1.1 电介质的极化和电导.ppt

高压电气试验 理实一体课程 本课程的教学标准 学期授课计划 1 研究对象 1 绝缘又称为电介质 分气体 液体和固体三类 它的作用是将不同电位的导体分开 绝缘在运行中要承受各种电压的作用 电压较低时会发生极化 电导和损耗现象 电压超出临界值时会发生击穿现象 一 本课程研究的对象及特点 绝缘技术 绝缘的试验技术及设备 模块一绝缘电阻测量 情境一电介质的极化和电导 1 抽象性 多学科性 边缘性 不完善性 2 本课程的特点 2 实践性 危险性 工程性 2 研究击穿特性需要做高压试验 涉及到试验电源 测量仪器 手段方法 在线 离线 智能化 等 在设计 生产 试验 运行时要研究各种电介质在电压下的电气物理性能 特别是在高压下的击穿特性 1 装机容量 发电量迅速增长 建国后到1960年 装机容量突破1000万kW 居世界第9位 1987年突破1亿kW 居世界第4位 1996年装机容量达到2 37亿kW 跃居世界第2位 实现了全国电力供需基本平衡 2000年突破3亿kW 仍居世界第2位 2004年 总装机容量达到4 4亿KW 居世界第1位 2010年 总装机容量达到9亿KW 二 本次课程主要内容 9个方面 1 我国电力发展的概况 2 用电量迅速增长 2004年全国用电量是1981年的7 08倍 其间用电量年均增长8 88 2000 2004年用电量年均增长12 根据预测 2004 2020年我国用电需求仍将保持较高的增长率 2005 2010年年均用电增长率在6 以上 预计2011 2020年年均用电增长率5 3 电网的建设有较大发展 建国后 1952年建设了110kV输电线路 逐渐形成京津唐110kV输电网 1954年建成丰满 李石寨220kV输电线 逐渐形成东北电网220kV骨干网架 1972年建成330kV刘家峡 关中输电线路 以后逐渐形成西北电网330kV骨干网架 1981年建成500kV姚孟 武昌输电线路 1983年又建成葛洲坝 武昌和葛洲坝 双河两回500kV线路 开始形成华中电网500kV骨干网架 1989年建成 500kV葛洲坝 上海超高压直流输电线路 实现了华中 华东两大区的直流联网 我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证 研究 试验等 并于2005年9月在西北网建成投产了750kV输电线路 官亭 兰州 2009年1月 我国电压等级最高的1000kV特高压输电线路开始试运行 晋东南 南阳 荆门 800KV云 广特高压直流输电工程2009年投产 电力发展为何需要越来越高的电压 理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比 电压提高1倍 输送功率将提高4倍 大容量输电的需求 高效率的大型 特大型发电机组的建造投运 以其为基础建设的特大容量规模发电基地 需要更高电压的输电网 资源配置要求 资源中心在西部 能源负荷中心在东部 特高压输电实现更大范围的资源优化配置 2 高压的分类 输电电压一般分高压 超高压和特高压 国际上 高压 HV 通常指35 220kV的电压 超高压 EHV 通常指330kV及以上 750kV及以下电压 特高压 UHV 指1000kV及以上的电压 高压直流 HVDC 通常指的是 600kV及以下的直流输电电压 600kV以上的电压称为特高压直流 UHVDC 前苏联1150kV输电线于1985年建成两段 到1992年经过了6年的商业运行考验 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘 常用的液体介质 变压器油 电容器油 电缆油常用的固体介质 绝缘纸 纸板 云母 塑料 电瓷 玻璃 硅橡胶等 3 电介质的种类和应用 按状态分气体 液体和固体三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘 4 电介质的极化和介电常数 1 极化定义 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 2 介电常数 表示极化强弱程度的一个物理量 以真空平板电容器为例分析 极化前 极化后 为保持场强不变 极板上电荷必然会增加 以抵消极化电荷产生的反电场 引入相对介电常数表示各种介质与真空的比较 是反映电介质极化特性的一个物理量 气体接近于1 因密度小 极化率低 液体和固体多在2 6之间 用于电容器的绝缘材料 希望选用大的介质 可使单位电容的体积和重量减小 其他电气设备中总是选较小的介质 因介质损耗较小 采用较小绝缘材料可减小电缆的充电电流 提高套管的沿面放电电压等 采用组合绝缘时应注意各种材料值之间的配合 在交流电压下 串联多层介质的场强分布与介质的成反比 5 极化的种类 1 无损极化 电子式和离子式 电子式极化 特点 极化时间很短 各种频率下均可发生 与外加频率无关 具有弹性 无损耗 温度影响不大 离子式极化 特点 极化时间稍长 与频率无关 弹性极化 无损 r具正的温度系数 温度较低时 T 分子间作用力 转向容易 极化 偶极子极化 2 有损极化 偶极子和夹层极化 特点 极化时间较长 有能耗 频率对极化有影响 夹层极化 合闸瞬间 温度较高时 热运动加剧阻碍转向 极化 非弹性极化 一般介质不均匀 初始与稳态值不同 于是两层介质上有一电压重新分配过程 亦即C1 C2上电荷重新分配 在此过程中 分界面上将集聚起多余的电荷 从而对外显出极性来 极化结果 等值电容增大 夹层界面堆积电荷产生极性 极化特点 与分子结构无关 极化时间长 R很大时 有能耗 稳定后 6 电导的概念及分类 电介质电导分为离子电导 电子电导等 主要表现为前者 1 概念 表征电介质导电性能的物理量 其倒数称为电阻 又常用电导率衡量 其倒数为电阻率 2 电导的分类 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 离子电导 本征离子电导 极性电介质本身离解所呈现的电导 杂质离子电导 在中性和弱极性电介质中 主要是杂质离解呈现的电导 电泳电导 载流子为带电的分子团 通常是乳化态的胶体粒子 如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠 吸附电荷变成了带电粒子 表面电导 对固体介质 由于表面吸附水分和污秽存在表面电导 受外界因素的影响很大 所以 在测量体积电阻 时 应尽量排除表面电导的影响 清除表面污秽 烘干水分 在测量电极上采取一定的措施 7 绝缘电阻和吸收现象 电介质的电阻通常称为绝缘电阻 对于绝缘材料 人们关注的多是其绝缘性能 而绝缘电阻的高低在一定程度上反映了绝缘性能的好坏 所以对绝缘材料 我们常讨论其绝缘电阻 这是与对导体我们常关注其电导不同的 2 流过电介质的电流及吸收现象 1 绝缘电阻的一般概念 i i1 i2 Ig 以施加直流为例 流过介质内部的电流 i1 充电电流 无损极化对应的纯电容电流 又称快极化电流 Ig 电导电流 介质中少量离子或电子移动形成的电流 即俗称的泄漏电流 i2 吸收电流 为有损极化对应的电流 主要为夹层极化 又称慢极化电流 根据内部物理过程 总电流i可分解为三部分 我们所说电介质的绝缘电阻 就是此时电介质上所加直流电压与此稳定电流值的比值 即 而在施加直流电压一段时间后 电介质中的电流逐渐减小 像是被 吸收 掉了一样的现象 就是常说的 吸收现象 讨论 1 吸收现象的本质是什么 对电介质的绝缘电阻有何影响 8 影响电介质电导的因素 1 电压 电场强度 电导电流随电压增大而增大 2 杂质 杂质是液体介质中带电质点的重要来源 中性液体离子主要来源于杂质分子的离解 极性液体除杂质外本身分子也易离解 所以同等条件下 其电导率比中性液体要大 液体介质 固体介质 杂质也是固体电介质体积电导的重要来源 杂质含量增大时 体积电导会明显增大 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 T为绝对温度 单位为K 该式表明 介质的电导随温度T按指数规律上升 3 温度 中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起 极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成体积电导的主要因素 讨论 2 电介质的电导 电阻 与导体的电导 电阻 有何异同 温度对它们有何影响 9 绝缘电阻的特点 1 绝缘电阻会随着加压时间的延长而变化 2 具有负的温度系数 而金属电阻具有正的温度系数 因此测量介质或设备的绝缘电阻时应加压时间长一些 4 对于固体电介质 还必