常用绝缘材料的高压绝缘性能优化

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：通过上述数值计算，可以得到灭弧室各部位电场强度分布，在此基础上对绝缘结构的分析和确定，需要了解绝缘材料的绝缘性能。下面简单介绍SF6断路器中各种绝缘介质的绝缘性能。纯SF6气体间隙绝缘是设备中主要的绝缘结构，要求电场分布均匀。在SF6断路器中主要应用的固体绝缘材料有作为支柱绝缘子和外套以及出线套管用的电瓷、复合绝缘套管用硅橡胶、作为支撑和间隔用的环氧树脂盆式绝缘子、喷口用的聚四氟乙烯等材料。

通过上述数值计算，可以得到灭弧室各部位电场强度分布，在此基础上对绝缘结构的分析和确定，需要了解绝缘材料的绝缘性能。下面简单介绍SF₆断路器中各种绝缘介质的绝缘性能。

1.空气

空气是一种混合物，空气的电气性能如下：电阻率ρ为10¹⁸ Ω·cm，tanδ为10^-6～10^-4，液化温度低。其相对介电常数在1个标准大气压时为1.00058，20个标准大气压时为1.01108，40个标准大气压时为1.0218。在有些高压开关中采用压缩空气作为绝缘介质，还可以应用于高压真空断路器中。

在均匀电场中，温度一定时，空气的击穿电压符合巴申定律，击穿场强约为30kV/cm。在不均匀电场中，由于电极各部分电场强度最大处出现局部放电，当电压继续升高时，则过渡到火花放电或电弧放电，因此在不均匀电场中，气体的击穿场强远低于均匀电场的击穿场强。

2.SF₆气体

SF₆气体在断路器中起着绝缘和熄弧作用，其热化学特性和电负性在第六章中作了介绍。其电气特性主要包括：耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，在0.25MPa下与油的击穿电压相等，中等压力、同样条件下电晕放电的起始电压是空气的2倍。SF₆气体绝缘强度高，在标准状态下，电极距离为1cm的均匀电场中，空气为3kV/mm，SF₆气体为6.7kV/mm。SF₆气体具有很好的高温导热性，能在电弧熄灭后很快恢复绝缘，在高压断路器中既可作为熄弧介质，又可作为绝缘介质。

目前，以SF₆气体作绝缘的电力设备中基本的绝缘结构有三种形式，即纯SF₆气体绝缘、支持（支柱绝缘子）绝缘和引线绝缘。纯SF₆气体间隙绝缘是设备中主要的绝缘结构，要求电场分布均匀。支柱绝缘子大量用于组合电器和输电管道作为固定高压导体的绝缘支持物（主要有盆形绝缘子、棒形绝缘子、夹形绝缘子）。引线绝缘作为从SF₆电力设备高压引出线绝缘用。

根据工程上计算电场强度的经验公式计算0.15MPa下SF₆气体击穿场强和沿绝缘件表面时的闪络场强如下：

1）在50Hz工频交流电压下，SF₆气体的工程击穿场强E_dt（kV/mm）计算公式如下：

E_dt=6.5（10p）^0.73 （8-71）

式中 p——SF₆气体压力，单位是MPa。

根据上式算出0.15MPa下SF₆击穿场强E_dt=8.74kV/mm，与负极性时相同。

2）工频电压下，当SF₆沿面绝缘结构中最大场强达到某一数值E_ft（kV/mm）时发生沿面闪络，计算公式如下：

E_ft=4.5（10p）^0.64 （8-72）

根据式（8-72）计算出0.15MPa下SF₆气体沿绝缘件表面时的闪络场强E_ft=5.83kV/mm。

3）雷电冲击电压下SF₆气体击穿场强如下：

E_dt=7.5（10p）^0.75 （8-73）

根据式（8-73）计算出0.15MPa下E_dt=10.17kV/mm。

4）雷电冲击电压下SF₆气体沿绝缘件表面时的闪络场强如下：

E_ft=6.4（10p）^0.66 （8-74）

根据式（8-74）计算出0.15MPa下E_ft=8.37kV/mm。

理想的SF₆气体临界击穿场强为8.85kV/mm，而空气临界击穿场强为2.94kV/mm。由此推论在均匀电场下SF₆气体的击穿场强约是空气的3倍。但生产实际应用中，SF₆气体击穿场强总是低于这一数值，当间隙内最大场强达到某一击穿场强时，间隙即被击穿。SF₆气体在均匀电场中和不均匀电场中的击穿场强、沿面放电场强对比见表8-1。

表8-1 SF₆气体击穿场强和沿面放电场强值（单位：kV/mm）

影响SF₆气体击穿场强的因素较多，如气体压力、电压形式和极性、间隙长度、电场不均匀程度、电极表面粗糙度、电极材料和电极面积等，其中电场的均匀性是影响SF₆气体间隙绝缘的最重要因素之一。电场的均匀程度对SF₆气体间隙击穿电压的影响要比空气大得多。在均匀电场中，SF₆气体的绝缘性能十分优良，气体间隙d的增大、气体压力p的增加都能显著地提高间隙的绝缘能力。

3.固体绝缘材料

固体绝缘材料有很多种，如电瓷、橡胶绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸等，还有浸液纤维制品、绝缘云母制品、复合制品以及粘带等。在SF₆断路器中主要应用的固体绝缘材料有作为支柱绝缘子和外套以及出线套管用的电瓷、复合绝缘套管用硅橡胶、作为支撑和间隔用的环氧树脂盆式绝缘子、喷口用的聚四氟乙烯等材料。

（1）电瓷

电瓷主要用作绝缘子，瓷柱式断路器上的灭弧室外套、支柱绝缘子以及罐式断路器出线套管等。电瓷原料主要有粘土、长石、石英等。电气性能主要如下：介电常数为7～11，电阻率ρ为10¹²～10¹³ Ω·cm，tanδ为0.02～0.06，击穿场强为15～16kV/mm。具有良好的机械强度、耐热性、耐大气腐蚀和耐电晕性，不易老化，缺点是电瓷性硬且脆。

（2）硅橡胶

硅橡胶是一种直链状高分子量的聚硅氧烷。它具有最广的工作温度范围（-100～350℃），耐高低温性能优异，此外还具有优良的电绝缘性、热稳定性、耐候性、耐臭氧性、透气性，很高的透明度、撕裂强度，优良的散热性以及优异的粘接性、流动性和脱模性。一些特殊的硅橡胶还具有优异的耐油、耐溶剂、耐辐射及在超高低温下使用等特性。在使用温度范围内，硅橡胶不仅能保持一定的柔软性、回弹性和表面硬度，力学性能也无明显变化，而且能抵抗长时间的热老化。加入各种添加剂后，电气性能主要如下：介电常数为3.0～3.5，电阻率ρ为10⁹～10¹¹ Ω·cm，tanδ为0.001～0.01。

（3）环氧树脂

环氧树脂是一类含有环氧基团的物质的统称。环氧树脂具有良好的加工性，粘合性强，收缩率小，使用范围广。其固化物的力学、物理、绝缘性能，化学稳定性，耐水性、耐酸性都很好，耐碱性也比其他树脂要好。环氧树脂可以用来烧注绝缘，它的粘度小、流动性好、收缩率小、挥发物少、固化快、低压成型性好，并有足够的电气性能。环氧树脂的主要电气性能如下：介电常数为3～4，电阻率ρ为10¹³～10¹⁵ Ω·cm，tanδ低于0.004，击穿场强为35～50kV/mm。

由于环氧树脂具有绝缘性能高、结构强度大和密封性能好等许多独特的优点，已经在高低压电器、电机的绝缘及封装上得到了广泛应用，发展很快。它主要用于电器、电机绝缘封装件的浇注，如真空断路器、电磁铁、接触器线圈、互感器、干式变压器等高低压电器的整体全密封绝缘封装件的制造。

（4）聚四氟乙烯

它是由四氟乙烯单体经聚合而得，分子式为（C₂F₄）_n。聚四氟乙烯的电气性能主要如下：介电常数为1.9～2.2，电阻率ρ为10¹⁴～10¹⁵ Ω·cm，tanδ为0.0001～0.0003，击穿场强为19kV/mm。聚四氟乙烯的化学稳定性高，耐高低温性好，可长期工作在-40～300℃之间，抗老化性好，耐大气老化，耐臭氧、耐紫外光性能好。

常用绝缘材料的高压绝缘性能优化

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