第二章_液体、固体电介质的电气性能.ppt

第二章液体和固体介质的电气性能 电介质按物态分 气态 液态 固态 按分子结构分 非极性电介质 偶极性电介质 离子性电介质 电介质在电场作用下的电气特性 弱电场 极化 电导 损耗 强电场 击穿 第一节电介质的极化 电导和损耗 一 电介质的极化及相对介电常数 电介质在电场中发生的束缚电荷的弹性位移和偶极子的转向现象 2 电介质的相对介电常数 设平板电极处于真空中 其电容量为C0 则 1 极化的定义 其中Q0 极板上的电荷量 0 真空的介电常数 当平板电极间用介质取代真空时 其电容量为C 则 介质的介电常数 同一电极下充满介质电容器的电容量和真空电容器的电容量之比 即为相对介电常数 反映极化现象强弱的指标 与温度和频率有关 3 极化的基本形式 1 无损极化 根据极化过程中是否伴随能量损耗 极化可分为 无损极化 有损极化 1 电子位移极化 由电子轨迹偏移引起 存在于一切电介质中 特点 a 瞬时建立b 完全弹性的 不消耗电场能量 2 离子位移极化 由束缚的正负离子间的相对位移引起 存在于离子性电介质中 特点 a 瞬时建立 b 弹性极化 c 随温度升高 极化稍有增加 2 有损极化 1 转向极化 由极性分子的转向 排列引起 存在于极性电介质中 特点 a 存在于极性电介质中 b 极化建立需要一定时间 c 非弹性的 有能量损耗 d 温度对其有影响 不是单值关系 有最大值 2 夹层极化 由分层介质之间的电荷重新分配引起 存在于复合介质或不均匀介质中 两种不同介质串联 突然加上直流电压 两层介质的电容和电导分别用C1 G1和C2 G2表示 合闸瞬间 绝缘层上的电压将与介质的电容成反比分配 即 稳态时 绝缘层上的电压将与介质的电导成反比分配 即 特点 a 极化过程缓慢 b 有能量损耗 4 极化在工程实际中的应用 1 选择绝缘 2 多层介质的合理配合 3 介质损耗与极化类型有关 而介质损耗是绝缘老化和热击穿的一个重要影响因素 4 夹层极化现象在绝缘预防性试验中 可用来判断绝缘状况 二 电介质的电导 1 电导的定义 电场作用下 电介质中的带电质点作有向移动而形成电流的现象 2 电介质电导与金属电导的本质区别 1 电介质电导是离子性的 而金属电导是电子性的 2 电介质电导很小 金属电导很大 3 电介质电导具有正的温度系数 金属电导具有负的温度系数 3 吸收现象 加直流电压U于介质时 其中流过的电流可分解为三个分量 ic 电容电流分量 电源对几何电容充电及无损极化所引起的电流 存在时间短 很快衰减至零 ia 吸收电流分量 由有损极化所引起的电流 衰减较慢 存在时间长 此缓慢衰减过程称为吸收现象 Ig 泄漏电流分量 由电介质中的离子移动引起 不随时间改变 电介质的绝缘电阻 4 电介质的电导 1 气体电介质的电导 2 液体电介质的电导 构成液体电介质电导的主要因素有两种 离子电导和电泳电导 离子电导是由液体本身分子或杂质的分子离解出来的离子造成的 电泳电导是由荷电胶体质点造成的 所谓荷电胶体质点即固体或液体杂质以高度分散状态悬浮于液体中形成了胶体质点 例如变压器油中悬浮的小水滴 它吸收离子后成为荷电胶体质点 离子电导的大小和分子极性及液体的纯净程度有关 3 固体电介质的电导 分为体积电导和表面电导 构成固体电介质电导的主要因素是离子电导 非极性和弱极性固体电介质的电导主要是由杂质离子造成的 对于偶极性固体电介质 因本身分子能离解 所以其电导是由本身和杂质离子共同造成的 对于离子性电介质 电导的大小和离子本身的性质有关 RV 体积泄漏电阻 RS 表面泄漏电阻 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 介质吸附水分的能力与自身结构有关 有亲水性介质和憎水性介质 所以 介质的绝缘电阻实际上是体积电阻和表面电阻两者的并联值 5 影响电介质电导的主要因素 1 温度离子电导随温度的升高而增加 2 杂质由于杂质中的离子数较多 因此当介质中的杂质增多时 其电导会明显增加 各类杂质中水分的影响最大 A B 常数 T 绝对温度 6 电介质电导在工程实际中的应用 1 串联的多层电介质在直流电压作用下 各层电压分布与电导成反比 因此设计用于直流的电气设备时要注意所用电介质的电导率 尽量使材料得到合理的使用 2 注意环境湿度对固体电介质表面电导的影响 注意亲水性材料的表面防水处理 3 在绝缘预防性试验中 通过测量介质的绝缘电阻和泄漏电流来判断绝缘是否存在受潮或其他劣化现象 三 电介质的损耗 1 定义 在外加电压作用下 电介质在单位时间内消耗的能量称为介质损耗 2 介质损耗的基本形式 1 电导损耗 由电介质中的泄漏电流引起 交 直流电压下都存在 一般很小 3 游离损耗 2 极化损耗 由有损极化所引起的 仅存在于交流电压下 在直流电场中 极化的建立过程仅在加压瞬间出现一次 可略去 电场中局部电场集中处 当电场强度超过起始游离场强时 将出现游离放电而造成能量损耗 存在于交 直流强电场中 3 介质损耗的指标 电介质等值电路可简化为并联和串联电路两种形式 对并联电路 1 直流电压下 2 交流电压下 tg 对串联电路 对串 并联电路 有 P1 P2 一般tg 1 即tg2 0 所以CP CS C 则P P1 P2 U2 Ctg 4 电介质的损耗及其影响因素影响电介质损耗的因素主要有温度 频率和电压 不同的电介质所具有的损耗形式不同 从而温度 频率和电压对电介质损耗的影响也不同 5 介质损耗在工程实际中的应用 1 选择绝缘 2 在绝缘预防性试验中判断绝缘状况 3 介质损耗引起的发热有时也可以利用 第二节液体电介质的击穿特性 一 液体介质的击穿机理 1 纯净液体介质的击穿过程 电击穿 2 工程用液体介质的击穿过程 小桥理论 液体介质中的杂质在电场作用下集中于电极间 排成杂质小桥 使泄漏电流增加 局部发热 油及水分汽化 形成气体桥 沿气体桥击穿 二 影响液体介质击穿电压的主要因素 1 液体介质品质的影响 油品质 油在标准油杯中的工频击穿电压值 kV 1 含水量 分子状态溶解于油中 小水珠状态悬浮于油中 对油的击穿电压影响不大 会产生极化 在电极间排成导电小桥 对油的击穿电压影响大 水份过多 沉淀在油底部 常温下影响不大 随温度及其他条件的变化可能转化为悬浮状态的水 对油的击穿电压影响大 2 含纤维量 3 含气量 分子状态溶解于油中 对油的耐电强度影响不大 自由状态的气体 在电场作用下 易形成小桥 油的耐电强度明显下降 4 含碳量 来源 运行中出现的电弧高温使绝缘油分解而产生碳粒 影响 新生的活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力 从而使油的击穿强度提高 总之 细而分散的碳粒对油的击穿强度影响不大 但碳粒吸附水分后沉积在固体介质表面 形成油泥 影响散热 易造成油中沿固体介质表面的放电 碳粒导电 散布在油中使附近的局部场强增强 从而使油的击穿强度下降 2 温度的影响 3 电压作用时间的影响 4 电场均匀程度的影响 5 压力的影响不论电场均匀与否 当压力增加时 工程用变压器油的工频击穿电压会随之升高 这个关系在均匀电场中更为显著 其原因是随着压力的增加 气体在油中的溶解度增加 气泡的局部放电起始电压也提高 这两个因素都将使油的击穿电压提高 三 提高液体介质击穿电压的方法 1 提高并保持油的品质 1 过滤 2 防潮 3 祛气 4 防尘 2 采用油 屏障式绝缘 1 覆盖层 1mm 2 绝缘层 几十mm 3 屏障 极间障 2 7mm 防止杂质小桥形成 在极不均匀电场中 改变空间电荷分布 均匀电场 第三节固体电介质的击穿特性 一 固体电介质的击穿机理 1 电击穿 1 电击穿 由于介质中带电质点积聚的数量和移动的速度达到一定时 形成导电通道 2 特点 a 所需时间短 击穿场强高 b 击穿电压与环境温度无关 c 电场均匀程度对击穿电压有显著影响 2 热击穿 1 热击穿 由于介质损耗 引起局部发热 若发热量大于散热量 使局部介质分解 炭化 烧裂而引起导电通道 2 特点 a 介质温度特别高 热积累也需要一定时间 b 热击穿电压随环境温度的升高按指数规律下降 c 随外施电压作用时间的增长而下降 d 介质厚度增大时 介质的平均击穿场强下降 e 当电压频率升高时 热击穿电压下降 3 电化学击穿 1 电化学击穿 在运行中长期受到电 热 化学和机械力等的作用 使其物理 化学性能发生不可逆的劣化 最终导致的击穿 2 特点 a 所需时间长 b 击穿电压低 二 影响固体电介质击穿电压的主要因素1 电压作用时间2 电场均匀程度和介质厚度3 温度4 电压种类5 受潮6 累积效应7 机械负荷 三 提高固体电介质击穿电压的措施1 改进绝缘设计2 改进制造工艺3 改善运行条件 第六节电介质的老化 一 电老化电介质在电场的长时间作用下 其物理 化学性能会逐渐发生不可逆的劣化 最终导致电介质的击穿 这个过程称为电老化 电老化的产生主要是由于高压电气设备绝缘内部不可避免地存在有某些缺陷 二 热老化电介质在长期受热的情况下 其绝缘性能会发生不可逆的劣化 这就是电介质的热老化 热老化的进程与电介质的工作温度有关 温度升高热老化过程加快 各种电介质都有一定的耐热性能 电介质的最高允许温度是由其耐热性能决定的 IEC规定的电工绝缘材料的耐热等级 最高持续温度 Y O AEBFHC90105120130155180220 如果材料使用温度超过上述规定 绝缘材料就将迅速老化 寿命大大缩短 实验表明 对A级绝缘 温度每增加8 则寿命缩短一半左右 这通常称为热老化的8 原则 对B级和H级绝缘材料而言 当温度每升高10 和12 时 寿命也将缩短一半 第七节组合绝缘的击穿特性 高压电气设备的绝缘在具有优异的电气性能的基础上 还应同时具有良好的热性能 机械性能及其他一些物理 化学特性 单一品种的电介质是很难同时满足以上要求的 所以实际电气设备的绝缘通常都不是由单一的电介质构成的 而是由多种电介质组合而成 一 组合绝缘的介电常数与介质损耗 1 介电常数组合绝缘的相对介电常数 为 固体电介质的相对介电常数 浸渍介质的相对介电常数 2 介质损耗组合绝缘的组合绝缘的总介质损失角正切为 固体电介质的介质损失角正切 浸渍介质的介质损失角正切 二 组合绝缘的击穿特性组合绝缘的整体击穿电压取决于外加电压在组合绝缘中各电介质上的电压分布 理想的电压分布应该是各层电介质所承受的场强与该层介质的耐电强度成正比 这样整个组合绝缘的电气强度最高 各层绝缘材料的利用也最合理 最充分 各层绝缘所承受的电压与绝缘材料的特性和作用电压的类型有关 直流电压下 各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比 交流和冲击电压下 各层介质所分担的电压与其电容成反比 即各层中的电场强度与其介电常数成反比 小结 极化 电导 损耗及击穿是电介质的基本电气特性 相应的物理参数分别为相对介电常数 电导率 介质损耗因数和击穿电压 它们的大小可用来综合判断电介质的绝缘性能 电介质的极化可分为无损极化和有损极化两大类 无损极化包括电子位移极化和离子位移极化 有损极化包括转向极化和夹层极化