第5章 液体和固体介质的电气特性

高电压技术,电气与电子工程学院吴文辉,5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5.2液体介质的击穿5.3固体介质的击穿5.4组合绝缘的特性5.5绝缘的老化,5.1电介质的极化、电导与损耗,5.1.1电介质的极化1.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=8.8610-14F/cm定义为介质的相对介电常数。,2.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，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：,（1）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；温度对电子式极化影响不大。（2）离子式极化弹性极化；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）偶极子极化转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s10-2s；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。,5.1.2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；k波尔兹曼常数。,1.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,2.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。,表面电阻的测量电路,5.1.3电介质的能量损耗,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：,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。,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。,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支路反映吸收电流,（1）气体介质的损耗,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（tanU2U3,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，Tc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,5.3.3电化学击穿,对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。,介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产生的活性气体如O3，NO，NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。,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,CmCgCb,局部放电的等效电路,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:,气隙的放电电压,气隙的放电熄灭电压,真实放电量：,视在放电量：,不可测量,真实放电量与视在放电量关系：,单次局部放电的能量：,（Ui为气泡放电时试品上的电压）,5.4组合绝缘的特性,5.4.1油屏障绝缘与油纸绝缘的特点,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,因为直流电压作用下油与纸的场强分配比交流时合理,5.4.2油屏障绝缘与油纸绝缘的特点,（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。,（2）介质界面与电极表面斜交的情况,介质2,介质1,在介质2中发生折射,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！,5.4.3电场调整的方法,采用分阶绝缘的电力电缆,12n，且1r1=2r2=nrn=常数。离缆芯较远的介质层也能得到充分的利用，因此可使电缆尺寸缩小。,GIS中的环氧盘形支撑绝缘子,采用等厚度的盘形支撑绝缘子时，沿面电位分布不均匀,改变绝缘子形状使电力线发生折射，可以使