《固体电介质特性》PPT课件.ppt

高电压技术,高电压工程系 何正浩 1.9 沿面放电,含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现 象称为沿面放电。 研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面 放电电压决定。 研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压 表面潮湿、污秽时的沿面放电电压,2,1.9 沿面放电,沿面放电的几种典型电场分布形式,3,均匀电场,强垂直分量,弱垂直分量,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。,4,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,机理分析： 1） 固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放 ，形成的带电粒子沿介质表面移动。 在连接处涂导电粉末或者导电胶 2） 潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动， 造成沿面电压分布不均，畸变电场。 憎水性材料 3） 在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气 间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电 场，降低了闪络电压。 4） 固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分 布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。,5,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,6,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,沿套管表面的放电,7,电晕放电,细丝状的辉光放电,滑闪放电,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。 第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。 第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。 第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。,8,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,滑闪放电在交流和冲击下表现明显。 随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。 玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。,9,1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电,没有热电离和明显的滑闪放电； 介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大； 实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。,10,1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电,11,三种情况比较：,均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多； 具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。,12,提高沿面放电电压的方法,以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为（略去了介质的体积电阻）:,13,提高沿面放电电压的方法,链性等值回路的方程：,14,边界条件：,提高沿面放电电压的方法,定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。 措施： 1 减小比电容C0 可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数 2 减小电场较强处的表面电阻。 可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管,15,1.9.4 固体介质表面有水膜时的 沿面放电,湿闪电压 闪络途径： 1 ABBCA：闪络电压下降到40%-50% 2 ABBA：下降不多 3 AB水流：湿闪电压降到很低值。,16,1.9.5 绝缘子污染状态下 的沿面放电,污闪电压 发展过程： 积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极 防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能,17,液体、固体电介质的绝缘特性,特 点 电气强度高 液体兼做灭弧；固体兼做支撑 电气强度不受外界影响 不可自恢复 会逐渐老化,18,2.1 电介质的极化、电导与损耗,极化的概念,19,固体介质表面出现束缚电荷,相对介电常数,反映极化、储能特性,极化的基本形式,电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层（界面）极化 空间电荷极化,20,1. 电子式极化,极化机理：电子偏离轨道 介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，10-1410-15s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性 消耗能量：无,21,2. 离子式极化,极化机理：正负离子位移 介质类型：离子性介质 建立极化时间：极短，10-1210-13 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力） 极化弹性：弹性 消耗能量：无,22,3. 偶极子极化,极化机理：偶极子定向排列 介质类型：具有永久性偶极子的极性介质 建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关，频率升高，极化减弱） 温度（低温段增加，高温段降低（热运动） 极化弹性：非弹性 消耗能量：有,23,4. 夹层式（界面）极化,当t=0: 当t=:,24,4. 夹层式（界面）极化,一般情况下： 电荷从t=0到t=时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。 极化的时间常数： 高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。 同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。,25,4. 夹层式（界面）极化,极化机理：带电质点移动 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长，从数s到数h 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 极化弹性：非弹性 消耗能量：有,26,常用电介质的介电常数,27,讨论极化的意义：,选择电容器的介质时，希望 大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。 组合绝缘的配合。 极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。 在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。,28,电介质极化应用实例,平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。,29,解： (1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm (2)插入后：Vs/Va= a / s，得 Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) Es=16.7 kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV) Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿,30,2.1.2 电介质的电导,来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要） 与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升。,31,电介质的绝缘电阻,定义： 电介质中的绝缘电阻一般为M 特点： 1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。,32,讨论电导的意义：,1） 在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏电流判断绝缘是否受潮或者劣化。 2） 直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其电压分布与电导成反比，设计时需考虑。 3） 设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影响。 4） 对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。 5） 有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压套管附近涂上半导体釉等。,33,电介质的吸收现象,电介质中的电流与时间的关系,34,i=ic+ia+ig ic: 电容电流 ia：吸收电流，由各种 极化过程产生 ig：电导电流，或泄漏 电流,2.1.3 电介质的损耗,35,损耗,极化损耗（DC下无）,电导损耗（DC、AC都有）,介质损耗正切角（tg ),：泄漏电流，由电导引起 ：吸收电流，也叫极化电流，由极化引起 ：电容电流。,36,介质损耗正切角（tg ）,37,介损：,损耗功率：,介质损耗正切角（tg ),38,影响tg 的主要因素之一：温度,tg和温度的关系,39,tt2:极化减弱，电导上升，电导占主导 当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度才能达到最大值。,影响tg 的主要因素之二：频率,当频率不太高时，随增加，偶极子转向加快，损耗增加； 当频率大过某一值后，偶极子来不及转向，损耗减小。,40,tg和频率的关系,影响tg 的主要因素之三：外加电压,外加电压低， 总损耗电导损耗极化损耗 外加电压超过U0时，介质内部开始出现局部放电，消耗电离能 总损耗电导损耗极化损耗电离损耗,41,tg和外加电压的关系,2.2 液体电介质的击穿,（一） 电击穿理论主要用于纯净液体的击穿解释 机理：对于纯净的液体，由阴极通过热发射或者强场发射出来的电子，碰撞液体分子，产生碰撞电离，并形成电子崩，电流大到一定值后，液体击穿。 液体的分子密度很高，因此电子的 很小，击穿电压就很高。 类似于汤逊放电理论,42,（二）气泡击穿理论（小桥理论）,主要用于不纯净的液体 机理： 1）液体中的气泡先发生放电，产生的带电粒子撞击液体分子，使之分解，又产生气泡。气泡逐渐增加，形成贯通两级的“小桥”通道。 2）液体中的杂质（水、纤维）极化，并沿电场方向排列，逐渐形成小桥。杂质的电导大，使泄漏电流增大，温度升高，水分气化，形成气泡，贯通两级后，击穿。,43,影响液体电介质击穿的主要因素,自身品质 温度 电压作用时间 电场均匀度 压力,44,影响因素自身品质,总的来说，杂质多，击穿电压减低。 与水分的关系： 与纤维的关系：,45,击穿电压与含水量的关系,均匀电场：纤维越多， 击穿电压越低 不均匀电场：高场强处 发生的局放扰动液体 ，