第5章 液体和固体介质的电气特性.pdf

1 第第5章 液体和固体介质的电气特性章 液体和固体介质的电气特性 5 1 电介质的极化 电导与损耗电介质的极化 电导与损耗 5 2 液体介质的击穿液体介质的击穿 5 3 固体介质的击穿固体介质的击穿 5 4 组合绝缘的特性组合绝缘的特性 5 5 绝缘的老化绝缘的老化 高电压工程基础高电压工程基础 电介质电气特性电介质电气特性 tg b E 介电常数 电导率 击穿场强 介质损耗角正切 5 1 电介质的极化 电导与损耗电介质的极化 电导与损耗 5 1 1 电介质的极化电介质的极化 1 介电常数 相对介电常数介电常数 相对介电常数 平行平板电容器在真空中的电容量为 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 86 10 14F cm 定义定义为介质的相对介电常数为介质的相对介电常数 0 0 A C d A C d r 00 C C 高电压工程基础 2 极化极化 概念 在外加电场的作用下 固体介质中原来彼此中 和的正 负电荷产生了位移或偶极子的取向现象 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 分类 高电压工程基础 电子式极化 离子式极化 偶极子极化 界面极化 无损极化无损极化 有损极化有损极化 1 电子式极化 电子式极化 存在于一切物质中 极化所需的时间极短 约10 15s 具有弹性 没有损耗 温度影响不大 具有负的温度系 数 2 离子式极化 离子式极化 固体无机化合物 弹性极化 极化过程所需的时间很 短 约10 13s 温度对此极化存在一定影响 r一般具 有正的温度系数 3 偶极子极化 偶极子极化 极性电介质 转向极化 非弹性 极化所需时间较长 约10 10s 10 2s r在低温下先随温度的升高而增加 以后当热运动变得强烈时 r又随温度上升而减小 高电压工程基础 视频链接 视频链接 视频链接 高电压工程基础 2 0 2 5 2 25 2 35 石蜡 聚乙烯 中性或 弱极性 固体介质 3 2 4聚氯乙烯极性 r 工频20 名称材料类别 5 7 5 5 6 5 云母 电瓷 离子性 22 33 81 丙酮 酒精 水 强极性 4 5蓖麻油极性 2 2 2 5 2 2 2 8 变压器油 硅有机液体 弱极性 液体介质 1 00059空气 大气压 气体介质 西安理工大学 2 3 讨论电介质极化的意义 讨论电介质极化的意义 1 选择电容器的绝缘材料 希望 r大些 减小单位 容量的质量和体积 2 一般高压设备都是组合绝缘 要考虑 r 的配合 3 材料的介质损耗和极化有关 高电压工程基础 5 1 2 电介质的电导电介质的电导 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 矿物油硅油 0 41eV k 波尔兹曼常数 高电压工程基础 e kT A 1 体积电阻体积电阻 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 高电压工程基础 vv S R d vv vv 11 dd G R SS 2 表面电阻表面电阻 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 ss l R d ss ss 11 dd G R ll 表面电阻的测量电路 高电压工程基础 3 讨论电介质电导的意义 讨论电介质电导的意义 1 在绝缘预防性试验中 一般都要测绝缘电阻和泄漏 电流 以判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象 2 串联的多层介质在直流电压下的稳态电压分布和各 层的电导成反比 所以设计用于直流的设备时 要 注意所用介质的电导率 尽量使材料得到合理使用 3 设计绝缘结构时要考虑到环境条件 特别是湿度的 影响 有时需要作表面防潮处理 如胶布 或纸 筒外表面刷环氧漆 绝缘子表面涂硅有机物或地蜡 等 高电压工程基础 5 1 3 电介质的能量损耗电介质的能量损耗 高电压工程基础 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 2 tantanPQUC 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 西安理工大学 3 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 高电压工程基础 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 有损极化 1 气体介质的损耗 气体介质的损耗 高电压工程基础 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 tan f1 高电压工程基础 3 固体介质的损耗 固体介质的损耗 分子式结构介质 分子式结构介质 中性 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 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 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 强极性电介质 在高压设备中极少使用 讨论电介质损耗的意义 讨论电介质损耗的意义 1 绝缘结构设计时 必须注意到绝缘材料的tan 过 大会引起严重发热 使材料容易劣化 甚至可能导 致热击穿 2 在绝缘预防性试验中 tan 是一基本测试项目 当绝缘受潮或劣化时 急剧上升 3 介质损耗引起的发热有时也可以利用 例如电瓷泥 坯的阴干需要时间较长 如在泥坯两端加上适当的 交流电压 则可以利用介质损耗发热加速干燥过程 高电压工程基础高电压工程基础 5 2 液体介质的击穿液体介质的击穿 纯净的液体介质 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 工程用的液体介质 工程用的液体介质 击穿场强很少超过300kV cm 一般 在200kV cm 250kV cm的范围内 以上击穿场强值均指在 标准试油杯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 小桥理论小桥理论 西安理工大学 4 高电压工程基础 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 杂质的影响 水分 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 高电压工程基础 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1 10 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 5 2 1 影响液体介质击穿的因素影响液体介质击穿的因素 2 温度的影响 温度的影响 高电压工程基础 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 0 80 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 高电压工程基础 3 油体积的影响 油体积的影响 变压器油中水分含量为31 10 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 高电压工程基础 均匀电场中油 T 90 的冲击击穿场强 与油体积的关系 规律 规律 油的击穿强度随油体积的 增加而明显下降 原因 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不能将实验室中对小体积 油的测试结果 直接用于油的测试结果 直接用于 高高压压电气电气设备设备绝缘的绝缘的设计设计 高电压工程基础 4 电 电压形压形式的影响式的影响 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 4 l 5 均匀场中可达2或更高 1 2 50 s波 1 2 50 s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 西安理工大学 5 高电压工程基础 5 2 2 减减小杂质影响的小杂质影响的措施措施 1 过滤过滤 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 祛祛气气 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 用固体介质减减小油中杂质的影响小油中杂质的影响 常用措施为覆盖 层 绝缘层和屏障 高电压工程基础 5 3 固体介质的击穿固体介质的击穿 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 高电压工程基础 5 3 1 电击穿电击穿 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 这种现象为累累积积效应 效应 有累积效应 基本无累积效应 高电压工程基础 5 3 2 热热击穿击穿 概念概念 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 特特点点 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 高电压工程基础 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 Tb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 高电压工程基础 5 3 3 电化电化学学击穿击穿 固体介质在长期长期工工作作电电压压的作用下 由于介质内部发 生局部放局部放电电等原因 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电化学学击穿击穿 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 局放使介质损伤的原因有 1 局部放电产生的活活性气体性气体如O3 NO NO2等对介质 将产生氧氧化和化和腐蚀作腐蚀作用用 2 放电过程有带带电电粒粒子子撞撞击介质击介质 引起局部局部温温升升 加加 速速介质介质氧氧化化并使局部局部电导和介质损耗电导和介质损耗增加增加 3 带电粒子的撞击还可能切断切断分子结构分子结构 导致介质破 坏 西安理工大学 6 高电压工程基础 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 Cm Cg Cb 局部放电的等效电路 高电压工程基础 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 b g gb C uu CC 气隙的 放电电压 气隙的放电 熄灭电压 高电压工程基础 真实放电量 mb rggrgbgr mb C C qCUUCCUU CC 视在放电量 bg m bg C C qU C CC 不可测量 b r gb C qq CC 真实放电量与视在放电量关系 单次局部放电的能量 i 1 2 WqU Ui为气泡放电时试品上的电压 高电压工程基础 5 4 组合绝缘的特性组合绝缘的特性 5 4 1 油油 屏障 屏障绝缘与油绝缘与油纸纸绝缘的特绝缘的特点点 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 交流电压下场强与 成反比 油中 场强比纸中场强高 直流电压下 场强分配与体积电阻率 成正比 油中场强比纸中低 高电压工程基础 5 4 2 多多介质介质系统系统中的电中的电场场 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 1 12 1 12 U E dd 2 2 12 12 U E dd 2 介质界面与电极表面斜交的情况 高电压工程基础 介质2 介质1 在介质2中发生折射 t1 1n1n21 t2 2n12 n2 tan tan E EE E E E 西安理工大学 7 高电压工程基础 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 高电压工程基础 5