第3章 液体和固体介质的电气特性

高电压技术,第3章液体和固体介质的电气特性,3.1电介质的极化、电导与损耗3.2液体介质的击穿3.3固体介质的击穿3.4组合绝缘的电气强度3.5绝缘的老化,高电压技术,3.1电介质的极化、电导与损耗,3.1.1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。,高电压技术,高电压技术,高电压技术,3.电介质的极化现象,(1)非极性分子的位移极化,(2)极分子的转向极化,(3)极化电荷（束缚电荷）,(4)极化电荷的特点,a不能移出电介质；,电介质表面因极化而出现的电荷。,b各向同性的均匀电介质极化时只在其表面出现面极化电荷。,3.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：,高电压技术,（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。,高电压技术,（4）夹层极化（界面极化）,高电压技术,高电压技术,高电压技术,高电压技术,3.1.2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。,高电压技术,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,高电压技术,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,高电压技术,3.1.3电介质的能量损耗,高电压技术,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。,高电压技术,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,高电压技术,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,高电压技术,2.3.3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。,固体电介质树枝化劣化,在高电场强度作用下，固体介质内常出现树枝状局部损坏。在电场的持续作用下，这些树枝状微通道就可能沿电场方向贯穿整个绝缘，导致击穿。所以树枝现象也是预击穿现象。包括：水树枝和电树枝,水树枝：水树枝通常笼廓较模糊，水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。,水树引起的绝缘故障发展过程,水树枝的成因,制造过程中残留在绝缘中的微水。运行中因机械损伤水分逐渐侵入。电场长期作用下绝缘中形成由微小的水滴及连接它们的水丝组成的水树,电树枝,电极尖端处或微小空气隙、杂质等处电场较强，发生的放电逐渐发展，形成较细的沟状放电通道的碳化痕迹。电树枝通常笼廓较清晰,高电压技术,2.4组合绝缘的电气强度,2.4.1介质的组合原则,多层组合绝缘结构:各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正比，整个组合绝缘的电气强度最高，每层绝缘材料得到了最充分、合理地利用。,各层绝缘所承受的电压与作用电压和绝缘材料的特性有关，直流电压下，各层绝缘所分担的电压与其绝缘电阻（电导）成正比（反比），应该把电气强度高、电导率大的材料用在电场最强的地方。在交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘分担的电压与其电容成为反比，应把电气强度最高，介电常数大的材料用在电场最强的地方。,介质的组合原则,此外，还必须弄清各层的理化特性，使它们互为组合、互相补充。,高电压技术,2.4.2组合绝缘的电场,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,高电压技术,介质2,介质1,在介质2中发生折射,高电压技术,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！,高电压技术,3电力电缆的分阶绝缘,12n，且1r1=2r2=nrn=常数。离缆芯较远的介质层