高电压技术第二章.ppt

第二章液体和固体电介质的绝缘特性 固体和液体也是电气设备常用的绝缘材料 这是因为固体 液体电介质的绝缘强度要比气体大许多 然而 固体 液体电介质的击穿各有特点 与气体击穿有很大的不同 本章主要讨论固体 液体电介质的击穿物理过程 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 表征参数 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 电介质的极化是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 介电常数来表示极化强弱 2 1电介质的极化 电介质的极化 电介质在电场作用下 电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移 Qo CoU r 相对介电系数 表征电介质在电场作用下的极化程度 用于电容器的绝缘材料 显然希望选用 r大的电介质 因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻 其他电气设备中往往希望选用 r较小的电介质 这是因为较大的 r往往和较大的电导率相联系 因而介质损耗也较大 采用 r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流 提高套管的沿面放电电压等 在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用 这时应注意各种材料的 r值之间的配合 因为在工频交流电压和冲击电压下 串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的 r成反比 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 一 极化的基本形式 1 电子式极化 其特点 极化所需时间极短 b 极化时没有能量损耗 c 温度对极化影响极小d 外电场消失 整体恢复中性 2 离子式极化 其特点 极化过程极短 与频率无关 b 极化过程无能量损耗 c 温度对极化有影响 极化随温度升高而增强 r具有正温度系数 某些固体物质 云母 玻璃 结构属于离子结构其分子由正 负离子构成 在无外电场环境中 正负离子的作用中心是重合的 而在外电场作用下 正负离子作有限的位移 使作用中心不再重合 故显示出每个分子的正负极性 3 偶极子式极化 其特点 极化所需时间较长 因而与频率有关 b 极化过程有能量损耗 要克服分子间的吸引力等 c 温度对极化影响很大 温度很高和很低时 极化均减弱 胶木 橡胶等一些物质 在无外电场作用下 分子本身正负离子作用中心不重合 被称为极性电介质 每一个分子成为一个偶极子 偶极子不停地进行无规则的热运动 排列混乱 但物质本身不表现出极性 当有外电场作用 偶极子顺电场方向转向 作有规则的排列 形成了物质的极化 偶极子极化与温度t的关系 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 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 4 空间电荷极化 夹层式极化 在大多数绝缘结构中 电介质常常呈层式结构或多层介质结构 如电缆 变压器等 在电场作用下 带电质点在电介质中移动时 会在两层介质的界面上堆积 造成电荷在介质空间中新的分布 这种现象被称为空间电荷极化 而空间电荷极化主要表现在夹层式极化特性上 当 时 当 时 分别为两种电介质的电导 设 当开关导通瞬间 等效电路如 a 图 得 当开关导通较长时间 等效电路如 b 图 由此可见 电介质夹层的存在会造成夹层界面上的电荷堆积和等值电容的增大 这就是夹层极化效应 由于夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的 一般情况下 高压绝缘介质的电导很小 所以 这个极化过程是缓慢的 它的完成时间从几十分之一秒到几分钟 甚至更长 因此 这种性质的极化只有在低频时才有意义 夹层极化效应是缓慢的 同样 其反过程也必然是缓慢的 为此 具有夹层绝缘的设备断电后 要采用专门措施加快放电过程 普遍采用的方法是短路放电方式 在电力系统中的大电容不加电压时通常都处于小电阻负载情况下就是因为这种原因 其特点 在两层电介质的界面上发生电荷的移动和积累 极化过程缓慢 并有损耗 2 2电介质的电导 电介质的导电与金属的电导有本质的区别 气体介质的电导是由电离出来的自由电子 正 负离子在电场中移动而产生的 液体和固体的电导是由于介质的基本物质 及其杂质 分子发生化学分解或热离解形成的带电质点 电子 正 负离子 沿电场方向移动而造成的 因此 属于离子式电导 即电解式电导 1 定义 介质在电场作用下 使其内部联系较弱的带电粒子作有规律的运动形成电流 即泄漏电流 这种物理现象称为电导 表征电导过程强弱程度的物理量为电导率 或它的倒数电阻率 o 2 电子电导 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 3 离子电导 本征离子电导 极性电介质有较大的本征离子电导 电阻率1010 1014杂质离子电导 在中性和弱极性电介质中 主要是杂质离子电导 电阻率1017 1019 固体 液体介质的电导率与温度T的关系 式中 A B为与介质有关的常数 其中固体介质的常数B通常比液体介质的B值大的多 T为绝对温度 单位为K 该式表明 随温度T按指数规律上升 4 电介质在直流电压作用下的吸收现象固体电介质施加一定的直流电压 通过电流表可以得到流过的电流 此电流逐渐衰减为零 该现象被称为吸收现象 电流被称为吸收电流 吸收电流由三部分组成 1 电容电流ic 在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极化过程所引起的电流 无损耗 存在时间极短 2 吸收电流ia 有损极化所对应的电流 即夹层极化和偶极子极化时的电流 它随时间而衰减 3 泄漏电流 绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电流 它不随时间而变化 流过介质的电流i由三个分量组成 固体电介质在直流电压作用下 观察到电路中的电流从大到小随时间衰减 最终稳定于某一数值 称为 吸收现象 介质干燥和嘲湿 吸收现象不一样 据此可判断绝缘性能的好坏 2 3电介质的损耗 一 电介质的损耗的基本概念 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 当损耗过大时 会造成介质内温度增高而导致介质的老花 最终绝缘特性完全消失 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 交流时 流过电介质的电流 2 4液体介质的击穿 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 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 纯净液体介质的击穿理论 一 电子碰撞电离理论 电击穿理论 在外电场足够强时 电子在碰撞液体分子可引起电离 使电子数倍增 形成电子崩 同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场 使阴极发射的电子数增多 导致液体介质击穿 纯净液体介质的击穿理论与气体放电汤逊理论中的 作用有些相似 但液体密度比气体密度大得多 电子的平均自由行程很小 必须大大提高场强才开始碰撞电离 二 气泡击穿理论 小桥理论 在工程中使用的液体电介质不可能是纯净的 或多或少都含有一定的杂质 主要是水分 气体和纤维 液体中出现气泡 在交流电压下 串联介质中电场强度的分布与介质的 r成反比 由于气泡的 r最小 其电气强度又比液体介质低很多 所以气泡必先发生电离 气泡电离后温度上升 体积膨胀 密度减小 这促使电离进一步发展 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 许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥 击穿就可能在此通道中发生 二 工程用变压器油的击穿过程及其特点 可用气泡击穿理论来解释击穿过程 它依赖于气泡的形成 发热膨胀 气泡通道扩大并积聚成小桥 有热的过程 属于热击穿的范畴 由于水和纤维的 r很大 易沿电场方向极化定向 并排列成杂质小桥 发生两种情况 1 杂质小桥尚未接通电极时 则纤维等杂质与油串联 由于纤维的 r大以及含水分纤维的电导大 使其端部油中电场强度显著增高并引起电离 于是油分解出气体 气泡扩大 电离增强 这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿 2 如果杂质小桥尚未接通电极 因小桥的电导大而导致泄漏电流增大 发热会促使汽化 气泡扩大 发展下去会出现气体小桥 使油隙发生击穿 判断变压器油的质量 主要依靠测量其电气强度 和含水量 其中最重要的实验项目就是测量油的工频击穿电压 三 变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法 一 水分和其他杂质 水在变压器油中有两种状态 溶解状态 高度分散 且分布非常均匀 悬浮状态 呈水珠状一滴一滴悬浮在油中 图3 16表示在常温下油的含水量对均匀电场油间隙工频击穿电压的影响 当油中含水量达十万分之几时 对击穿电压就有明显影响 当油中还含有其他杂质时 击穿电压的下降程度随杂质的种类和数量而异 二 油温 击穿电压与温度的关系比较复杂 随电场的均匀度 油的品质以及电压类型的不同而异 三 电场均匀度 优质油 保持油不变 而改善电场均匀度 能使工频击穿电压显著增大 也能大大提高其冲击击穿电压 品质差的油 改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差 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 四 电压作用时间 油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降 加电压时间还会影响油的击穿性质 从图3 20的两条曲线可以看出 在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很高 击穿有时延特性 属电击穿 电压作用时间更长时 杂质开始聚集 油隙的击穿开始出现热过程 于是击穿电压再度下降 为热击穿 五 油压的影响 不论电场均匀度如何 工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加 这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故 经过脱气处理的油 其工频击穿电压几乎与油压无关 从以上讨论中可以看出 油中杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响 所以对于工程用油来说 应设法减少杂质的影响 提高油的品质 通常可以采用过滤 防潮 祛气等方法来提高油的品质 在绝缘设计中则可利用 油 屏障 式绝缘 例如覆盖层 绝缘层和隔板等 来减少杂质的影响 这些措施都能显著提高油隙的击穿电压 2 5固体介质的击穿 固体介质的击穿理论 电击穿理论 热击穿理论 电化学击穿 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 介质本身的特性 绝缘结构形式 电场均匀性 实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的 常取决于以下多种因素 在电场作用下 固体介质可能因以下过程而被击穿 电过程 电击穿 热过程 热击穿 电化学过程 电化学击穿 外加电压波形 外加电压时间 工作环境 周围媒质的温度及散热条件 常用的有机绝缘材料 如纤维材料 纸 布和纤维板 以及聚乙烯塑料等 其短时电气强度很高 但在工作电压的长期作用下 会产生电离 老化等过程 从而使其电气强度大幅度下降 所以 对这类绝缘材料或绝缘结构 不仅要注意其短时耐电特性 而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能 一 固体介质的击穿理论 一 电击穿理论 1 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 2 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 击穿场强可达105 106kV m 3 电击穿的主要特征 与周围环境温度有关 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 二 热击穿理论 固体介质会因介质损耗而发热 如果周围环境温度高 散热条件不好 无法达到热均衡 介质温度不断升高 使介质电导增大 进一步升高温度 从而介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏 如介质分解 熔化 碳化或烧焦 从而引起热击穿 三 电化学击穿 固体介质在长期工作电压作用下 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 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 产生活性气体对介质氧化 腐蚀 2 温升使局部介质损耗增加 3 切断分子结构 导致介质破坏 电化学击穿电压的大小与施加电压时间的关系非常密切 但也因介质种类的不同而异 图3 23是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况 可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好 二 影响固体介质击穿电压的主要因素 一 电压作用时间 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 击穿电压当然也较高 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耐压试验中的试品被击穿 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 在图3 24中 以常用的油浸电工纸板为例 以lmin工频击穿电压 峰值 作为基准值 纵坐标以标么值来表示 电击穿与热击穿的分界点时间约在105 106us之间 作用时间大于此值后 热过程和电化学作用使得击穿电压明显下降 二 电场均匀程度与介质厚度 处于均匀电场中的固体介质 其击穿电压往往较高 且随介质厚度的增加近似地成线性增大 若在不均匀电场中 介质厚度增加使电场更不均匀 于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升 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 三 温度 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿 这时的击穿场强很高 且与温度几乎无关 超过某个温度后将发生热击穿