第三章 液体和固体介质的电气特性

液体和固体介质的电气特性主讲人：高宇高电压与绝缘技术实验室天津大学电气与自动化工程学院第3章液体和固体介质的电气特性引言液体介质的应用第3章液体和固体介质的电气特性引言固体介质的应用第3章液体和固体介质的电气特性引言固体介质的应用第3章液体和固体介质的电气特性引言液体-固体组合绝缘第3章液体和固体介质的电气特性引言绝缘破坏引发事故第3章液体和固体介质的电气特性引言介质的哪些特性值得关注极化特性：指介电常数ε损耗特性：介损tgδ电气传导特性：载流子移动电气击穿特性：击穿机理、劣化、电压--时间特性曲线V–t等，击穿电压UC或击穿场强EC第3章液体和固体介质的电气特性3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗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高电场低电场3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化二、电介质的电导三、电介质的损耗3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化

极化概念：电场作用下，介质的束缚电荷相应于电场方向产生的取向现象。

1、极化概念3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化

电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层极化2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-1410-15s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无

A.电子式极化2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化B.离子式极化介质类型：离子型介质建立极化时间：极短，10-12~10-13s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加）极化弹性：弹性消耗能量：无2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化C.偶极子极化介质类型：极性介质建立极化时间：10-610-2s极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（有关） 极化弹性：非弹性消耗能量：有2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化D.夹层极化夹层介质界面极化概念：当t=0:

当t=∞:2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗

一般有电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积累电荷夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，介质的电导很小，夹层极化时间较长。一、电介质的极化D.夹层极化2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

D.夹层极化2、极化类型3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量真空介质3、极化程度表征3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小3、极化程度表征气体介质的介电常数3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化环境条件20℃,1atm气体种类相对介电常数氦1.000072氢1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空气1.00059部分气体的相对介电常数3、极化程度表征气体介质的介电常数3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化非极性和弱极性电介质：如石油、苯、硅油等；r1.82.5极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等；r26强极性电介质：如酒精、水等；r>10，用作电容器浸渍剂。液体介质的介电常数3、极化程度表征3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化非极性和弱极性固体电介质：如PE、PP、PTFE、PS；r在2.02.7范围;极性固体电介质：树脂、有机玻璃,r较大，一般为3~6离子性电介质：如陶瓷，云母等，相对介电常数r一般在5~8左右固体电介质的介电常数3、极化程度表征3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化讨论极化的意义选择介质种类在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常数r

对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r较大的介质对于电缆，为减小电容电流，要选择r

较小的介质3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化讨论极化的意义多层介质的合理配合按照介电常数分配电场以电缆为例3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导电导：允许电流通过的容易程度的度量，单位为西门子，简称西，记作S。

气体离子的浓度约为500~1000对/cm3电导率：电阻率的倒数，S/m。1、电导概念3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导液体电介质的电导中性介质极性介质强极性介质2、液体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导中性介质+-本征分子离解杂质荷电粒子电导率：2、液体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导极性介质+-离解杂质荷电粒子电导率：本征分子2、液体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导强极性介质+-电导率：本征分子2、液体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导+-T升高，离解度增大，离子运动阻力减小，电导增大2、液体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导固体电介质的电导无机介质有机介质3、固体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导

结构紧密，洁净的离子型电介质，电导率为结构不紧密，含单价小离子的离子型电介质的电导率无机介质3、固体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导

中性介质：极性介质有机介质温度对固体介质电导的影响3、固体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导固体电介质的表面电导接地高压湿度亲水性污秽3、固体介质的电导3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导讨论电导的意义绝缘预防性试验的理论依据(测量绝缘电阻)绝缘配合时，选择合适的电导率，实现各层之间的合理分压关注固体介质表面电导的影响，注意亲水性材料的表面防水处理3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗类比：线损介质损耗的一般概念外电场作用下，电介质产生的有功损耗。介质损耗直流交流电导损耗电导损耗极化损耗1、介质损耗的概念3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗电介质的等效电路电介质中的电流和电压矢量2、介质等效电路吸收电流3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗并联等值电路—更加一般的模型(工程分析经常使用)2、介质等效电路3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗定义为介质损失角，是功率因数角的余角介质损失角正切值tg

，如同r

一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质2、介质等效电路3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗串等值电路2、介质等效电路3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗3、气体电介质中的损耗气体介质的tg与电场的关系示意图3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗中性液体电介质中的损耗主要由漏导决定4、液体电介质中的损耗中性液体介质的tg与温度的关系示意图

3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和偶极子极化损耗两部分松香油的tg

与温度的关系4、液体电介质中的损耗3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗固体介质无机有机结构紧密结构不紧密极小较大中性极小极性较大5、固体电介质中的损耗3.1液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗讨论介质损耗的意义介损热热老化热击穿3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论二、变压器油的击穿过程及特点液体击穿理论影响因素提高方法三、变压器油击穿电压影响因素及提高方法3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论气泡击穿理论3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论阴极阳极3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论特点与气体击穿过程相似电子自由行程小3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论影响因素液体密度液体温度EE3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论气泡击穿理论阴极阳极3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论气泡击穿理论特点电和热的过程3.2液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论气泡击穿理论影响因素液体压力E3.2液体介质的击穿二、变压器油的击穿过程及特点小桥击穿理论阴极阳极3.2液体介质的击穿二、变压器油的击穿过程及特点小桥击穿理论阴极阳极3.2液体介质的击穿二、变压器油的击穿过程及特点液体击穿测试方法80~240kV/cm3.2液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素1.油的品质含水量含纤维量含碳量含气量3.2液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素1.油的品质含水量3.2液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素1.油的品质含纤维量吸湿小桥击穿含碳量增强局部电场吸附水分、气体含气量气泡析出小桥击穿气体与油反应氧化、老化3.2液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系1-干燥的油；2-受潮的油2.温度3.2液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线3.电压作用时间3.2液体介质的击穿三、影响液体介质击穿的主要因素变压器油工频击穿电压与压力的关系4.油压的影响3.3固体介质的击穿固体介质的击穿事故固体介质在电气工程领域应用广泛击穿事故频发，损失巨大3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论固体介质击穿气体介质击穿液体介质击穿熔化烧穿裂纹3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论固体介质击穿电击穿热击穿电化学击穿局部放电树枝状击穿漏电起痕3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电击穿阴极阳极切断碰撞电离3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电击穿特点击穿场强高、时间短与环境温度无关介质发热不显著3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电击穿发生的场合介质电导小、散热条件很好、内部无局部放电时发生3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论热击穿阴极阳极+-+-+-热效应熔化、烧穿、碳化3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论热击穿的影响因素介质损耗导热、散热系数介质厚度环境温度3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电化学击穿阴极阳极电、光、热切断、氧化、碳化击穿局部放电3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电化学击穿局部放电局部放电劣化过程有机/无机不可逆性3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电化学击穿电树枝击穿高场强下形成的电致裂纹现象物理化学机械3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电化学击穿漏电痕迹湿污漏流干燥带电弧碳化漏流增大新干燥带碳化加剧击穿高压接地3.3固体介质的击穿一、固体介质的击穿理论电化学击穿漏电痕迹漏电痕迹气压温度介质种类湿污程度3.3固体介质的击穿二、固体介质击穿电压的影响因素电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系

电压作用时间3.3固体介质的击穿二、固体介质击穿电压的影响因素温度3.3固体介质的击穿二、固体介质击穿电压的影响因素受潮受潮介损增大热击穿击穿电压下降不易吸潮PE、PTFE易吸潮纤维材料（棉纱、纸）3.3固体介质的击穿二、固体介质击穿电压的影响因素累积效应过电压（雷击、操作）电压较低或作用时间较短局部击穿、碳化、熔化日积月累，贻害绝缘3.4组合绝缘的电气强度为何要采用组合绝缘？单种绝缘，各类性能难以完善（机械、耐热、电气）。如GIS母线支撑绝缘子。组合绝缘：采各家之长，补各家之短。理想/原则：让组合绝缘中的电场按照各个介质的电气强度分布。3.4组合绝缘的电气强度本节主要介绍的组合绝缘类型油-屏障绝缘油浸纸绝缘分阶绝缘3.4组合绝缘的电气强度一、油—屏障式绝缘1、覆盖材料：1mm的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展适用情况：油品质越差，覆盖层的效果越显著覆盖覆盖3.4组合绝缘的电气强度一、油—屏障式绝缘2、绝缘层材料：厚可达几十毫米作用机理：阻碍小桥形成、改善电场适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环、充油套管的导电杆包有绝缘层）绝缘层绝缘层3.4组合绝缘的电气强度一、油—屏障式绝缘2、绝缘层材料：厚度为2~7mm的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层压板作用机理：能机械地阻隔杂质小桥改善电场分布适用情况：不均匀电场中效果显著较均匀电场中也有效果屏障+-----------3.4组合绝缘的电气强度二、油纸绝缘纸：带有空隙，易吸潮；经油浸泡后，电气强度可大增，其组合绝缘强度可达500-600kV/cm，远大于绝缘各自的击穿强度。油纸绝缘电缆3.4组合绝缘的电气强度三、分阶绝缘均匀介质双层电场模型3.4组合绝缘的电气强度平行平板电极间距离为