高电压第5章+液体和固体介质的电气特性.ppt

第5章 液体和固体介质的电气特性 l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 l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 电导率 (绝缘电阻率 ) 介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度 l描述电介质（绝缘材料属于电介质）电气特性的四大表征参数： 所有气体介质的相对介电常数均近似等于1，其电导和 介质损耗在未发生放电时均可忽略不计。所以对气体绝 缘介质只关心其击穿强度。 固体和液体电介质则不同，它们的、和 tan的特 性也是决定其能否被用作绝缘材料的重要因素。 例如选择电容器的绝缘介质时，除要求Eb高以外还希望大，以提高电容器 的储能密度。但对电缆则正好相反，希望绝缘介质的小以减小电缆的充电电 流。 再如直流电容器和脉冲电容器可选用tan大的极性介质；而交流电容器则不 可，因为tan太大会引起热击穿。 第5章 液体和固体介质的电气特性 5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化 5.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗 电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗 l放置固体介质时,电容量将增大为: l相对介电常数 ： 0-真空的介电常数 -介质的介电常数 r-介质的相对介电常数 A -极板面积，cm2 d -极间距离，cm l对于平行平板电容器，极间为真空时： 5.1.1、电介质的极化 l电介质的极化是即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。介电常数来表示极化强弱。 1. 各种气体的r均接近于l，而常用的液体、固体介质 的r大多在26之间。 2. 各种介质的r与温度、电源频率的关系也各不相同， 这与极化的形式有关。 l最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶 极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化 等。现简要介绍如下： 电子式极化 离子式极化 偶极子极化 界面极化 无损极化 有损极化 (一)电子式极化 l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，这种极化称为电子式极 化或电子位移极化。 l其极化强度与正、负电荷作 用中心间的距离d成正比，且随 外电场的增强而增大 l 电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点： 完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。 l所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。 电子式极化的特点: (二) 离子式极化 l固体无机化合物大多属离子式 结构，如云母、陶瓷材料等。 无外电场作用时，每个分子的 正、负离子的作用中心是重合 的，故不呈现极性。在外电场 作用下，正、负离子发生偏移 ，使整个分子呈现极性 。 离子式极化的特点： 1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状； 2、所需时间很短，其 几乎与外电场频率无关。 l温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从 而使极化程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程 度减弱。通常前一种影响较大，故其 一般具有 正的温度系数。 (三)偶极子极化 l极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永 不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。例如蓖麻 油、橡胶、酚醛树脂和纤维素等都是常用的极性绝缘材料 . 当没有外电场时，单个的偶 极子虽然具有极性，但各个 偶极子均处在不停的热运动 之中，整个介质对外并不呈 现极性。 出现外电场后，原先排列 杂乱的偶极子将沿电场方 向转动，作较有规则的排 列，如图所示，因而显示 出极性。这种极化称为偶 极子极化或转向极化。 l偶极子极化是非弹性的， 极化过程需要消耗一定的能 量，极化所需的时间也较长 ，1010102s，所以极性 电介质的 值与电源频 率有较大关系，频率很高时 偶极子来不及转动，因而其 r减小 偶极子极化与频率f 的关系： 偶极子极化与温度t的关系： l温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电 场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。 l 对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系 紧密，偶极子转动比较困难，所以 很小。液体、固 体介质的 在低温下先随温度的升高而增大，以后当 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，使极化减弱， 又开始随着温度的上升而 减小。 如图为极性液体、固体介质的 与温度的 关系。 (四)夹层极化 l 凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成 的绝缘结构，在加上外电场后，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 称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。 t=0时合上开关，电压分配与电容成正比： t= ,电压分配将与电导成反比： 一般 即C1、C2上的电荷需要 重新分配，设C1G2，则 由上面两式： t=0时， U1U2 t 时， U110，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使 电容器的比电容增大，但通常损耗都较大 l液体电介质的介电常数： 非极性和弱极性固体电介质： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都 属此类 电介质只有电子式极化和离子式极化， r不大，通常在2.02.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近 极性固体电介质： 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，还可能更大。 r和T及f的关系和极性液体的相似 离子性电介质： 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右 l固体电介质的介电常数 ： 讨论极化的意义： l选择绝缘 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外 ，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 多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其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 研究介质损耗的理论依据 极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失 的影响 电气预防性试验：项目的理论根据 研发新型材料 5.1.2、电介质的电导 l电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其 倒数为电阻率，来表征介质的绝缘电阻 。按载流 子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电 子电导两种。 =1 1、电子电导：以电子为载流体，一般很微弱，因为 介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介 质已被击穿。 2、离子电导： 工程上所用的电介质或多或少地含有一些带电质 点（主要是杂质离子），另外有些电介质在电场 或外界因素影响下（如紫外线辐射），本身会离 解成正负离子。在电场作用下，沿电场方向移动 ，形成了电导电流，这就是离子电导。 3、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分 和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。 所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电 导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测 量电极上采取一定的措施。 固体、液体介质的电导率 与温度T 的关系： 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。 l在测绝缘电阻时，必须注意温度，最好在同一温 度下进行测量，以便比较。 1. 固体电介质除了通过电介质内部的电导电 流Iv外，还有沿介质表面流过的电导电流Is。 2. 由电介质内部电导电流Iv所决定的电阻称为 体积电阻Rv，其电阻率为v。 3. 由表面电导电流Is决定的电阻称为表面电阻 Rs，电阻率为s。 4. 气体和液体电介质只有体积电阻。 l体积电阻率，是在单位长度的正 方体的电介质中，所测得其两相对 面上的电阻。体积电阻测量如图5- 1所示 cm 电介质的厚度为d，电极表面积为S，3 为屏蔽电极，利用它可除去表面电流Is ，以准确测得电介质内部的电流Iv -1cm-1 式中 Gv体积电导 l体积电阻率，是指在单位长度的 正方形表面积上，相对两边之间测 得的电阻。表面电阻的测量见图5-2 l设电介质表面两电极间距离为d, 电极长度为l, 测得的表面电阻为 Rs（），则表面电阻率为 式中 Gv表面电导 S l绝缘预防性试验的理论依据: 预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判 断设备的绝缘状况 直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比 ，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压 注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水 性材料的表面防水处理 讨论电导的意义： 三、电介质的损耗 (一)电介质的损耗的基本概念 l介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量 损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如 偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。 l直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外 加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损 耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导 率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。 式中： 电源角频率； 功率因数角； 介质损耗角。 l交流时：流过电介质的电流 l此时介质的功率损耗： （3-73-7） 1.用介质损耗P表示介质品质好坏是不方便的，因为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。 2.介质损耗角为功率因数角的余角，其正切tg又可 称为介质损耗因数，常用百分数（）来表示 3.tan同r一样，是仅取决于材料的特性而与材料尺寸 无关的物理量。 l 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。 l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 (二)气体、液体和固体介质的损耗 1.气体介质损耗 n当电场强度小于使气体分子电 离所需的值时，气体介质中的 损耗极小（tg Q2，介质一定击穿； 曲线2，与散热曲线4交于k点， 它是不稳定的平衡点，tTb时，介 质温度不断上升，直至击穿。 曲线3和曲线4有a、b两个交点 ，a为稳定的热平衡点，b为不稳定 的热平衡点， ttb 时，介质发生 击穿。 热击穿的特点： 由于热击穿是一个热不平衡的过程，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 ； 直流电压下，正常未受潮的绝缘很少有可能发生热击穿。这 是因为直流电压下介质中没有极化损耗而只有很小的电导电流 ，所以介质发热远比交流电压下要小 ； 有时要采取专门的冷却措施，以充分利用介质的电气绝缘强 度。例如用于中频感应加热设备的电容器，一般需要在夹层中 通冷却水加以冷却。 l 电化学击穿：固体介质在长期工作电压作用下（几个月甚至几 年），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。 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。固体绝缘内部有气泡，气泡中发生放电 局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡） 引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化 、损伤、电气强度下降的主要原因为： 1)产生活性气体（O3，NO，NO2 ）对介质氧化、腐蚀； 2)局部温升使局部介质损耗增加； 3)带电粒子对介质表面的撞击，切断分子结构，导致介质破坏 。 5.3.3 电化学击穿 绝缘内部气隙局部放电的等值电路如图-18所示。 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： Cg为空气隙的电容 Cb是与空气隙串联的介质电容 Cm为除Cb与Cg以外的绝缘完好 部分的电容 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 2. 气隙中放电熄灭后，Cg又开始 充电，直到Cg上电压再次达到Ug 发生第二次放电 3.外施电压过峰值后，Cg上电压 也随外施电压的瞬时值变化并改 变极性，直至达到-Ug时再发生放 电 4.气隙每次放电时，试品两端的 电压会有一很微小的电压突降， 因此电源通过电源阻抗Zs向试品 充电 1.当ug随u增加达到气隙的放电电压Ug时，气隙内发生放电，使气 隙上电压急剧下降，Cg上电压降至Ur时气隙中放电熄灭 5. 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 判断试品中有无局部放电和放电的强弱。 气隙的 放电电压 气隙的放电 熄灭电压 图5-19中间隙g两端的电压变化为 （UgUr），而对间隙g放电的电 容量为： 据此可算得放电的电荷量qr为： qr称为真实放电量，但因Cg，Cb ，Ug，Ur无法测得，因此，qr也 无法通过测量求得 视在放电量q ： 由于U和试品电容是可以测量的，因此视在放电量是可以测得的。 指一次局部放电所消耗的能量。 （520） p放电重复率（ ） 在选定的时间间隔内测得的每秒发生放电脉冲的平 均次数 p放电能量（ ） 其中 为视在放电量， 为局部放电起始电压。 表征局部放电的参数 p其他参数 平均放电电流 放电的均方率 放电功率 局部放电起始电压 局部放电熄灭电压 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， 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 直流电压作用下局部放电的危害性较交流时小 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。 l提高绝缘局部放电电压的措施 ： 1.一是尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸。钢管油压电缆中用高油压来 消除电缆绝缘层中可能出现的气隙，就是一个应用实例。 2.第二类措施是设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质或高电气强度的 压缩气体充填空穴。用于电容器、电缆、互感器及电容套管中的油纸绝缘 ，就是一个例子。 局部放电的特点: l对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，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： 例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成，而 其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体 和液体介质联合组成。 5.4 组合绝缘的特性 l绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘 。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，亦即各层中的电场强度与 其电导率成反比。 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，亦即各层中的电场 强度与其介电常数成反比。 l 油屏障绝缘： 油浸电力变压器主绝缘采用的是油-屏障绝缘结构， 在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质， 在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场 分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气 强度提高3050。 常用多个屏障将油间隙分隔成多个较短的油隙，但细而长的 油间隙中油的对流较困难，因而对散热不利 屏障的总厚度不宜取得过大。因为固体介质的介电常数比油 高，所以固体介质的总厚度增加会引起液体介质中场强的提 高 5.4.1 油-屏障绝缘和油纸绝缘的特点 l 油纸绝缘： l 液体介质只是用作充填空气隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘 的击穿强度很高，但散热比较困难。 油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多。直流电压下短时击穿 场强约为交流的二倍以上，其长时间击穿场强则为交流时的三倍以上。 因为直流电压作用下油与纸中的场强分配比交流时合理。交流电压下油与纸中场 强与它们的介电常数成反比。因为油的介电常数比纸小，所以油中场强比纸中高 。由于油的击穿场强比纸的低，因此场强分配是不合理的。直流电压下，两种介 质中场强分配与它们的体积电阻率成正比。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。 为用于直流而设计的油纸绝缘（如电缆或电容器）不一定能 用于交流，即使能用也要大幅度降低工作电压；但为工频电 压设计的油纸绝缘则一定能用于直流，且可大幅度提高其工 作电压。 由此可得： 1E 1 2E 2 U=E 1d1+ E 2d2 最基本的关系式为： l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。因此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。 5.4. 多介质系统中的电场 l超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层 较厚，一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最大电 场强度。 所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成 的组合绝缘。 分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数 越大的材料，以达到电场均匀化的目的。如： 5.4.3 电场调整的方法 图中12n，且满足 1r1=2r2=nrn=常数的条件 内层绝缘采用高密度的薄纸(纸 的纤维含量高，质地致密)，其介 电常数较大，击穿场强也较大; 外层绝缘则采用密度较低、厚度 较大的纸，其介电常数较小、击 穿场强也较小。 l单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。如果施 加交流电压U，则其绝缘层中距电缆轴心r处的电场E 可由下式求得： 式中 r0、R分别为电缆芯线的半 径和外电极(金属护套)的半径。 l绝缘层中最大电场强度Emax位于芯线的表面上 l而最小电场强度Emin位于绝缘层的外表面(rR)处。此 时的平均电场强度Eav应为: l绝缘的老化：固体和液体介质在长期运行过程中会 发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性 能的劣化。 l老化的原因：主要有热的作用、电的作用、机械力 的作用、以及水分、氧化和射线及微生物的作用等 5.5