浸绝缘物,绝缘油：矿物油、合成油,固体绝缘物：绝缘纸、半合成纸、薄膜、层压板,液体绝缘,高电压绝缘,高耐电场,无气孔,变压器、电容器、,OF,油浸纸,电缆,注塑型绝缘物,热固性树脂（主要为环氧树脂）,填充剂（氧化铝，氧化硅等）,固体绝缘,阻燃性,高强度,高耐热,变压器、交流器、气体绝缘设备支撑体,气体绝缘物,六氟化硫化气体（,SF,6,）,气体绝缘,高耐电场,高消弧性,充气变配电设备,挤出型绝缘物,热塑性树脂（交联聚乙烯）,外护层；聚氯乙烯,固体绝缘,高耐电场,交联电缆,成型绝缘物,橡胶（乙丙橡胶等）,固体绝缘,高耐电场,CV,电缆终端、接头等,陶瓷,绝缘子、绝缘套管,固体绝缘,高耐电场,设备的高电压引出线,2.1,绝缘材料,3,2.1,绝缘材料,电机、变压器、电容器等电气设备以及充油电缆、充气管道中输电线和交联聚乙烯电缆等。,电气设备绝缘材料：固体绝缘、液体绝缘和气体绝缘。对于大型电气设备，主要以组合绝缘方式为主。,4,电力设备的绝缘结构由电极和电介质组成,固体电介质中的直流电流,5,电力设备的绝缘结构由电极和电介质组成,固体电介质的交流电流,6,无机（陶瓷和玻璃）材料；（绝缘子，套管）,塑料膜，聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺和聚乙烯萘烷（,PEN,）等膜材料；（电容器中铝箔间，旋转电机的槽绝缘,),柔软绝缘套管；（绕线部分的主或次绝缘、电缆保护及捆扎）,刚性纤维增强型层压板；（高密层压木板或纸层压板）,树脂和漆；（用于电气设备的浸渍和涂层，改善于工作环境的抵御能力）,压敏粘带；（粘着、密封或固定设备）,纤维材料；,混合柔性材料：（大量用在低压电机中）,云母制品；（用于高压旋转电机的制造）,织物绝缘：,人造橡胶和热塑性塑料：,固体绝缘材料,7,常用矿物绝缘油的性能,绝缘油名称,性 能,变压器油,电容器油,高压电缆油,开关油,(45,号变压器油,),凝固点（）,35,45,45,60,45,酸值（,mg,KOH/g,）,135,135,125,135,r,（,60,）,2.2,V,（,20,，,/m,）,410,12,510,13,510,12,10,12,10,14,（,25,）,U,B,（,kV,，标准油杯）,2540,60,50,tan,（,%,）,100,0.5,（,20,）,0.4,0.15,运动粘度（,20,）（,m,2,/s,）,3010,6,374510,6,81810,6,3010,6,液体绝缘材料,8,气体绝缘：,气体作为主绝缘，其它固体电介质只起支撑作用（架空线、空气电容器、断路器、充气电力电缆及通信电缆等）；,气体也可与承担主绝缘的固体或液体电介质以串联或并联形式存在；,气体介质除了起绝缘作用外，有时还起灭弧、冷却和保护作用；,气体分普通气体和,SF,6,气体。,真空绝缘：,真空绝缘主要应用于中压开关设备，具有优良的绝缘性能和灭弧性能。采用真空作为开关灭弧介质，成本低、维修费用低、无爆炸危险，由于灭弧室具有高真空度，空气分子十分稀薄，真空间隙的绝缘强度比常温下的空气和,SF,6,高得多。,气体绝缘材料,9,2.1.1,电机（或发电机、电动机）,高压线圈主绝缘材料,-,云母：绝缘性、耐热性良好。,线圈是在纸、玻璃布丝、聚酯薄膜等材料中加入多层云母片，再在线槽中填充环氧树脂等热固性材料而构成。,云母：,54,；树脂,36,。,云母含量（重量,%,）,54,树脂含量（重量,%,）,36,相对电容率（,50Hz,）,4,.25,介质损耗角正切（,50Hz,）,/%,0.75,绝缘击穿场强,/,（,kV/cm,）,30,云母复合绝缘材料的特性举例,10,龟甲形电机转子线圈,图 电枢线圈的绝缘,11,2.1.2,油浸绝缘,用于变压器、充油电缆（,OF,电缆）和电容器等设备中。,绝缘构成是以纤维纸、塑料薄膜和层压板等绝缘绕制并浸渍低粘度绝缘油构成。,两类：浸泡在绝缘油中、油浸复合绝缘。,充油变压器图 直绕式绕组的布置,12,OF,电缆（英语称为,Oil-impregnated Paper Oil-filled Cable,，,OF,与将在以后叙述的,CV,电缆中的,CV,一样，表示的是电缆类别）,OF,电缆,13,OF,式电容器,绝缘结构为,油浸绝缘，具有介电常数大、设计电场强度高等特点。电容器的绝缘材料使用的是电容器纸和聚丙烯薄膜，其结构是将这些材料和金属箔电极卷在一起做成电容元件，把这样的元件集中起来放入容器内，再浸渍绝缘油而制成。,罐式电容的构造,薄膜电容元件,14,2.1.3,交联聚乙烯电缆（,CV,电缆）,CV,电缆的绝缘层是用塑料挤出的一个完整的绝缘体。,CV,电缆的正式名称为交联聚乙烯主绝缘、聚氯乙烯外护层电力电缆。,主绝缘：交联聚乙烯；外护层：,PVC,护套。,无油、使用方便、介损小。,15,作为大型电力电缆使用的,CV,电缆是用化学交联法制造的。化学交联法是先将交联剂按,1%3%,的比例与聚乙烯相混合，在低于交联剂的分解温度之下进行挤出，然后加热加压使其交联。,化学交联法,16,2.1.4,气体绝缘设备,1、满足条件：,在使用温度范围以内为气体状态；,可进行压缩（压力可以按照需要增大）；,具有稳定的化学性质，无毒，无公害；,不造成较大的成本负担。,2、能满足上面的条件的合成气体是六氟化硫，通常称为,SF,6,气体。,3,、,SF,6,气体的分子量为,146,，分子构造是以硫（,S,）,为中心、正八面体的顶点为氟（,F,）,的对称分布。,SF,6,气体在电力设备的通常使用温度范围内可以被压缩到,10,个大气压。,4,、,SF,6,气体的,电气强度是,大气压下空气的,22.5,倍，压缩,SF,6,气体可以得到,10,倍于空气的绝缘耐压水平。也就是说，压缩后可得到几乎与绝缘油相近的绝缘耐压水平,。,17,气体绝缘输电线路,18,气体绝缘组合电器,19,导电粒子对,SF6,气体放电的影响,20,2.2,绝缘材料的老化,电气设备的绝缘在运行中会受到各种因素如电场、热、机械应力、环境因素等的作用，其内部将发生复杂的化学与物理变化，导致性能逐渐劣化，这种现象称为老化。在设备正常运行的条件下，老化是渐进的、长期的过程。,受到多种因素的影响，共同作用，相互影响。,一种复杂的物理、化学变化，具有不可逆性。,渐进的、长期的过程。,老化特征量：直接和间接特征量。,21,绝缘材料的老化以有机绝缘材料的老化问题最为突出。,气体绝缘具有自恢复特性；,液体,有机绝缘材料老化时表观上发生混浊、变色等；,高分子有机绝缘材料老化时表观上发生变色、粉化、起泡、发粘、脆化、出现裂纹或裂缝、变形等。,多数,情况下，绝缘材料的老化是由于其化学结构发生了变化，即由于降解、氧化、交联等化学反应，改变了其组成和化学结构；但是有的老化仅仅是由于其物理结构发生了变化所致。通常绝缘材料性能的劣化是不可逆的，其最终将会引起击穿，直接影响电力设备和电力系统的运行可靠性。,22,绝缘劣化的特征量有直接和间接之分。前者指明了运行中所必须具有的性能，如耐电强度、机械强度等；后者和这些必须具有的性能只是有着某种联系，但并无直接的、确定的关系，如绝缘电阻、介质损耗因数等。直接特征量的确定通常采用破坏性试验方法；间接的特征量则可以通过非破坏性试验方法确定。因此间接的特征量对于绝缘在线诊断有着极其重要的意义。,绝缘材料的老化分为：,电老化,热老化,机械老化,环境老化,23,2.2.1,电老化,在长期电场作用下绝缘中发生的老化称为电老化。,固体绝缘,本征击穿场强非常高。,电气设备中绝缘材料击穿场强比本征击穿场强低。,原因：厚度效应、杂质及气孔。,绝缘击穿机理：电击穿、热击穿、电机械击穿。,油浸绝缘,微量水分及纤维杂质的混入，将使击穿电压下降。,24,电介质老化机理电老化,放电电老化是由于绝缘内部或表面发生局部放电而造成的。,局部温度急剧升高；,带电离子高速碰撞作用；,化学损坏。,绝缘寿命与外加电压关系：,A,、,n,：常数，,U,0,：局部放电起始电压。,25,局部放电老化,巴申定律：,固体绝缘中气泡或气隙发生局部放电遵循巴申定律。,油浸绝缘与交联聚乙烯相比，后者内部发生局部放电时危害更大。,局部放电使高分子材料老化的机理：,1,）带电质点的轰击；,2,）热效应；,3,）活性生成物 ；,4,）辐射效应；,5,）机械力作用。,26,（,1,）电树枝,气隙表面材料受局部放电的腐蚀,27,树枝状放电的发展,28,树枝状放电的发展,29,30,（,2,）水树枝,31,32,（,3,）油浸绝缘的老化,采用油纸绝缘结构的电气设备，在制造过程中可能混入气泡；,在运行中因湿度的影响、热胀冷缩及电动力和机械力作用的结果使纸层间存在气隙或油隙。,油纸绝缘结构中局部放电的发展,33,2.2.2,热老化,有机绝缘材料若老化的主要过程是热降解。热降解是一系列复杂的化学反应，特别是指氧化反应。,绝缘的热老化遵循,Arrhenius,方程：,V:,化学反应速度；,V0:,常数；,k:,玻耳常数；,Wa:,化学反应的活化能；,T:,绝对温度,聚乙烯类材料若老化特征：材料的伸长率、拉伸强度等机械性能下降；电气性能下降。,34,不同耐热等级的绝缘材料在,各种运行温度下长期运行的寿命,季节变化,长期过负荷,热老化,对不同类型的绝缘材料，温度每升高,8,12,，其寿命将缩短一半。,35,油浸纸材料,1,）固体绝缘材料老化特征：反应纤维机械强度的性能指标下降，如反应抗拉强度的指标,聚合度,；生成,CO,、,CO,2,、,H,2,O,以及丙酮和糠醛等产物。,2,）绝缘油老化过程中产生气体（低分子烃类气体、,CO,、,CO,2,等）、有机酸和,X-,腊等。,36,2.2.3,机械老化,绝缘机械老化的主要原因有机械应力，电磁力，以及运动中的振动和热循环。,机械负荷,长时间振动,短路应力,37,2.2.4,环境老化,当绝缘表面附着有污损物质（粉尘、盐分和油等），以及水分的情况下，这些附着物质将使绝缘表面产生电通路，形成漏电痕迹，使绝缘性能显著下降。,环境老化的表征是由于绝缘吸湿、变质、污损使绝缘的电阻降低、泄漏电流和介质损耗增加，由于绝缘层脱壳、剥落、龟裂造成局部放电量增加，其结果都是导致绝缘电气性能、机械性能变劣，剩余耐压水平和寿命减少，最终导致绝缘结构破坏。,38,水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成,“,汽桥,”,而使击穿电压显著降低。,受潮,局部电弧,水带,绝缘介质,39,