液体和固体介质的电气特性.ppt

第三章 液体和固体介质的电气特性,液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用得最多的液体介质是变压器；常见的固体介质有绝缘纸、纸板、云母、塑料等，常用于内绝缘；而用于制造绝缘子的固体介质有电瓷、玻璃、硅橡胶等。,电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电导率 （或绝缘电阻率 ）、介电常数 、介质损耗角正切 和击穿电场强度（简称击穿场强） 来表示。,一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。,第一节 液体和固体介质的极化、电导与损耗,一、电介质的极化 1. 介电常数、相对介电常数 平行平板电容器在真空中的电容量为,图3-1 平板电容器中的电荷和电场分布 (a)真空 (b)充以介质,当极板间插入固体介质后，电容量为 式中 A极板面积，cm2； d极间距离，cm；介质的介电常数 0真空的介电常数，0=8.8610-14F/cm 定义 为介质的相对介电常数。,2. 极化 概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中 和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现 了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。 种类：,视频链接,视频链接,视频链接,双层介质的夹层极化（吸收现象）,阴影部分的面积为绝缘在充电过程中逐渐“吸收”的电荷。 这种逐渐“吸收”电荷的现象叫做“吸收现象”，对应的电流称为吸收电流。它是由于介质中偶极子逐渐转向，并沿电场方向排列而产生的。,当绝缘受潮或有缺陷时，电流的吸收现象不明显，总电流随时间下降较缓慢，而试品的绝缘电阻与电流成反比。因此，根据的变化，就可以初步判断绝缘的状况。,显然，对于不均匀试品的绝缘，如果绝缘状况良好，则吸收现象明显，值远大于1；如果绝缘严重受潮，由于Ig大增，Ia迅速衰减，Ka值接近于1。,电介质极化种类及比较,二、电介质的电导 电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导 率，在高电压工程中一般常用电阻率来表征介质的 绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率与温度有下述关 系： 式中 A常数，与介质性质有关； T热力学温度，单位为K； 电导活化能； k波尔兹曼常数。,1. 体积电阻 体积电阻率为： 体积电导率为： 其中， d（cm）为电介质厚度， S（cm2）为电极表面积。,体积电阻的测量电路,2. 表面电阻 表面电阻率为： 表面电导率为： 其中， d（cm）为电介质厚度， l（cm）为电极长度。,表面电阻的测量电路,电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的 损耗和由极化引起的损耗。,介质损耗为：,P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于 互相比较，所以改用介质损失角的正切tan来判断介质的品质。,三、 电介质的能量损耗,对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可 用三个并联支路的等值回路来表示。,有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。,R反映电导损耗,C0反映电子式和离子式极化,C，r支路反映吸收电流,（1）气体介质的损耗,当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的 损耗是由电导引起的，损耗极小（tan10-8）。,但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加，如图所示。,（2）液体介质的损耗,中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。 极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损 耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。,电导损耗占主要部分，tan重新随温度上升而增加,T升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，极化损耗增加,分子热运动加快，极化强度减弱，极化损耗减小,（3）固体介质的损耗 分子式结构介质： 中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等； 极性：tan值较大，与温度、频率的关系和极性液体相 似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等， 离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等； 不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间 的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等； 强极性电介质：在高压设备中极少使用。,第二节 液体介质的击穿,一、纯净液体介质的击穿理论,纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 电子碰撞电离理论、气泡击穿理论,工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在 标准试油杯中所得数据） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引 起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”， 引起击穿，即“小桥理论”。,二、工程纯液体介质的击穿理论,绝缘外壳,黄铜电极,标准试油杯（图中尺寸均为mm）,油间隙距离2.5mm,（1）杂质的影响 水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多 大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。,标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系,W为110-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大,三、影响液体介质击穿的因素及提高措施,（2）温度的影响,干燥的油,受潮的油,标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系,干燥油的击穿强度与温度没有多大关系,080，Ub提高（水分溶解度增加）温度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0，Ub提高（水滴冻结成冰粒）,（3）油体积的影响,变压器油中水分含量为3110-6时的Ub与d的关系,稍不均匀电场T=100,稍不均匀电场T=20,极不均匀电场T=20,随着间隙长度的增加变压器油的击穿场强下降,均匀电场中油（T=90）的冲击击穿场强 与油体积的关系,规律：油的击穿强度随油体积的增加而明显下降。 原因：间隙中缺陷(即杂质)出现的概率随油体积的增加而增大。,不能将实验室中对小体积油的测试结果，直接用于高压电气设备绝缘的设计,（4）电压形式的影响,杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因此油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。极不均匀电场中冲击系数约为1.4l.5，均匀场中可达2或更高。,-1.2/50s波,+1.2/50s波,工频电压,稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系,（5） 减小杂质影响的措施,（1）过滤 使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。 （2）防潮 绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。 （3）祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到去除油中水分和气体的目的。 （4）用固体介质减小油中杂质的影响 常用措施为覆盖层、绝缘层和屏障。,第三节 固体介质的击穿,固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。,一、固体介质的击穿理论,1. 电击穿,固体介质的电击穿过程与气体相似，碰撞电离形成电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。,固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压有可能低于单次冲击作用时的值。因为固体介质为非自恢复绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分损伤，则多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象为累积效应。,有累积效应,基本无累积效应,2、 热击穿,概念： 绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏而导致击穿。,特点： （1）击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟。 （2）在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿。,介质发热（曲线1，2，3）及散热（曲线4）与介质温度的关系 U1 U2 U3,发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc。 Ta稳定， Tc不稳定,曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定。U2是临界热击穿电压，Tc则是热击穿的临界温度,根本不存在热平衡点，必然发生热击穿,3、 电化学击穿,对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下 降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的 主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。,介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产 生的活性气体如O3，NO，NO2等对介质将产生氧化和腐 蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介 质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。,空气隙的电容,与气隙串联的介质电容,绝缘完好部分的电容,CmCgCb,局部放电的等效电路,电极间加上瞬时值为u的交流电压时，Cg上的电压瞬时值ug为:,气隙的 放电电压,气隙的放电熄灭电压,真实放电量：,视在放电量：,不可测量,真实放电量与视在放电量关系：,单次局部放电的能量：,（Ui 为气泡放电时试品上的电压）,二、 影响固体介质击穿电压的主要因素,电压作用时间 电场均匀程度 温度 受潮 累积效应,第四节 组合绝缘的特性,一、 油屏障式绝缘,油: 主要绝缘介质，因为有很好的冷却作用。 屏障: 改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成。,粘浸渍电缆,充油电缆,油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多,因为直流电压作用下油与纸 的场强分配比交流时合理,覆盖 绝缘层 屏障,油纸绝缘的形式：,二、油纸绝缘,油