液體和固體介質(zhì)的電氣特性課件

高電壓技術(shù)5液體和固體介質(zhì)的電氣特性5.1電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗5.2液體介質(zhì)的擊穿5.3固體介質(zhì)的擊穿5.4組合絕緣的特性5.5絕緣的老化5.1電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗5.1.1電介質(zhì)的極化1.介電常數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)平行平板電容器在真空中的電容量為當(dāng)極板間插入固體介質(zhì)后，電容量為式中A－極板面積，cm2；d－極間距離，cm；ε－介質(zhì)的介電常數(shù)

ε0－真空的介電常數(shù)，ε0=8.86×10-14F/cm定義為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

（1）電子式極化存在于一切物質(zhì)中；極化所需的時(shí)間極短，約10-15s；具有彈性，沒(méi)有損耗；溫度對(duì)電子式極化影響不大。（2）離子式極化彈性極化；極化過(guò)程所需的時(shí)間很短，約10-13s；溫度對(duì)此極化存在一定影響，εr一般具有正的溫度系數(shù)。（3）偶極子極化轉(zhuǎn)向極化，非彈性；極化所需的時(shí)間較長(zhǎng)，約10-10s～10-2s；εr在低溫下先隨溫度的升高而增加，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得強(qiáng)烈時(shí)，εr又隨溫度上升而減小。材料類別名稱εr（工頻，20℃）氣體介質(zhì)空氣（大氣壓）1.00059液體介質(zhì)弱極性變壓器油硅有機(jī)液體2.2~2.52.2~2.8極性蓖麻油4.5強(qiáng)極性丙酮酒精水223381固體介質(zhì)中性或弱極性石蠟聚乙烯2.0～2.52.25～2.35極性聚氯乙烯3.2～4離子性云母電瓷5～75.5～6.55.1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，表征電導(dǎo)的參數(shù)是電導(dǎo)率γ，在高電壓工程中一般常用電阻率ρ來(lái)表征介質(zhì)的絕緣電阻。液體與固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率γ與溫度有下述關(guān)系：式中

A－常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)；T－熱力學(xué)溫度，單位為K；ф－電導(dǎo)活化能；k－波爾茲曼常數(shù)。

2.表面電阻

表面電阻率為：

表面電導(dǎo)率為：

其中，d（cm）為電介質(zhì)厚度，

l（cm）為電極長(zhǎng)度。表面電阻的測(cè)量電路5.1.3電介質(zhì)的能量損耗

電介質(zhì)的能量損耗簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和由極化引起的損耗。

介質(zhì)損耗為：P值和試驗(yàn)電壓、試品電容量等因素有關(guān)，不同試品間難于互相比較，所以改用介質(zhì)損失角的正切tanδ來(lái)判斷介質(zhì)的品質(zhì)。

對(duì)于有損介質(zhì)，電導(dǎo)損耗和極化損耗都是存在的，可用三個(gè)并聯(lián)支路的等值回路來(lái)表示。

有損介質(zhì)可用電阻、電容的串聯(lián)或并聯(lián)等值電路來(lái)表示。主要損耗是電導(dǎo)損耗，常用并聯(lián)等值電路；主要損耗由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻等引起，常用串聯(lián)等值電路。

R反映電導(dǎo)損耗

C0反映電子式和離子式極化C′，r支路反映吸收電流（2）液體介質(zhì)的損耗

中性或弱極性液體介質(zhì)：電導(dǎo)損耗，損耗較小。極性液體及極性和中性液體的混合油：電導(dǎo)和極化損耗，所以損耗較大，而且和溫度、頻率都有關(guān)系，如圖。

電導(dǎo)損耗占主要部分，tanδ重新隨溫度上升而增加

T升高，液體粘度減小，偶極子極化增強(qiáng)，極化損耗增加

分子熱運(yùn)動(dòng)加快，極化強(qiáng)度減弱，極化損耗減小

（3）固體介質(zhì)的損耗分子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)：中性：主要電導(dǎo)損耗，損耗極小，如石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；極性：tanδ值較大，與溫度、頻率的關(guān)系和極性液體相似，如紙、纖維板和聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹(shù)脂等，離子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)：主要電導(dǎo)損耗，損耗極小，如云母等；不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)：損耗取決于其中各成分的性能和數(shù)量間的比例，如云母制品、油浸紙、膠紙絕緣等；強(qiáng)極性電介質(zhì)：在高壓設(shè)備中極少使用。5.2液體介質(zhì)的擊穿純凈的液體介質(zhì)：擊穿過(guò)程與氣體擊穿的過(guò)程很相似，但其擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（很小的均勻場(chǎng)間隙中可達(dá)到1MV/cm）工程用的液體介質(zhì)：擊穿場(chǎng)強(qiáng)很少超過(guò)300kV/cm，一般在200kV/cm~250kV/cm的范圍內(nèi)（以上擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均指在標(biāo)準(zhǔn)試油杯中所得數(shù)據(jù)）

原因：工程液體介質(zhì)的擊穿是由液體中的氣泡或雜質(zhì)等引起的，即氣泡或雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下在電極間排成“小橋”，引起擊穿，即“小橋理論”。

（1）雜質(zhì)的影響水分：極微量的水分可溶于油中，對(duì)油的擊穿強(qiáng)度沒(méi)有多大影響。影響油擊穿的是呈懸浮狀態(tài)的水分。

標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓Ub和含水量W的關(guān)系

W為1×10-4時(shí)已使油的擊穿強(qiáng)度降得很低。含水量再增大時(shí)，影響不大

5.2.1影響液體介質(zhì)擊穿的因素（2）溫度的影響干燥的油受潮的油標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系

干燥油的擊穿強(qiáng)度與溫度沒(méi)有多大關(guān)系

0～80℃，Ub提高（水分溶解度增加）溫度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0℃，Ub提高（水滴凍結(jié)成冰粒）

（3）油體積的影響變壓器油中水分含量為31×10-6時(shí)的Ub與d的關(guān)系稍不均勻電場(chǎng)T=100℃稍不均勻電場(chǎng)T=20℃極不均勻電場(chǎng)T=20℃隨著間隙長(zhǎng)度的增加變壓器油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降

（4）電壓形式的影響雜質(zhì)形成小橋所需的時(shí)間，比氣體放電所需時(shí)間長(zhǎng)，因此油間隙的沖擊擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度要高得多。極不均勻電場(chǎng)中沖擊系數(shù)約為1.4~l.5，均勻場(chǎng)中可達(dá)2或更高。-1.2/50μs波

+1.2/50μs波

工頻電壓

稍不均勻電場(chǎng)中變壓器油的擊穿電壓與間距的關(guān)系

5.2.2減小雜質(zhì)影響的措施（1）過(guò)濾

使油在壓力下通過(guò)濾油機(jī)中的濾紙，即可將纖維、碳粒等固態(tài)雜質(zhì)除去，油中大部分水分和有機(jī)酸等也會(huì)被濾紙所吸附。

（2）防潮

絕緣件在浸油前必須烘干，必要時(shí)可用真空干燥法去除水分。

（3）祛氣

將油加熱，噴成霧狀，并抽真空，可以達(dá)到去除油中水分和氣體的目的。

（4）用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響

常用措施為覆蓋層、絕緣層和屏障。

5.3固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的固有擊穿強(qiáng)度比液體和氣體介質(zhì)高，其擊穿的特點(diǎn)是擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用的時(shí)間有很大的關(guān)系。

5.3.2熱擊穿概念：絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，會(huì)因電導(dǎo)電流和介質(zhì)極化引起介質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱。介質(zhì)電導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇增大，因此介質(zhì)的發(fā)熱因溫度的升高而增加。如果介質(zhì)中產(chǎn)生的熱量總是大于散熱，則溫度不斷上升，造成材料的熱破壞而導(dǎo)致?lián)舸?。特點(diǎn)：（1）擊穿所需時(shí)間較長(zhǎng)，常常需要幾個(gè)小時(shí)，即使在提高試驗(yàn)電壓時(shí)也常需要好幾分鐘。（2）在直流電壓下，正常未受潮的絕緣很少發(fā)生熱擊穿。介質(zhì)發(fā)熱（曲線1，2，3）及散熱（曲線4）與介質(zhì)溫度的關(guān)系

U1>U2>U3

發(fā)熱曲線3與散熱曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，即熱平衡點(diǎn)Ta和Tc。Ta穩(wěn)定，Tc不穩(wěn)定

曲線2與曲線4相切，只有一個(gè)熱平衡點(diǎn)Tb，但不穩(wěn)定。U2是臨界熱擊穿電壓，Tc則是熱擊穿的臨界溫度

根本不存在熱平衡點(diǎn)，必然發(fā)生熱擊穿電極間加上瞬時(shí)值為u的交流電壓時(shí)，Cg上的電壓瞬時(shí)值ug為:

氣隙的放電電壓

氣隙的放電熄滅電壓真實(shí)放電量：視在放電量：不可測(cè)量真實(shí)放電量與視在放電量關(guān)系：?jiǎn)未尉植糠烹姷哪芰浚海║i

為氣泡放電時(shí)試品上的電壓）5.4組合絕緣的特性5.4.1油－屏障絕緣與油紙絕緣的特點(diǎn)

油:主要絕緣介質(zhì)，因?yàn)橛泻芎玫睦鋮s作用。屏障:改善油間隙中電場(chǎng)分布和阻止雜質(zhì)小橋的形成。

粘浸漬電纜

充油電纜

油紙絕緣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)比交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)高得多因?yàn)橹绷麟妷鹤饔孟掠团c紙的場(chǎng)強(qiáng)分配比交流時(shí)合理

5.4.2油－屏障絕緣與油紙絕緣的特點(diǎn)

（1）介質(zhì)界面與等位面重合的情況

在極間絕緣距離d=d1+d2不變的情況下，增大ε2

時(shí)使E2減小，但卻使E1增大。

（2）介質(zhì)界面與電極表面斜交的情況介質(zhì)2介質(zhì)1在介質(zhì)2中發(fā)生折射

P點(diǎn)處等位面受到壓縮，使這一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大大增加，在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這一現(xiàn)象必須加以注意！5.4.3電場(chǎng)調(diào)整的方法

采用分階絕緣的電力電纜ε1>ε2>…>εn，且ε1r1=ε2r2=…=εnrn=常數(shù)。離纜芯較遠(yuǎn)的