第三章 液体和固体介质的电气特性课件

,电介质的电气特性表现在电场作用下的,导电性能,介电性能,电气强度,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：,液体介质：变压器油、电容器油、电缆油固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶,第三章液体和固体介质的电气特性,1,PPT学习交流,电导率(绝缘电阻率)介电常数介质损耗角正切击穿电场强度,表征参数：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,2,PPT学习交流,第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的极化电介质的电导电介质的损耗,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,3,PPT学习交流,电介质的极化是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。介电常数用来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：,一、电介质的极化,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,4,PPT学习交流,放置固体介质时,电容量将增大为:,相对介电常数：,0-真空的介电常数,-介质的介电常数,r-介质的相对介电常数,A-极板面积，cm2,d-极间距离，cm,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,5,PPT学习交流,下面的表3-1列出了常用电介质的r值（20C时）,r是反映电介质极化特性的一个物理量。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,6,PPT学习交流,可见，气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,7,PPT学习交流,用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。其他电气设备中往往希望选用r较小的电介质，这是因为较大的r往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。,采用r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,8,PPT学习交流,在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的r值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的r成反比。,最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。现简要介绍如下：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,9,PPT学习交流,(一)电子式极化,在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，其值为（矢量的方向为由q指向q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,10,PPT学习交流,电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：完成极化需要的时间极短；外场消失，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,11,PPT学习交流,(二)离子式极化,固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,12,PPT学习交流,在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。,离子式极化的特点：1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；2、所需时间很短，其几乎与外电场频率无关。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,13,PPT学习交流,温度对离子式极化的影响：1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强；2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其一般具有正的温度系数。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,14,PPT学习交流,(三)偶极子极化,极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。,极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,15,PPT学习交流,出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,16,PPT学习交流,偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，1010102s，所以极性电介质的值与电源频率有较大关系。,偶极子极化与频率f的关系：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,17,PPT学习交流,频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其值变小，如图所示。其中相当于直流电场下的相对介电常数，ff1以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，值不断下降；当ff2时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，减小到。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,18,PPT学习交流,偶极子极化与温度t的关系：,温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质的极化有负的温度系数。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,19,PPT学习交流,如图3-6为极性液体、固体介质的与温度的关系。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,20,PPT学习交流,(四)夹层极化,凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,21,PPT学习交流,t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,22,PPT学习交流,t=,电压分配将与电导成反比：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,23,PPT学习交流,一般即C1、C2上的电荷需要重新分配，设C1G2，则由上面两式：,t=0时，U1U2t时，U1U2,可得：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,24,PPT学习交流,可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总的电压U保持不变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,25,PPT学习交流,于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电流称为吸收电流。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,26,PPT学习交流,由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,27,PPT学习交流,二、电介质的电导,电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,28,PPT学习交流,1、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。,2、离子电导：本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率10101014杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率10171019,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,29,PPT学习交流,3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。,4、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，且受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,30,PPT学习交流,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，其中固体介质的常数B通常比液体介质的B值大的多。T为绝对温度，单位为K。该式表明,随温度T按指数规律上升。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,31,PPT学习交流,三、电介质的损耗,(一)电介质的损耗的基本概念,介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。,直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,32,PPT学习交流,式中：电源角频率；功率因数角；介质损耗角。,交流时：流过电介质的电流,此时介质的功率损耗：,（3-7）,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,33,PPT学习交流,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。有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流、吸收电流和传导电流。三个分量叠加在一起为总电流。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,34,PPT学习交流,总电流表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。,介质损耗可采用并联等值电路或串联等值电路来分析,并联电导损耗串联极化损耗,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,35,PPT学习交流,1、并联等值电路,按图3-9，有：,介质损耗角正切等于有功电流和无功电流的比值，即：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,有功电导电流,无功电容电流,36,PPT学习交流,此时功率损耗为：,与式（3-7）所得介质损耗完全相同。,2、串联等值电路,有损电介质可用一只理想的无损耗电容和一个电阻r相串联的等值电路来代替，如图所示。,（3-9）,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,37,PPT学习交流,由向量图有：,由于：,所以：,介质损耗角值一般很小，所以：,（3-11）,比较式（3-9）和式（3-11）,说明两种电路电容值几乎一样，可用同一电容表示。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,38,PPT学习交流,(二)气体、液体和固体介质的损耗,1.气体介质损耗,气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,39,PPT学习交流,损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为：,与温度有指数关系，P0也以指数规律随温度的上升而增大。,2.液体介质损耗,（1）中性和弱极性液体介质,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,40,PPT学习交流,（2）极性液体介质,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,极性液体介质除了电导损耗外，还存在极化损耗，极性液体介质的损耗与温度的关系如图所示。,41,PPT学习交流,在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的亦上升，并在tt1时达到极大值；,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,42,PPT学习交流,在t1U2U3)有发热曲线1、2、3，4为散热曲线。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,80,PPT学习交流,曲线1，Q1Q2，介质一定击穿；曲线2，与散热曲线4交于k点，它是不稳定的平衡点，ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。曲线3和曲线4有a、b两个交点，a为稳定的热平衡点，b为不稳定的热平衡点，ttb时，介质发生击穿。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,81,PPT学习交流,可达到以下几点结论：,热击穿电压会随着周围媒质温度t0的上升而下降，这时直线4会向右移动；热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质的击穿场强随h的增大而降低；如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升；f或增大时都会造成Q1增加，使曲线1、2、3向上移动。曲线2上移表示临界击穿电压下降。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,82,PPT学习交流,(三)电化学击穿,固体介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，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学击穿。,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。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：,1)产生活性气体（O3，NO，NO2）对介质氧化、腐蚀；,2)带电粒子撞击温升使局部介质损耗增加；,3)带电粒子撞击切断分子结构，导致介质破坏。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,83,PPT学习交流,电化学击穿电压的大小与施加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。图323是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,84,PPT学习交流,曲线l、2下降较快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放电的性能差；曲线3接近水平，表示硅有机玻璃云母带的击穿场强随加电压时间的增加下降很少。,可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,85,PPT学习交流,在电化学击穿中，还有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝化放电劣化。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,86,PPT学习交流,在交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所造成的结果。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,87,PPT学习交流,二、影响固体介质击穿电压的主要因素,(一)电压作用时间,如果电压作用时间很短(例如0.1s以下)，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,88,PPT学习交流,不过二者有时很难分清，例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。,随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,89,PPT学习交流,在图324中，以常用的油浸电工纸板为例，以lmin工频击穿电压(峰值)作为基准值，纵坐标以标么值来表示。电击穿与热击穿的分界点时间约在105106us之间，作用时间大于此值后，热过程和电化学作用使得击穿电压明显下降。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,90,PPT学习交流,不过lmin击穿电压与更长时间(图中达数百小时)的击穿电压相差已不太大，所以通常可将lmin工频试验电压作为基础来估计固体介质在工频电压作用下长期工作时的热击穿电压。,许多有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但它们耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低，这一点必须予以重视。,在那些不可能用油浸等方法来消除局部放电的绝缘结构中(例如旋转电机)，就必须采用云母等耐局部放电性能好的无机绝缘材料。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,91,PPT学习交流,(二)电场均匀程度,处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,92,PPT学习交流,如果经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。,常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,93,PPT学习交流,(三)温度,固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。,不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不同的。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,94,PPT学习交流,(四)受潮,受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。,所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,95,PPT学习交流,(五)累积效应,固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,96,PPT学习交流,在幅值不高的内部过电压下以及幅值虽高、但作用时间很短的雷电过电压下，由于加电压时间短，可能来不及形成贯穿性的击穿通道，但可能在介质内部引起强烈的局部放电，从而引起局部损伤。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,97,PPT学习交流,主要以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着施加冲击或工频试验电压次数的增多，很可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此，对这些电气设备进行耐压试验，加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保证一定的绝缘裕度。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,98,PPT学习交流,（本节完）,小结,在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿、热击穿和电化学击穿；实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于介质本身的特性、绝缘结构形式和电场均匀性。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,99,PPT学习交流,第四节组合绝缘的电气强度,“油-屏障”式绝缘油纸绝缘,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,100,PPT学习交流,对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合：,例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成，而其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,101,PPT学习交流,绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度应与其电气强度成正比。,直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度与其电导率成反比。可见，在直流电压下，应该把电气强度高、电导率大的材料用在电场最强的地方；。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,102,PPT学习交流,工频交流和冲击电压下：各层所承担的电压和各层电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。在工频交流电压下，应该把电气强度高、介电常数大的材料用在电场最强的地方。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,将多种介质进行组合应用时应注意的原则：使绝缘介质各自的优缺点进行互补，扬长避短，相辅相成。,103,PPT学习交流,一、“油屏障”式绝缘,油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障式绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高3050。,1、覆盖,紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,在“油-屏障”式绝缘结构中应用的固体介质三种形式：,104,PPT学习交流,2、绝缘层,当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。,放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。,3、屏障,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,105,PPT学习交流,二、油纸绝缘,电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。,前面介绍的“油屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度，而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差.,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,106,PPT学习交流,绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达500600kVcm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的击穿场强约为200kVcm，而干纸只有100150kVcm)。,各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,107,PPT学习交流,油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮),因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,108,PPT学习交流,三、组合绝缘中的电场,1.均匀电场双层介质模型,在组合绝缘中，同时采用多种电介质，在需要对这一类绝缘结构中电场作定性分析时，常常采用最简单的均匀电场双层介质模型，如图3-25所示：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,109,PPT学习交流,由此可得：,1E12E2U=E1d1+E2d2,在这一模型中，最基本的关系式为：,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,110,PPT学习交流,高电压技术河北科技师范学院电气教研室,若第一种介质为油，第二种介质为屏障，则有：,可见极间距离保持不变的情况下，增大屏