液体和固体介质的电气特性2014lu.ppt

第五章 液体和固体介质的电气特性,一、电介质的极化、电导与损耗 二、液体介质的击穿 三、固体介质的击穿 四、组合绝缘的特性 五、绝缘的老化,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为： 液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶,电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，在外电场作用下内部结构发生变化(极化)，并且反过来影响外电场的固体、液体和气体物质总称为电介质。 电介质的地位：电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有重要的地位。 为什么要讨论电介质：电介质放入外电场后，内部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变化。因此，有必要对变化后的物理量进行讨论。,电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。 有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。,电介质的电气特性表现在电场作用下的： 导电性能 介电性能 电气强度,描述电介质电气特性的4大参数： 电导率 （绝缘电阻率） 介电常数 介质损耗角正切 tan 击穿场强 Eb,5.1.1 电介质的极化,5.1 电介质的极化、电导与损耗,分子由原子或离子组成；气体、液体和固体三种聚集态由原子、离子或分子组成。 键：质点间的结合方式，分子和三种聚集态的性质与键的形式有关。,电介质的极性和分类,分子键：分子与分子间的结合力。分子以相互间的吸引力结合在一起，形成分子键。 化学键：分子内相邻原子间的结合力，分为离子键和共价键。 分子的化学键类型，取决于分子的原子间电负性的大小。（电负性是指原子获得电子的能力）,（1）离子键 电负性相差很大的原子相遇，原子间发生电子转移，电负性小的原子失去电子成为正离子；电负性大的原子得到电子成为负离子。正负离子通过静电引力结合成分子。即正负离子间形成离子键。 大多数无机电介质都是靠离子键结合起来的，如玻璃、云母等。,（2）共价键 由电负性相等或相差不大的两个或多个原子通过共用电子对结合成分子，称共价键。有机电介质都是由共价键结合而成，某些无机晶体如金钢石也是共价键。 非极性共价键：电负性相同的原子组成的共价键。分子正、负电荷中心重合。由非极性共价键构成非极性分子。 极性共价键：电负性不同的原子组成的共价键。分子正、负电荷中心不重合。由极性共价键构成极性分子。,电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关,离子键（强极性键）,强极性分子,共价键,正、负离子之间形成很大的键矩,原子电负性相同,非极性键,非极性分子,共同电子对的电子云对称分布在两个原子核中间,原子电负性不同,极性键,一个极性键组成,结构对称,多个极性键组成,极性分子,结构不对称,化学键,极性分子,非极性分子,极性分子（正、负电荷作用中心永不重合）极性电介质：环氧树脂、三氯联苯 非极性分子（正、负电荷作用中心重合） 非极性电介质：聚四氟乙烯、氮气,偶极子大小相等，符号相反，彼此相距为d的两电荷（q，q）所组成的系统。 偶极子的极性，大小和方向常用偶极矩来表示。偶极矩的方向由负电荷指向正电荷，其大小为每个电荷的电量乘以正、负电荷间的距离。,电介质的分类 根据化学结构分为三类： 非极性电介质 由非极性分子组成的电介质。 极性电介质 由极性分子组成的电介质。 离子性电介质 分子由离子键构成的电介质，只有固体形式。,电介质的极化,极化的概念和相对介电常数,电介质的极化电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。,实验显示，加同样大小直流电压U 极板中为真空时：极板上电荷量为Q0； 极板中为固体介质时：极板上电荷量增加了，为Q0+Q,问题:为什么极板中为固体介质时，电荷量会增加？,固体电介质加电场,固体中原来彼此中和的正负电荷产生弹性位移现象和偶极子的取向现象,同量的负电荷在极板上吸引出同量的正电荷,正电荷靠近负极板 负电荷靠近正极板,同量的正电荷在极板上吸引出同量的负电荷,增加了极板上的电荷量,电介质的极化导致了极板上电荷量的增加,电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。介电常数用来表示极化的强弱。 极化的总效果是在介质边缘出现电荷分布，这些电荷仍束缚在每个分子中，称为束缚电荷或极化电荷。,极间为真空时极板的电容：,极间为固体介质时,电容量将增大为： Q是由电介质极化引起的束缚电荷,介质的介电常数 0真空的介电常数 A极板面积，cm2 d极间距离，cm,相对介电常数r,r是反映电介质极化特性的一个物理量。表征电介质在电场作用下的极化程度。 介电常数越大，表明介质越容易极化 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1，液体和固体多在26之间（表5-1）。,电介质极化的种类, 电子式极化,在外电场 的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，即对外显出电性，发生极化。,极化机理,电子式极化存在于一切气体、液体和固体电介质中； 完成极化需要的时间极短10-1410-15s，r与电源频率无关； 极化具有弹性，即外电场消失，整体恢复中性。所以电子式极化不产生能量损耗，不会使介质发热； 温度对极化影响小。,电子式极化的特点, 离子式极化,无外电场时：晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。 在出现外电场后：正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。,极化机理,离子式极化存在于一些固体无机化合物中，如云母，陶瓷等； 极化需要的时间极短10-15s，r与电源频率无关； 极化具有弹性，不产生能量损耗。 温度对离子式极化的影响，存在相反的两种作用 注意：通常前一种影响较大，r一般具有正的温度系数。,温度升高：离子间的结合力减小极化程度增强；,温度升高：离子的密度减小极化程度减弱。,离子式极化的特点, 偶极子极化,无外电场时：极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩为零，整个介质对外不表现出极性； 在出现外电场后：杂乱的偶极子将沿电场方向转动，有规则的排列，显示出极性。介质内部电场与外加电场相反。,极化机理,极化时间相对较长10-1010-2s，r与频率有较大关系,偶极子极化的特点,频率太高时，偶极子将来不及转动，r 值变小 其中：r0相当于直流电场下的相对介电常数； f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，r值不断下降； f f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，r减小到r 。,偶极子极化非弹性，产生能量损耗； 极化中偶极子旋转要克服分子间的作用力，而消耗的电场能量在复原时无法收回 温度对偶极子极化影响大 对于极性气体介质 温度分子热运动加剧阻碍偶极子排列极化 对于极性液体和固体介质（双向作用） 低温下随温度的升高分子间联系减弱偶极子转向容易极化加强 但当热运动变得较强烈时分子热运动阻碍极性分子沿电场取向极化减弱,温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧密，不易极化。温度较高时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，所以随温度增加极化程度先增加后降低。, 夹层极化,高电压设备的绝缘往往是由几种不同材料组成或介质是不均匀的 当外电场加在由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构上，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。 在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层极化。,夹层极化的概念,极化机理,设、两种介质面积厚度相等，外加电压为直流电压U,t=0，合闸瞬间，电容开始充电：电压分配与电容成反比,t=，达到稳态，电容充电完毕：电压分配与电导成反比,电介质的介电常数 电介质电导率,若介质为单一均匀的，12、C1=C2、G1=G2则： 即合闸后，不会产生电压重新分配,若介质为不均匀，12、C1C2、G1G2则： 即合闸后，两层介质电压要重新分配，即C1、C2上电荷重新分配,吸收电荷：t =0后，随时间增大，U1减小而U2 增大，总的电压U保持不变。即C1上一部分电荷要通过G1放掉，而C2要从电源再吸收一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷。,吸收过程：由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这一过程称为吸收过程 。 夹层极化：吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为夹层极化。,若设C1C2、G1G2则： t = 0时：U1U2 ； t 时：U1 U2 。,夹层极化的特点,极化时间缓慢10-1s数小时，夹层极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来； 极化非弹性，产生能量损耗。,讨论电介质极化的意义,选择绝缘 在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择r较小的介质,材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因数。 介质损耗越大，绝缘材料越易劣化，老化，而被击穿。,对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层场强分布与其r成反比，要注意选择r，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用,若绝缘中存在气泡，由于气体的r是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生游离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。如采用油浸方式能改善电场分布。 在电缆芯处使用r较大的材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的耐电强度。,在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。 夹层极化吸收过程要经过C1、C2和G1、G2进行，其放电时间常数为 =(C1+C2)(G1+G2)。由于电导G的数值很小，因而时间常数 很大，极化速度非常缓慢。当介质受潮，电导增大， 将大大降低，极化速度加快。 同理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也是十分缓慢的。因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危及人身安全。,电介质电导的概念和电导率,电介质的电导过程在电介质内部或多或少存在数量很小的带电粒子，它们在电场作用下会不同程度的作定向移动而形成传导电流的物理现象。 电介质中的传导电流含泄漏电流和吸收电流两个分量 泄漏电流由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动形成的； 吸收电流电介质极化形成。 描述电导的物理量电导率或电阻率,5.1.2 电介质的电导,电介质电导与金属电导的本质区别 电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电介质电导是离子性电导；而金属的电导是由金属导体中的自由电子造成的，所以是电子性电导。 电介质的电导很小，其电阻率一般为1091022cm;而金属的电导很大，其电阻率仅为10-610-2cm。 电介质的电导具有正的温度系数，即随温度的升高而增大；而金属的电阻随温度的升高而升高，即其电导随温度的升高而下降，因此具有负的温度系数。,液体与固体电介质的电导率与温度关系,电介质电导的特性,电介质电导主要是离子电导 电介质中少量的带电粒子主要是离子；金属导体的电导性质为电子式电导，带电粒子为金属中的大量自由电子。 温度的影响 温度升高分子离解度增大电介质中离子数增多，迁移率增大电导率增大 固体、液体介质电导率与温度T的关系,A、B介质有关的常数 T 绝对温度，单位为K,泄漏电流和绝缘电阻, 电介质电流的组成,C1：纯电容支路，代表介质的无损极化过程，流过的电流i1 ； C2R2：有损极化电流支路，流过电流i2 ； R3 ：电导电流支路，代表介质的电导损耗过程，流过的电流为i3。,i1,i3,i2,i= i1 +i2 + i3,I60,60,15,I15,i,t(s),介质总电流 i 由三部分组成,i1纯电容电流（无损极化） 由电极间电容C1及介质中的无损极化决定，存在时间很短，很快衰减到零；,i2吸收电流（有损极化） 由介质的有损极化过程所决定，其存在时间较长，可达数分钟到数十分钟,i3电导电流（泄漏电流） 趋向稳定的电流，不随时间而变，与绝缘电阻相对应，服从欧姆定律, 绝缘电阻,绝缘电阻泄漏电流对应的电阻,绝缘电阻的测量 加直流电压1分钟后，极化过程结束，仅存电导过程，此时流过介质的电流为泄漏电流，对应电阻为绝缘电阻,绝缘电阻的组成 包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 式中 R1体积绝缘电阻； R2表面绝缘电阻。 介质的绝缘电阻决定了介质中的泄漏电流 泄漏电流大介质发热加快绝缘介质的老化 一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况,固体电介质的电导分体积电导和表面电导，分别表示固体电介质的内部和表面在电场中传导电流的能力。,固体电介质的电导,中性或弱极性固体电介质的体积电导主要由杂质离子造成电导。 极性固体电介质的体积电导由杂质离子及本身离解的离子共同决定电导。 离子性固体电介质的体积电导由离子在热运动影响下脱离晶格移动所致。,固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。 亲水性电介质的表面电导大，且受环境湿度的影响大。（极性和离子性电介质都属于亲水性材料） 憎水性电介质的表面电导小，且受环境湿度的影响小。（非极性和弱极性电介质如石蜡、硅橡胶、硅树脂等都属于憎水性材料）,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。,（1）体积电阻,体积电阻的测量电路,由电介质内部电导电流Iv 所决定的电阻为体积电阻Rv。,屏蔽电极作用是为了将流过介质表面的电流与介质内部的电流分开。,表面电阻率为： 表面电导率为： 其中， d（cm）为电极距离， l（cm2）为电极长度。,（2）表面电阻,表面电阻的测量电路,由电介质表面电导电流Is 所决定的电阻为表面电阻Rs。,讨论电介质电导的意义,在绝缘预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象 如绝缘良好，则R较大 如绝缘受潮，则R较小,多层介质在直流电压下，电压分布与电导成反比，故设计用于直流的设备要注意所用介质的电导，应使材料使用合理。,设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是湿度的影响。 有时需要作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。,对某些能量较小的电源，如静电发生器等，要注意减小绝缘材料表面泄漏电流以保证得到高电压 电流若从外部流过，电压会有损失,不是所有的情况下均要求绝缘电阻值高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。 在高压套管法兰附近涂半导体釉等，是为了改善电压分布，提高沿面放电电压，消除电晕。,电介质损耗的概念和介质损耗角正切, 电介质损耗的形式,电导损耗 在直流电压下，无周期性极化过程，当外施电压低于发生局部放电电压时，介质中损耗由电流流过电阻引起。 极化损耗 在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗 。 气体电离损耗,电介质损耗介质在交、直流电压下的有功功率损耗,5.1.3 电介质的能量损耗, 介质损耗角正切,直流电压下 电介质中没有周期性的极化过程，当外施电压低于发生局部放电电压时，介质中的损耗将仅由电导损耗组成。 物理量用电导率表达，不必再引入介质损耗这个概念了。,交流电压下 除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗。 引入一个新物理量：损耗角正切（tan）,加交流电压，由于介质中有损耗，电流不是纯电容电流，分为两个分量： 式中 有功电流分量； 无功电流分量。,交流电压下介质损耗的分析,接线图,相量图,介质损耗功率（有功功功率损耗）,式中：电源角频率； 功率因数角； 介质损耗角; C电介质等值电容.,用介质损耗P来表示介质品质好坏是不方便的 P值与试验电压的平方和电源频率成正比，与试品尺寸、放置位置有关，不同试品之间难以进行比较。 对同类试品可直接用tg 来代替P值，对绝缘的优劣进行判断 当外加电压和频率一定时，P与介质的物理电容C成正比，对一定结构的试品而言，电容C是定值，P与tg成正比。 定义为介质损失角，是功率因数角的余角。 介质损失角正切值tg ，同r一样，只取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。,由向量图：介质损耗角正切 tg等于有功电流和无功电流的比值 功率损耗为,介质损失角正切值tg 的计算,采用并联等值电路或串联等值电路来分析, 并联等值电路,电压不变，分解电流,采用条件：介质损耗主要由电导所引起, 串联等值电路,采用条件：介质损耗主要由极化所引起,介质损耗角正切 tg 功率损耗为 由于很小， cos1,由,电流不变，分解电压,由于tg 1，所以rR,气体、液体和固体介质的损耗, 气体介质损耗,气体电介质的极化率极小，所以在极化中不会引起损耗,气体中的tg 与电压的关系,当外加电场不足以使气体分子发生电离时，气体中只有很小的电导损耗（tg 10-8)，工程中略去不计。 当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加。（气体电离损耗）, 液体介质损耗,这类介质中的损耗主要是电导损耗； 介质损耗与温度、电场强度等因素的关系与电导和这些因素的关系相似；,中性液体或中性固体电介质的tg 与温度的关系示意图,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系示意图,中性和弱极性液体介质（变压器油）,这类介质中的损耗包括电导损耗和极化损托两部分,极性液体介质（蓖麻油）,较小时：偶极子跟得上电场的交变，极化充分发展，此时的r最大；但偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，tg也小，主要由电导损耗。 随增大：转向极化逐渐跟不上电场交变，r开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、tg增大。 当偶极子完全来不及转向时：r 值变得最小tg也变得很小,极性液体介质中的损耗与频率的关系,r,极性液体介质中的损耗与温度的关系,当tt1：极化损耗和电导损耗都较小，随温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的tg亦上升，tt1时为极大值； 当t1t2：电导损耗随温度急剧上升，而极化损耗不断减小而退居次要地位，因而tg 随t的上升而持续增大。, 固体介质损耗,中性介质 无极化损耗，主要是电导损耗，通常很小。 如石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等， 极性介质 有极化损耗和电导损耗，tg与温度、频率的关系与极性液体相似，tg 值较大，高频下更为严重。 如纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等）,分子式结构（有机绝缘材料）,结构紧密的不含杂质的离子晶体 主要是由电导损耗， tg极小 如云母，云母的电气强度高，耐热性能好，耐局部放电性能也好，故云母是优良的绝缘材料，在高频下也可使用。 结构不紧密的离子结构 有极化损耗和电导损耗，介质的tg较大，但随成分和结构的不同， tg相差悬殊。 如玻璃、陶瓷，,离子式结构（无机绝缘材料）,不均匀结构,不均匀结构的电介质的tg 取决于其中各成分的性能和数量间的比例 如电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质）、油浸纸和胶纸绝缘等,讨论电介质损耗的意义,设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。 若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。,用于冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度。,在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。 当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U的关系曲线加以判断。,液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。,一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。,5.2 液体介质的击穿,耐电强度：比气体高，且具有绝缘、散热、冷却和灭弧作用。,击穿理论研究现状：远不及气体介质击穿机理研究，目前尚缺乏完善的击穿理论。,按击穿机理分类：纯净的和工程用(非纯净)。,纯净的液体电介质的击穿机理： （1）电击穿理论 （2）气泡击穿理论,工程用的液体电介质的击穿机理：小桥击穿理论,（1）纯净的液体电介质的击穿机理,电击穿理论：液体中因强场发射等原因产生的电子在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离。因液体介质的密度比气体大得多，电子运动的平均自由行程短，所以其击穿场强比气体高很多。,气泡击穿理论：当外加电场较高时，液体介质会由于各种原因产生气泡。由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡r =1， 小于液体的r，因而气泡承担比液体更高的场强，而气体耐电强度又低，所以气泡先行电离；然后气泡中气体温度升高体积膨胀，电离进一步发展使油分解出气体；一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通道内发生。,各种原因产生气泡： 电子电流加热液体，分解出气体； 电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大； 电极凸起处的电晕引起液体气化。,纯净液体电介质的气泡击穿理论,液体中出现气泡,交流电压下串联介质中电场强度的分布与介质的r成反比,气泡r 最小，将承担高场强，且电气强度比液体介质低很多,气泡先发生电离,气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小,电离进一步发展,电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大,许多的气泡在电场中排列成气体小桥贯穿两极,击穿在通道中完成,击穿过程,（2）工程用的（非纯净）液体电介质的小桥击穿理论,油中杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。,小桥形成：液体中的杂质在电场力的作用下， 在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成 杂质的“小桥”，由于水和纤维的介电常数分别为81和67，比油的介电常数1.82.8大得 多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。,受潮纤维在电极间定向示意图,(a) 形成“小桥”,(b) 未形成“小桥”,工程液体电解质的击穿（变压器油）,工程液体的特点：含有杂质、纤维等， r很大（变压器油r=2.2）,由于水和纤维的r很大，易沿电场方向发生极化，并排列成杂质小桥。,小桥击穿理论,杂质小桥接通电极,杂质中电导大,泄漏电流增加，导致发热,水分汽化,气泡扩大,杂质小桥未接通电极,杂质中r大,油中电场强度增高,引起油电离,油分解出气体，气泡扩大,气泡因电离或发热而不断扩大，排列成气体小桥贯穿两极，液体最终在气体通道中击穿,形成“小桥”,未形成“小桥”,小桥击穿的特点：,(1) 与热过程紧密相连； (2) 如果间隙较长则难以形成小桥，但因不连续的小桥也会畸变电场，而引起间隙击穿电压降低； (3) 小桥的形成和电极形状及电压种类有关：电场极不均匀时，由于尖电极附近发生局部放电现象造成油的扰动，而难以形成小桥；冲击电压下，由于作用时间极短，小桥来不及形成。,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,5.2.1 影响液体介质击穿的因素,对液体介质，通常用标准试油杯测得的工频击穿电压来衡量其品质的好坏。,我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为2.5mm的半圆以减弱边缘效应，保证了极间电场极板上是均匀的。,对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为 Ub 25kV40kV; 对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压一般为Ub 50kV60kV。 在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油的品质的衡量标准，不能用此数值直接计算在不同条件下油间隙的耐受电压。,（1）杂质的影响,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,水分：水在油中以溶解状或悬浮状存在。溶解状的水对油的耐压影响不大；悬浮状的水分易形成小桥，对击穿电压的影响较大。,水分、悬浮物如固体纤维、气泡,水分-介电常数大-延电场方向被拉长-与固体纤维一起向高场强区运动-逐渐形成导电的小桥-液体击穿,极不均匀场高场强区会出现局部放电，引起介质扰动，小桥不易形成，杂质对击穿的影响不大。,（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,低于0，Ub提高（水滴冻结成冰粒） 080，Ub提高（水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下降（水分汽化）；,（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）电场均匀程度的影响,油的纯净程度较高时 改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高 油的品质较差时 由于杂质的聚集和排列已使电场畸变，改善电场，击穿电压提高不明显 在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。,5.2.2 减小杂质影响的措施,（1）过滤 使油在连续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 油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入口放干燥剂，以防潮气进入。 （3）祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，油中所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件下将油注入电气设备中，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,覆盖层：指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层（小于1mm），它的作用主要是使油中的杂质、水分等形成的“小桥”不能直接与电极接触，从而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质小桥中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。,绝缘层：指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料（可达几十毫米），绝缘层不仅能起覆盖层的作用，减小杂质的有害影响，而且它能承担一定的电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀电场中，包在曲率半径较小的电极上。,充油电力设备中很少采用裸导体。,（4）用固体介质减小油中杂质的影响,屏障：又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙中的固体绝缘板。屏障的作用一方面是阻隔杂质小桥的形成；另一方面可改善油间隙中的电场分布，从而提高油间隙的击穿电压。在极不均匀电场中，曲率半径较小的电极附近场强高，会发生电离，电离出的带电粒子被屏障阻挡，并分布在屏障的一侧，使另一侧油隙中的电场变得比较均匀，从而能提高油间隙的击穿电压。,变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。,三态电介质的耐电特性 普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，所谓的缺陷可以指电场的集中，也可指介质的不均匀性。 击穿特性： 一般情况下，在气、液、固三种电介质中，固体密度最大，耐电强度也最高。 耐电强度:空气一般在 34 kV/mm; 液体一般在1020 kV/mm; 固体一般在十几几百 kV/mm 固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘。,5.3 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。在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿，且击穿使固体介质发生永久性破坏，是非自恢复绝缘。,5.3.1 电击穿,固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象，电击穿过程与气体中相似，碰撞电离形成电子崩，固体电介质中存在的少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。,在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿。,电击穿的主要特征：,击穿电压高，击穿时间短； 与周围环境温度无关； 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； 介质发热不显著； 电场均匀程度对击穿有显著影响； 体积效应：击穿场强数据分散性很大，与材料不均匀性有关。加大试样的面积或体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低。,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,有机材料,玻璃、云母等无机材料,固体介质冲击电压试验时的累积效应,5.3.2 热击穿,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。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，以致引起电介质分解、熔化、炭化或烧焦，造成材料的热破坏而导致击穿，这一过程称电介质的热击穿过程。,T G I T,热击穿理论, 击穿机理,固体介质加电压,介质损耗引起发热,介质发热散热,不会发生热击穿,介质发热散热,介质温度升高,介质电阻具有负温度关系,介质电阻下降,流过介质的电流升高,介质进一步损耗发热,介质分解碳化,介质击穿,热量累积,热击穿的理论分析,电压 ：U1U2U3 曲线1、2、3：电介质发出热量Q1与介质中温度t的关系 直线4 ：电介质散出的热量Q2与介质中温度t的关系,曲线1 发热Q1永远大于散热Q2 ，介质温度将不断升高，电压U1下必定发生热击穿,曲线2（与散热曲线4交于k点） U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度 ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。,曲线3（两个热平衡点） ttb时：情况类似曲线1，最终发生热击穿 t=tb时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb ，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点 t0ttb时：通过周围介质的散热调节，介质温度将逐渐稳定在ta ，称ta为稳定热平衡点, 热击穿的特点,热击穿电压会随着周围媒质温度t0的上升而下降，直线4会向右移动； 热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质的击穿场强随h的增大而降低；,热击穿的主要特征：,击穿电压较低，击穿时间较长； 击穿电压与环境温度、周围媒质的散热能力和散热条件有关； 击穿电压与电压作用时间有关； 击穿电压与频率有关： 击穿电压与介质本身的耐热能力有关； 击穿电压与介质尺寸有关。,5.3.3 电化学击穿,固体介质在电、热、化学和机械力的长期作用下以及由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。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。,局部放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因。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。,电化学击穿理论（电老化）,概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电化学击穿, 击穿机理,固体介质在长期工作电压下,介质内部的小气隙发生局部放电,产生带电粒子，撞击介质表面,固体介质劣化,绝缘性能下降,光、热、电流等作用,固体介质击穿, 电化学击穿电压与施加电压时间的关系,曲线l、2下降较快 表示有机绝缘材料（聚乙烯、聚四氟乙烯）耐局部放电的性能差； 曲线3接近水平 表示无机绝缘材料（硅有机玻璃云母带）的击穿场强随加电压时间的增加下降很少,结论： 大部分有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低； 无机绝缘材料耐局部放电的性能比有机绝缘材料较好,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,气隙每次放电时，试品两端的电压会有微小的电压突降，因此电源通过电源阻抗Zs向试品充电，在回路中形成电流脉冲。通过对回路中电流脉冲的检测，即可判断试品有无局部放电。,气隙起始放电电压: Ug,气隙放电熄灭电压: Ur,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：,试品上电压变化,试品电容,分析气隙击穿时的放电电荷量：,单次局部放电的能量W也可测量。,CmCb，可近似写为：,设Cg放电时试品上的电压为Ui，则Ui与Ug的关系为：,可得：,若近似认为Ur=0，则：,交流电压下每半周至少发生两次局部放电，所以电压频率越高，则单位时间内局部放电次数越多，即局部放电对绝缘的危害越严重。,直流电压下局部放电的情况不同。当气隙中的场强大于放电起始场强时，虽然也发生局部放电，但由此生成的正、负离子在电场作用下运动到气隙壁上形成与外施电场相反的空间电荷电场。空间电荷电场使气隙中的合成场强下降，放电可能熄灭。待气隙中的离子经过气隙表面的电导互相中和后，气隙中的场强又提高到放电起始场强，才发生第二次放电。由于气隙表面漏导很小，离子的中和需要较长时间（常以秒计），因此直流电压作用下局部放电的危害较交流时小。,各种材料耐受局部放电的性能是不同的。陶瓷、云母等无机材料有较强的耐局部放电的性能，而塑料等有机材料耐局部放电的性能较差，因此在设计时应使绝缘在工作电压下不发生局部放电。,提高绝缘局部放电电压的措施：,尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸，因为气隙的击穿场强随气隙厚度的减小而明显提高； 设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质或高电气强度的压缩空气填充空穴。,5.3.4 影响固体介质击穿电压的因素,tUb。1min击穿电压与长时间的击穿电压差不多。所以通常用1min工频试验电压估计固体介质的热击穿电压。,1、电压作用时间,浸油电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系,很短时间电击穿； 较长时间热击穿、电热联合； 很长时间电化学击穿；,如果电压作用时间很短（例如0.1s以下），固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。 不过二者有时很难分清，例如在工频交流1min耐压试验中试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。 电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。,许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低，这一点必须予以重视。 在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中（例如旋转电机），就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料。,周围环境温度小于t0时，击穿电压高，且与温度无关。在温度高于t0时，击穿电压随温度的升高而迅速下降。临界温度t0不是该固体介质固有的物理常数，而是随固体介质的厚度、冷却条件和所加电压等因素而变化。,2、温度,工频电压下电瓷的击穿电压与温度的关系,周围环境温度小于t0时,电击穿与温度无关，这时的击穿场强很高； 在温度高于t0时,环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低；,在均匀电场中，在电击穿的范围内，击穿场强与固体介质厚度几乎无关；在热击穿的范围内，击穿场强随介质厚度的增大而减小。 在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不均匀，击穿电压不再随厚度的增加而线性增加。即使在电击穿的范围内，随着介质厚度的增大，平均击穿场强仍将减小。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。 常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。如果经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。,3、电场均匀程度,直流击穿电压比工频击穿电压（幅值）高。而交流电压下，工频交流击穿电压要高于高频交流击穿电压。在冲击电压下，由于电压作用时间极短，一般发生电击穿，因此击穿电压比工频交流和直流下都高。,4、电压种类,冲击击穿电压工频击穿电压 冲击电压作用时间短，只发生电击穿 直流击穿电压交流击穿电压 交变电场下，易发生极化，产生极化损耗，使介质发热，易使介质击穿,累积效应的机理,幅值不高、长期作用的内部过电压,幅值虽高、但作用时间很短的雷电过电压,一次可能不会击穿介质，但可能在介质内部引起强烈的局部放电，引起局部损伤,多次加电压后，局部损伤会逐步发展,形成累积效应,导致固体介质击穿电压的下降,5、累积效应,固体电介质受潮后其击穿电压的下降程度与材料的吸水性有关。对不易吸潮的电介质，例如聚四氟乙烯，受潮后击穿电压下降一半左右；对易吸潮的电介质，如纸、纤维等，受潮后击穿电压仅为干燥时的几百分之一。所以高压电气设备的绝缘在制造时应注意烘干，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。,6、受潮,均匀和致密的固体电介质在弹性限度内，击穿电压与其机械变形无关；但对某些具有孔隙的不均匀固体电介质，机械应力可能使电介质中的孔隙减少或缩小，从而使击穿电压提高；也可能使某些原来较完整的电介质产生开裂、松散，如该介质放在气体中，则气体将填充到裂缝内，从而使击穿电压下降。,7、机械负荷,提高固体介质击穿电压的主要措施,改进制造工艺尽量消除固体介质中的杂质。 改进绝缘设计尽量使电场均匀； 改善运行条件保持良好的通风散热条件。,返回,对高压电气设备绝缘，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合,5.4 组合绝缘的特性,绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘 电场特性：理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其电气强度成正比。 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。 电场最强的地方用电气强度高、电导率大的材料 工频交流和冲击电压下各层所承担的电压和各层电容成反比，即各层中的电场强度与其相对介电常数成反比。 电场最强的地方用电气强度高、介电常数大的材料,5.4.1 油-屏障绝缘和油纸绝缘的特点,1、油-屏障绝缘,以油为主要绝缘介质的组合绝缘，有很好的冷却作用。 屏障的作用：改善油间隙中的电场分布，阻止杂质小桥的形成。 因固体介质的介电常数大于液体介质的介电常数，所以固体介质的总厚度增大会使油中的电场强度增大。 优点：生产工艺简单，散热效果好。 缺点：有起火和爆炸的危险。,2、油纸绝缘,以固体为主要介质的组合绝缘，液体介质只是用作填充空气隙的浸渍剂。 油纸绝缘的优点主要是优良的电气性能。 耐电强度: 干纸一般在1013 kV/mm; 油一般在1020 kV/mm; 油纸一般在50120 kV/mm。,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,直流电压下，介质中场强分配与体积电阻率成正比。油的体积电阻率比纸小，因此油中场强比纸中低，即此时场强分配是合理的。,交流电压下，介质中场强分配与介电常数成反比。油的介电常数比纸小，因此油中场强比纸中高。由于油的击穿场强比纸的低，因此场强分配是不合理的。,直流长时间击穿场强与交流时的值差别更大，原因是直流下介损小，有局部放电时对绝缘的损伤小。,均匀交流电场双层介质模型,基本的关系式,1E 12E 2 U=E 1d1+ E 2d2,5.4.2 多介质系统中的电场,1、介质界面与等位面重合的情况,在极间绝缘距离d=d1+ d2不变的情况下，增大2 时使E2减小，但却使E1增大。,在电场比较均匀的油间隙中放置多个屏障，会使油中场强明显增大，反而对绝缘不利。,“油-屏障”式绝缘结构主要以变压器油作为电介质，在油隙中放置若干个屏障，改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成，从而提高击穿电压。,“油-屏障”式绝缘结构的电场分析,设1 和 E1 分别为油的介电常数和油中电场强度，2和E2分别为屏障的介电常数和屏障中的电场强度，可知 1 E2,在极间距离d=d1+d2 保持不变的情况下，增大屏障厚度d2 ，将使油中E1 增大。即在油隙中放置多个屏障，反而是不利的。,2、介质界面与电极表面斜交的情况,介质2,介质1,电位移矢量与界面之间的角度非90 在介质2中发生折射,P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加以注意！,5.4.3 利用组合绝缘调整电场的方法,由介电常数不同的多层绝缘构成组合绝缘可以调整电场分布。,方法是采用分阶绝缘。在