1.电介质的极化、电导和损耗.ppt

高电压技术 赵来军电力工程系 HighVoltageTechnology 绪论 课程地位 电气工程专业平台课之一课程学时安排 讲课40学时 实验16学时 独立开课 成绩评定 考试70 考勤 课堂回答问题 作业 30 教材 高电压技术 第四版 沈其工等编参考书 高电压工程 中国电力 林福昌 电网过电压教程 中国电力 陈维贤 高电压试验技术 清华 张仁豫 高电压技术 中国电力 赵智大 高压 HV 35 220KV超高压 EHV 330 750KV特高压 UHV 1000KV及以上 一 输电电压等级的划分 二 高电压技术的研究对象 高电压绝缘与试验 1 绝缘材料 电介质 的电气物理性能和击穿的理论 规律 实践到理论 2 高压试验 判断 监视绝缘质量的主要试验方法 电力系统的过电压 3 过电压的成因与限制措施 三 高电压学科的特点 6 四 研究课题 1输变电设备的状态及绝缘监测预报2OVT OCT3输变电设备的介质损耗 局部放电测量4系统谐振及防止方法5电磁兼容问题6Lightning的研究 防护方法7气体放电理论与应用8新绝缘材料研究9接地网的优化 地中电流的研究10污秽及防止方法 新型绝缘子的研究11其他领域 环境保护 表面处理 可再生能源 国防领域等 7 第一篇 高电压绝缘及试验 第一章电介质的极化 电导和损耗第二章气体放电的物理过程第三章气隙的电气强度第四章固体 液体和组合绝缘的电气强度 1 1电介质的极化 dielectricpolarization 极化 在外加电场的作用下 电介质中的正 负电荷沿电场方向作有限位移或转向 形成电矩 偶极矩 第一章电介质的极化 电导与损耗 10 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空间电荷极化 夹层极化 11 特点 存在于一切电介质建立极化时间 极短 10 14 10 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 1电子位移极化 2 离子位移极化 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 12 10 13s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 极化弹性 弹性消耗能量 极微 3 转向极化 极化机理 极性分子转向介质类型 偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质建立极化时间 需时较长 10 6 10 2s极化程度影响因素 电场强度 有关 电源频率 有关 温度 低温段随温度增加 温度较高时降低 极化弹性 非弹性消耗能量 有 4 空间电荷极化 极化机理 正负离子移动介质类型 含离子和杂质离子的介质建立极化时间 很长极化程度影响因素 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 夹层式 界面 极化 当t 0 当t 18 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 19 为便于比较 将上述各种极化列为下表 讨论极化的意义 不同应用场合 对 大小的要求不同选择电容器的介质时 希望 大 选择电缆绝缘结构的材料时 希望 小 组合绝缘的配合对于多层介质 在交流及冲击电压下 各层电压分布与其 成反比 要注意选择 使各层介质的电场分布较均匀 从而达到绝缘的合理应用 21 极化类型影响介质损耗 从而影响绝缘劣化和热击穿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在绝缘预防性试验中 夹层极化可用来判断绝缘受潮情况 例如 水分侵入电介质后 使材料的介电常数增大 同时水分能增强夹层式极化作用 因此 通过测量材料的相对介电常数 就能判断电介质受潮程度 1 2电介质的介电常数 相对介电常数及其物理意义 相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量 气体分子间的距离很大 密度很小 气体的极化率很小 一切气体的相对介电常数都接近1气体的介电常数随温度的升高略有减小 随压力的增大略有增加 但变化很小 1气体电介质的介电常数 部分气体的相对介电常数 环境条件20 1atm 非极性和弱极性电介质如石油 苯 四氯化碳 硅油等 r数值不大 在1 8 2 8范围内 介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似 极性电介质如蓖麻油 氯化联苯等 r数值在4 6范围内 还能用作绝缘介质 强极性电介质如酒精 水等 r 10 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 2液体电介质的介电常数 1 T不变 f增大 r减小 2 f不变 T升高 r先增 分子间黏附力 后减 热运动 频率f1 f2 f3 介电常数同温度和频率的关系 氯化联苯 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 只有电子式极化和离子式极化 r不大 通常在2 0 2 7范围 介电常数与温度的关系与介质密度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3 6 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5 8左右 3固体电介质的介电常数 1 3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 29 定义 在电场的作用下 由带电质点沿电场方向移动而形成电导电流 要点 带电质点主要是离子 也称离子式电导指标 用电导率 s 表示 2 电介质电导与金属电导的区别 3 液体和固体电介质的 与温度的关系 带电质点 电介质中为离子 固有离子 杂质离子 金属中为自由电子数量级 电介质的 小 泄漏电流小 金属的电导电流很大电导电流影响因素 电介质中由离子数目决定 对所含杂质 温度很敏感 金属中主要由外加电压决定 杂质 温度不是主要因素 温度 热运动加剧 离子迁移率 介质分子或杂质热离解 电介质的电阻率具有负的温度系数 金属的电阻率具有正的温度系数 分成三个区域区域1 液体电介质的电导在电场比较小的情况下 遵循欧姆定律区域2 随着场强的增大 有一平坦区域区域3 场强继续增大超过某一极限 引起电流激增 最终击穿 液体电介质中电压 电流特性 工程中 极其纯净的液体电介质 第二区可能观测不到 固体电介质中电流I与外施电压U的关系 4 固体电介质的体积电阻和表面电阻 体积电阻 电介质内部绝缘状态的真实反映 表面电阻 受介质表面吸附的水分和污秽影响 水分起着特别重要作用 亲水性介质 玻璃 陶瓷 表面电导大 憎水性介质 石蜡 四氟乙烯 聚苯乙烯 表面电导小 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 35 电介质的吸收现象 电介质中的电流与时间的关系 36 i ic ia igic 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 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 37 1 4电介质的损耗 dielectricloss 任何电介质在电场作用下都有能量损耗 包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗 电介质的能量损耗简称介质损耗 1 介质损耗的含义 能否用介质损耗P值得大小来衡量介质的绝缘好坏 2 电介质的三支路等值电路 C1 无损极化C2 R2 有损极化R3 电导损耗 吸收曲线 3 电介质在直流电压作用下的吸收现象 4 介质损耗角正切tg 交流电压作用下的向量图 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 并联等值电路 并联电路中 由相量图 介质损耗正切角 tg 44 影响极性电介质tg 的主要因素之一 温度 tg 和温度的关系 45 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f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 46 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 47 tg 和外加电压的关系 5 讨论介质损耗的意义 设计绝缘结构时 应注意到绝缘材料的tg 值 若tg 过大会引起严重发热 使材料劣化 甚至可能导致热击穿用于