高电压技术第二章液体固体介质的绝缘ppt课件

1、第二章第二章 液体、固体介质的绝缘强度液体、固体介质的绝缘强度液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用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：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、硅橡胶电介质的电气特性表如今电场作用下的 导电性能 介电性能 电气强度2.1 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗一一 、介质的极化和相对介电常数、介质的极化和相对介电常数电介质的极化电介质的极化: 正常情况下，任何电介质都是呈正常情况下，任何电介质都是呈中性的。但在电场作用下，其电荷质点就会沿电中性的。但在

2、电场作用下，其电荷质点就会沿电场方向产生有限的位移，这种景象称为电介质的场方向产生有限的位移，这种景象称为电介质的极化。介电常数来表示极化强弱。极化。介电常数来表示极化强弱。平行平板电容器在真空中的电容为当极板间插入固体介质后，电容为式中 A极板面积，cm2; d极间间隔，cm；介质的介电常数 0真空的介电常数，0=8.8610-14F/cm定义 为介质相对介电常数。 000QACUd0()QQQACUUd000()rCQQCQ气体气体r接近于接近于1，液体和固体大多在，液体和固体大多在26之间之间1电子式位移极化 任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷

3、量相等，且正负电荷作用中心重合，对外不显电性。 在外电场的作用下，原子外层电子轨道相对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的形状。0EE二、极化的方式二、极化的方式2离子式位移极化 固体有机化合物多属离子式构造，如云母、陶瓷、玻璃等资料。在无外电场时，正、负离子对称陈列，各离子对的偶极矩相互抵消，故平均偶极矩为零。 在外电场作用下，正、负离子将发生相反方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而构成电矩，对外呈现出电性。0EE3偶极子极化偶极子：正、负电偶极子：正、负电荷作用中心不重合荷作用中心不重合的分子，分子的一的分子，分子的一端呈正电荷，另一端呈正电荷，另一端呈

4、负电荷，分子端呈负电荷，分子本身就是一个永久本身就是一个永久性的偶极矩。性的偶极矩。极性介质：由永久极性介质：由永久性偶极子构成的介性偶极子构成的介质叫极性介质。质叫极性介质。 单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介质分子处于不停的热运动形状，宏观上正负电荷平衡，对外不显电性。 在外电场的作用下，原来混乱分布的极性分子沿电场方向作定向陈列，因此呈现出极性。0EE无外电场时无外电场时有外电场时有外电场时4夹层极化 在高压设备中，常运用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器绕组等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上产生“夹层极化景象。1U2U1C2C1g2gKUUK夹层介质界

5、面极化合闸瞬间：到达稳定：介质不均匀电压重新分配放电时间：由于G很小，所以极化速度非常缓慢。12021CCUUt122121GGRRUUt2121GGCC电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化无损极化无损极化有损极化有损极化电介质的极化电介质的极化 任何电介质都不是理想的绝缘体，在它们内部总有一些联络较弱的带电质点存在。 在外电场作用下，这些带电质点作定向运动，构成电流。 因此任何电介质都具有电导。2.1.2 电介质的电导电介质的电导1走漏电流和绝缘电阻走漏电流和绝缘电阻 在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种极在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种极化的存在，流过介质的电流很大，之后随时

6、间而变化的存在，流过介质的电流很大，之后随时间而变化。经过一定时间后，极化过程终了，流过介质的化。经过一定时间后，极化过程终了，流过介质的电流趋于一定值电流趋于一定值I，这一稳定电流以称为走漏电流，这一稳定电流以称为走漏电流，与之相应的电阻称为电介质的绝缘电阻。与之相应的电阻称为电介质的绝缘电阻。IUR 这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和外表绝缘电阻。这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和外表绝缘电阻。2121RRRRR表面绝缘电阻体积绝缘电阻21RR 电介质的走漏电流和绝缘电阻gIURic-充电电流：为无损极化对应的纯电容电流充电电流：为无损极化对应的纯电容电流ia-吸收电流：为有损

7、极化对应的电流吸收电流：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化主要为夹层极化)ig-走漏电流：为电介质中的离子或电子挪动构成的电流，不走漏电流：为电介质中的离子或电子挪动构成的电流，不随时间变化随时间变化绝缘电阻：绝缘电阻： ( (一一) )电介质的损耗及介质损失角正切电介质的损耗及介质损失角正切 介质在电压作用下有能量损耗。一种是电介质在电压作用下有能量损耗。一种是电导引起的损耗；另一种是由有损极化引起的导引起的损耗；另一种是由有损极化引起的损耗。在直流电压下，由于无周期性极化过损耗。在直流电压下，由于无周期性极化过程，因此，当外施电压低于发生部分放电电程，因此，当外施电压低于发生部分放电电压

8、时，介质损耗中仍由电导引起，此时用绝压时，介质损耗中仍由电导引起，此时用绝缘电阻就足以表达，而在交流电压下，除了缘电阻就足以表达，而在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的损耗，所以，定义为：在交流电压下，介质损耗，所以，定义为：在交流电压下，介质的有功功率损耗为介质损耗。的有功功率损耗为介质损耗。2.1.3、电介质的能量损耗、电介质的能量损耗交流时：流过电介质的电流：交流时：流过电介质的电流：crIII 电源提供的视在功率：电源提供的视在功率： 介质损耗介质损耗( (有功损耗有功损耗) ) 对同类试品绝缘的优劣可用对同类试品绝缘的优劣可用

9、tgtg来替代来替代P P值，对绝值，对绝缘进展判别缘进展判别 tgtg取决于资料的特性，与资料尺寸无关：取决于资料的特性，与资料尺寸无关：)(crjIIUjQPScrIjUIU 二二 有损介质的等值电路分析有损介质的等值电路分析 并联电路：并联电路： 串联电路：串联电路：RCCURUIItgppcrp1/tgCURUPpp22rCCIIUUtgssrcrs/2221tgtgCUrIPss21tgCCPPspsp(a)损耗主要由电导引起采用并联损耗主要由电导引起采用并联(b)损耗主要由极化引起采用串联损耗主要由极化引起采用串联 实践上，电导损耗和极化损耗都同时存在介质等实践上，电导损耗和极化损

10、耗都同时存在介质等值电路可用三个并联支路表示值电路可用三个并联支路表示 C0C0：反映电子式和离子式极化：反映电子式和离子式极化 CaCa、rara：反映吸收电流，表示：反映吸收电流，表示 有损极化有损极化 R R：反映电导损耗，该支路流过：反映电导损耗，该支路流过 的电流为走漏电流的电流为走漏电流C0CaraR 2.影响介质损耗的要素影响介质损耗的要素 温度温度 频率频率 电压电压 气体中的气体中的 tan与电压的关系与电压的关系 气体的介质损耗气体的介质损耗 气体中的电场强度到达放气体中的电场强度到达放电起始电压电起始电压U0时，气体中发时，气体中发生部分放电，这时损耗将急生部分放电，这时

11、损耗将急剧增大。剧增大。极性液体介质与温度的关系极性液体介质与温度的关系 液体的介质损耗液体的介质损耗损耗主要由电导引起，损耗主要由电导引起，极性液体介质的损耗极性液体介质的损耗tgtg与温度的关系如与温度的关系如下图。下图。在低温时，极化损耗在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，和电导损耗都较小， 液体的粘度液体的粘度 ，偶极，偶极子转向极化子转向极化 ，电导，电导损耗损耗 并在并在t tt1t1时时到达极大值；到达极大值； t在在t1tt2t1tt2tt2以后，由于电导以后，由于电导损耗随温度急剧上升损耗随温度急剧上升 、极化损耗不断减小极化损耗不断减小 而而退居次要位置，因此就退居次要位置

12、，因此就随时间随时间t t的上升而继续的上升而继续增大增大 。电力系统中电源频率固定为电力系统中电源频率固定为50Hz，普通频率只需，普通频率只需很小变化，可视为对很小变化，可视为对 tan无影响无影响 .2-2 液体介质的击穿液体介质的击穿 一旦作用于固体和液体介质的电场强度增一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气景大到一定程度时，在介质中出现的电气景象就不再限于前面引见的极化、电导和介象就不再限于前面引见的极化、电导和介质损耗了。质损耗了。 与气体介质类似，液体和固体介质在强电与气体介质类似，液体和固体介质在强电场场( (高电压高电压) )的作用下，也会出现

13、由介质转的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。变为导体的击穿过程。 一、液体介质的击穿机理一纯真液体介质的击穿实际一纯真液体介质的击穿实际电子碰撞电离实际电击穿实际电子碰撞电离实际电击穿实际 在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，构成电子崩。同时正离子在阴极附近构成空使电子数倍增，构成电子崩。同时正离子在阴极附近构成空间电荷层加强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，间电荷层加强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。导致液体介质击穿。 液体的击穿机理很复杂。到目前为止都是用气泡液体的击穿机

14、理很复杂。到目前为止都是用气泡( (“小桥小桥) )实际进展定性的分析。实际进展定性的分析。气泡击穿实际小桥实际气泡击穿实际小桥实际 液体中由于某些缘由出现气泡，在交流电压下，串联介液体中由于某些缘由出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的相对介电常数质中电场强度的分布与介质的相对介电常数r r 成反比。由成反比。由于气泡的于气泡的r r 最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。气泡必先发生电离。 气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步开展。电离产生的带电

15、粒子撞击油分子，使它又分离进一步开展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩展。许多电离的气泡在电场中陈解出气体，导致气体通道扩展。许多电离的气泡在电场中陈列成气体小桥，击穿就能够在此通道中发生。列成气体小桥，击穿就能够在此通道中发生。 2.2.2影响液体介质击穿的要素和改良措施影响液体介质击穿的要素和改良措施 1.油质量的影响油质量的影响 液体中所含杂质成分及数量对液体介质中的击穿电压有显著影响液体中所含杂质成分及数量对液体介质中的击穿电压有显著影响 在规范油杯中变压器油的工在规范油杯中变压器油的工频击穿电压和含水量的关系频击穿电压和含水量的关系 水分、杂质对变压器油

16、击水分、杂质对变压器油击穿电压的影响穿电压的影响 2.温度的影温度的影响响变压器油工频击穿电压与变压器油工频击穿电压与温度的关系温度的关系l枯燥的油；枯燥的油；2潮湿的油潮湿的油 变压器油的击穿电压与电压变压器油的击穿电压与电压作用时间的关系作用时间的关系 3.电压作用时间的影响电压作用时间的影响3 3、电场均匀度、电场均匀度 优质油：坚持油不变，而改善电场均匀度，能使优质油：坚持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。穿电压。 质量差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压质量差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压

17、的效果较差。的效果较差。 在冲击电压下，由于杂质来不及构成小桥，故改在冲击电压下，由于杂质来不及构成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的质量好坏几乎无关。与油的质量好坏几乎无关。 5.压力的影响压力的影响 变压器工频击穿电压与压力的关系变压器工频击穿电压与压力的关系 改良措施改良措施 (1)提高以及坚持油的质量提高以及坚持油的质量 过滤、防潮、防尘过滤、防潮、防尘 (2)改良绝缘构造以减小杂质的影响改良绝缘构造以减小杂质的影响 机理：阻止杂质小桥的构成和开展机理：阻止杂质小桥的构成和开展 固体介质击穿后资料中留下有不能恢复的痕迹，

18、如烧焦或熔化的通道、裂痕等，即使去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自行恢复绝缘性能，固体介质为非自恢复绝缘。 固体介质的击穿可分为三种：电击穿、热击穿、电化学击穿。2.3 固体介质的击穿固体介质的击穿 2.3.1 固体介质的击穿机理固体介质的击穿机理1. 电击穿 在强电场作用下，介质内的少量自在电子得到加速，产生碰撞电离，使介质中带点质点数目增多，导致击穿。 特点：施加电场高，作用时间短，介质温度不高； 2. 热击穿 热击穿是由于电介质内部热不稳定过程所呵斥的。当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高。 特点：施加电场稍低，作用时间稍长。特点：施加电场低，作用

19、时间长。由于介质逐渐老化，导致绝缘性能下降，以致绝缘在任务电压下或短时过电压下发生击穿，称此击为电化学击穿。3. 电化学击穿2.3.2影响固体介质击穿的要素和改良措施影响固体介质击穿的要素和改良措施 1.电压作用时间电压作用时间 电工纸板的伏秒特性电工纸板的伏秒特性 外施电压作用外施电压作用时间对击穿电时间对击穿电压的影响很大压的影响很大 2.温度温度工频下电瓷的击穿电压与温度的关系工频下电瓷的击穿电压与温度的关系 应改善绝缘的应改善绝缘的任务条件，加任务条件，加强散热冷却，强散热冷却，防止臭氧及有防止臭氧及有害气体与绝缘害气体与绝缘介质接触等。介质接触等。 3.电场均匀程度电场均匀程度 均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电压较高，且与介质厚度有直线关系；压较高，且与介质厚度有直线关系；在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度添在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度添加而下降，当厚度添加时，散热困难，能够加而下降，当厚度添加时