高電壓技術應用第二章液體固體介質絕緣

1、第二章 液體、固體介質的絕緣強度液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣，常用的液體和固體介質為： 液體介質：變壓器油、電容器油、電纜油 固體介質：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠電介質的電氣特性表現(xiàn)在電場作用下的 導電性能 介電性能 電氣強度2.1電介質的極化、電導和損耗一 、介質的極化和相對介電常數(shù)電介質的極化: 正常情況下，任何電介質都是呈中性的。但在電場作用下，其電荷質點就會沿電場方向產(chǎn)生有限的位移，這種現(xiàn)象稱為電介質的極化。介電常數(shù)來表示極化強弱。平行平板電容器在真空中的電容為當極板間插入固體介質后，電容為式中 A極板面積，cm2; d極間距離，cm；介質的介電常數(shù) 0真空

2、的介電常數(shù)，0=8.8610-14F/cm定義 為介質相對介電常數(shù)。 氣體r接近于1，液體和固體大多在26之間1）電子式位移極化 任何介質都是由原子組成，原子為帶正電荷的原子核和帶負電荷的外層電子組成，其電荷量相等，且正負電荷作用中心重合，對外不顯電性。 在外電場的作用下，原子外層電子軌道相對于原子核產(chǎn)生位移，其正、負電荷作用中心不再重合，對外呈現(xiàn)出一個電偶極子的狀態(tài)。二、極化的形式2）離子式位移極化 固體有機化合物多屬離子式結構，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在無外電場時，正、負離子對稱排列，各離子對的偶極矩互相抵消，故平均偶極矩為零。 在外電場作用下，正、負離子將發(fā)生相反方向的偏移，使平均偶極

3、矩不再為零，而形成電矩，對外呈現(xiàn)出電性。3）偶極子極化偶極子：正、負電荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正電荷，另一端呈負電荷，分子本身就是一個永久性的偶極矩。極性介質：由永久性偶極子構成的介質叫極性介質。 單個偶極子雖具有極性，但無電場時，整個介質分子處于不停的熱運動狀態(tài)，宏觀上正負電荷平衡，對外不顯電性。 在外電場的作用下，原來混亂分布的極性分子沿電場方向作定向排列，因而呈現(xiàn)出極性。無外電場時有外電場時4）夾層極化 在高壓設備中，常應用多種介質絕緣，如電纜、電容器、電機和變壓器繞組等，兩層介質中常夾有油層、膠層等，這時在介質的分界面上產(chǎn)生“夾層極化”現(xiàn)象。夾層介質界面極化合閘瞬間：到達穩(wěn)

4、定：介質不均勻電壓重新分配放電時間：由于G很小，所以極化速度非常緩慢。電子式極化離子式極化偶極子極化夾層極化無損極化有損極化電介質的極化 任何電介質都不是理想的絕緣體，在它們內部總有一些聯(lián)系較弱的帶電質點存在。 在外電場作用下，這些帶電質點作定向運動，形成電流。 因而任何電介質都具有電導。2.1.2 電介質的電導（1）泄漏電流和絕緣電阻 在電介質上加上直流電壓，初始瞬時由于各種極化的存在，流過介質的電流很大，之后隨時間而變化。經(jīng)過一定時間后，極化過程結束，流過介質的電流趨于一定值I，這一穩(wěn)定電流以稱為泄漏電流，與之相應的電阻稱為電介質的絕緣電阻。這個電阻值包括了絕緣介質的體積絕緣電阻和表面絕緣

5、電阻。電介質的泄漏電流和絕緣電阻ic-充電電流：為無損極化對應的純電容電流ia-吸收電流：為有損極化對應的電流(主要為夾層極化)ig-泄漏電流：為電介質中的離子或電子移動形成的電流，不隨時間變化絕緣電阻：(一)電介質的損耗及介質損失角正切 介質在電壓作用下有能量損耗。一種是電導引起的損耗；另一種是由有損極化引起的損耗。在直流電壓下，由于無周期性極化過程，因此，當外施電壓低于發(fā)生局部放電電壓時，介質損耗中仍由電導引起，此時用絕緣電阻就足以表達，而在交流電壓下，除了電導損耗外，還由于存在周期性極化引起的損耗，所以，定義為：在交流電壓下，介質的有功功率損耗為介質損耗。、電介質的能量損耗交流時：流過電

6、介質的電流：電源提供的視在功率：介質損耗(有功損耗)對同類試品絕緣的優(yōu)劣可用tg來代替P值，對絕緣進行判斷tg取決于材料的特性，與材料尺寸無關：（二） 有損介質的等值電路分析并聯(lián)電路：串聯(lián)電路：(a)損耗主要由電導引起采用并聯(lián)(b)損耗主要由極化引起采用串聯(lián)實際上，電導損耗和極化損耗都同時存在介質等值電路可用三個并聯(lián)支路表示C0：反映電子式和離子式極化Ca、ra：反映吸收電流，表示 有損極化R：反映電導損耗，該支路流過 的電流為泄漏電流C0CaraR （2）.影響介質損耗的因素 溫度 頻率 電壓 氣體中的 tan與電壓的關系 氣體的介質損耗 氣體中的電場強度達到放電起始電壓U0時，氣體中發(fā)生局

7、部放電，這時損耗將急劇增大。極性液體介質與溫度的關系 液體的介質損耗損耗主要由電導引起，極性液體介質的損耗tg與溫度的關系如圖所示。在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小， 液體的粘度 ，偶極子轉向極化 ，電導損耗 并在tt1時達到極大值； t在t1tt2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升 、極化損耗不斷減小 而退居次要地位，因而就隨時間t的上升而持續(xù)增大 。電力系統(tǒng)中電源頻率固定為50Hz，一般頻率只有很小變化，可視為對 tan無影響 .2-2 液體介質的擊穿一旦作用于固體和液體介質的電場強度增大到一定程度時，在介質中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象就不再限于前面介紹的極化、電導和介質損耗了。與氣體介質相似，液體和

8、固體介質在強電場(高電壓)的作用下，也會出現(xiàn)由介質轉變?yōu)閷w的擊穿過程。 一、液體介質的擊穿機理（一）純凈液體介質的擊穿理論電子碰撞電離理論（電擊穿理論） 在外電場足夠強時，電子在碰撞液體分子可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時正離子在陰極附近形成空間電荷層增強了陰極附近的電場，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導致液體介質擊穿。 液體的擊穿機理很復雜。到目前為止都是用氣泡(“小橋”)理論進行定性的分析。氣泡擊穿理論（小橋理論） 液體中由于某些原因出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質中電場強度的分布與介質的相對介電常數(shù)r 成反比。由于氣泡的r 最小，其電氣強度又比液體介質低很多，所以氣泡必先發(fā)生電離。

9、 氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導致氣體通道擴大。許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。 影響液體介質擊穿的因素和改進措施 1.油品質的影響 液體中所含雜質成分及數(shù)量對液體介質中的擊穿電壓有顯著影響 在標準油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓和含水量的關系 水分、雜質對變壓器油擊穿電壓的影響 2.溫度的影響變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關系l干燥的油；2潮濕的油 變壓器油的擊穿電壓與電壓作用時間的關系 3.電壓作用時間的影響3、電場均勻度 優(yōu)質油：保持油不變，而改善電場均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增

10、大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。 品質差的油：改善電場對于提高其工頻擊穿電壓的效果較差。 在沖擊電壓下，由于雜質來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質好壞幾乎無關。 5.壓力的影響 變壓器工頻擊穿電壓與壓力的關系 改進措施(1)提高以及保持油的品質 過濾、防潮、防塵(2)改進絕緣結構以減小雜質的影響 機理：阻止雜質小橋的形成和發(fā)展 固體介質擊穿后材料中留下有不能恢復的痕跡，如燒焦或熔化的通道、裂縫等，即使去掉外施電壓，也不象氣體、液體介質那樣能自行恢復絕緣性能，固體介質為非自恢復絕緣。 固體介質的擊穿可分為三種：電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿。2.3 固體介質的擊

11、穿 2.3.1 固體介質的擊穿機理1. 電擊穿 在強電場作用下，介質內的少量自由電子得到加速，產(chǎn)生碰撞電離，使介質中帶點質點數(shù)目增多，導致?lián)舸?特點：施加電場高，作用時間短，介質溫度不高； 2. 熱擊穿 熱擊穿是由于電介質內部熱不穩(wěn)定過程所造成的。當固體電介質加上電場時，電介質中發(fā)生的損耗將引起發(fā)熱，使介質溫度升高。 特點：施加電場稍低，作用時間稍長。特點：施加電場低，作用時間長。由于介質逐步老化，導致絕緣性能下降，以致絕緣在工作電壓下或短時過電壓下發(fā)生擊穿，稱此擊為電化學擊穿。3. 電化學擊穿影響固體介質擊穿的因素和改進措施 1.電壓作用時間 電工紙板的伏秒特性 外施電壓作用時間對擊穿電壓的影響很大 2.溫度工頻下電瓷的擊穿電壓與溫度的關系 應改善絕緣的工作條件，加強散熱冷卻，防止臭氧及有害氣體與絕緣介質接觸等。 3.電場均勻程度 均勻致密的介質，在均勻電場中的擊穿電壓較高，且與介質厚度有直線關系；在不均勻電場下，擊穿電壓隨介質厚度增加而下降，當厚