液體固體電介質(zhì)的電氣性能

液體固體電介質(zhì)的電氣性能第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日電介質(zhì)在電場作用下的電氣特性弱電場極化電導損耗強電場擊穿第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)電介質(zhì)的極化、電導和損耗一、電介質(zhì)的極化及相對介電常數(shù)電介質(zhì)在電場中發(fā)生的束縛電荷的彈性位移和偶極子的轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。2.電介質(zhì)的相對介電常數(shù)設平板電極處于真空中，其電容量為C0，則：1.極化的定義第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日其中Q0---極板上的電荷量ε0---真空的介電常數(shù)當平板電極間用介質(zhì)取代真空時，其電容量為C，則：ε---介質(zhì)的介電常數(shù)第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日同一電極下充滿介質(zhì)電容器的電容量和真空電容器的電容量之比，即為相對介電常數(shù)，反映極化現(xiàn)象強弱的指標，與溫度和頻率有關。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3.極化的基本形式(1)無損極化根據(jù)極化過程中是否伴隨能量損耗，極化可分為：無損極化有損極化1)電子位移極化：由電子軌跡偏移引起，存在于一切電介質(zhì)中。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日特點：a、瞬時建立b、完全彈性的，不消耗電場能量2)離子位移極化：由束縛的正負離子間的相對位移引起，存在于離子性電介質(zhì)中。特點：a、瞬時建立；b、彈性極化；c、隨溫度升高，極化稍有增加。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日(2)有損極化1)轉(zhuǎn)向極化：由極性分子的轉(zhuǎn)向、排列引起，存在于極性電介質(zhì)中。特點：a、存在于極性電介質(zhì)中；b、極化建立需要一定時間；c、非彈性的，有能量損耗；d、溫度對其有影響，不是單值關系，有最大值。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2)夾層極化：由分層介質(zhì)之間的電荷重新分配引起，存在于復合介質(zhì)或不均勻介質(zhì)中。兩種不同介質(zhì)串聯(lián)，突然加上直流電壓，兩層介質(zhì)的電容和電導分別用C1、G1和C2、G2表示，合閘瞬間：絕緣層上的電壓將與介質(zhì)的電容成反比分配，即：第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日穩(wěn)態(tài)時：絕緣層上的電壓將與介質(zhì)的電導成反比分配，即：特點：a、極化過程緩慢；b、有能量損耗。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4.極化在工程實際中的應用（1）選擇絕緣。（2）多層介質(zhì)的合理配合。（3）介質(zhì)損耗與極化類型有關，而介質(zhì)損耗是絕緣老化和熱擊穿的一個重要影響因素。（4）夾層極化現(xiàn)象在絕緣預防性試驗中，可用來判斷絕緣狀況。第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日二、電介質(zhì)的電導1.電導的定義電場作用下，電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點作有向移動而形成電流的現(xiàn)象。2.電介質(zhì)電導與金屬電導的本質(zhì)區(qū)別(1)電介質(zhì)電導是離子性的，而金屬電導是電子性的；(2)電介質(zhì)電導很小，金屬電導很大；(3)電介質(zhì)電導具有正的溫度系數(shù)，金屬電導具有負的溫度系數(shù)。第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3.吸收現(xiàn)象加直流電壓U于介質(zhì)時，其中流過的電流可分解為三個分量：第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日ic---電容電流分量：電源對幾何電容充電及無損極化所引起的電流；存在時間短，很快衰減至零；ia---吸收電流分量：由有損極化所引起的電流；衰減較慢，存在時間長---此緩慢衰減過程稱為吸收現(xiàn)象；Ig---泄漏電流分量：由電介質(zhì)中的離子移動引起；不隨時間改變。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日電介質(zhì)的絕緣電阻：第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4.電介質(zhì)的電導（1）氣體電介質(zhì)的電導:（2）液體電介質(zhì)的電導:

構(gòu)成液體電介質(zhì)電導的主要因素有兩種：離子電導和電泳電導。離子電導是由液體本身分子或雜質(zhì)的分子離解出來的離子造成的；電泳電導是由荷電膠體質(zhì)點造成的。第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日所謂荷電膠體質(zhì)點即固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成了膠體質(zhì)點，例如變壓器油中懸浮的小水滴，它吸收離子后成為荷電膠體質(zhì)點。離子電導的大小和分子極性及液體的純凈程度有關。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（3）固體電介質(zhì)的電導分為體積電導和表面電導，構(gòu)成固體電介質(zhì)電導的主要因素是離子電導。非極性和弱極性固體電介質(zhì)的電導主要是由雜質(zhì)離子造成的，對于偶極性固體電介質(zhì)，因本身分子能離解，所以其電導是由本身和雜質(zhì)離子共同造成的

。對于離子性電介質(zhì)，電導的大小和離子本身的性質(zhì)有關。

第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日RV---體積泄漏電阻RS---表面泄漏電阻固體電介質(zhì)的表面電導主要由表面吸附的水分和污物引起，介質(zhì)表面干燥、清潔時電導很小。介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關。

有親水性介質(zhì)和憎水性介質(zhì)。所以，介質(zhì)的絕緣電阻實際上是體積電阻和表面電阻兩者的并聯(lián)值

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日5.影響電介質(zhì)電導的主要因素(1)溫度離子電導隨溫度的升高而增加。

(2)雜質(zhì)由于雜質(zhì)中的離子數(shù)較多，因此當介質(zhì)中的雜質(zhì)增多時，其電導會明顯增加。各類雜質(zhì)中水分的影響最大。A、B---常數(shù)T—絕對溫度第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日6.電介質(zhì)電導在工程實際中的應用（1）串聯(lián)的多層電介質(zhì)在直流電壓作用下，各層電壓分布與電導成反比，因此設計用于直流的電氣設備時要注意所用電介質(zhì)的電導率，盡量使材料得到合理的使用。（2）注意環(huán)境濕度對固體電介質(zhì)表面電導的影響，注意親水性材料的表面防水處理。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（3）在絕緣預防性試驗中，通過測量介質(zhì)的絕緣電阻和泄漏電流來判斷絕緣是否存在受潮或其他劣化現(xiàn)象。

第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日三、電介質(zhì)的損耗1.定義在外加電壓作用下，電介質(zhì)在單位時間內(nèi)消耗的能量稱為介質(zhì)損耗。2.介質(zhì)損耗的基本形式（1）電導損耗：由電介質(zhì)中的泄漏電流引起，交、直流電壓下都存在，一般很小。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（3）游離損耗：（2）極化損耗：由有損極化所引起的；僅存在于交流電壓下，在直流電場中，極化的建立過程僅在加壓瞬間出現(xiàn)一次，可略去。電場中局部電場集中處，當電場強度超過起始游離場強時，將出現(xiàn)游離放電而造成能量損耗；存在于交、直流強電場中。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3.介質(zhì)損耗的指標電介質(zhì)等值電路可簡化為并聯(lián)和串聯(lián)電路兩種形式，對并聯(lián)電路：（1）直流電壓下：γ（2）交流電壓下：tgδ第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日對串聯(lián)電路：對串、并聯(lián)電路，有：P1=P2一般tgδ＜＜1，即tg2δ0,所以CP≈CS=C,則P=P1=P2=U2ωCtgδ第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4.電介質(zhì)的損耗及其影響因素影響電介質(zhì)損耗的因素主要有溫度、頻率和電壓。不同的電介質(zhì)所具有的損耗形式不同，從而溫度、頻率和電壓對電介質(zhì)損耗的影響也不同。5.介質(zhì)損耗在工程實際中的應用（1）選擇絕緣；（2）在絕緣預防性試驗中判斷絕緣狀況；（3）介質(zhì)損耗引起的發(fā)熱有時也可以利用。

第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)液體電介質(zhì)的擊穿特性一、液體介質(zhì)的擊穿機理1.純凈液體介質(zhì)的擊穿過程----電擊穿2.工程用液體介質(zhì)的擊穿過程----小橋理論液體介質(zhì)中的雜質(zhì)在電場作用下集中于電極間，排成雜質(zhì)小橋，使泄漏電流增加，局部發(fā)熱，油及水分汽化，形成氣體橋，沿氣體橋擊穿。第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日二、影響液體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素1.液體介質(zhì)品質(zhì)的影響油品質(zhì):油在標準油杯中的工頻擊穿電壓值（kV）。（1）含水量分子狀態(tài)溶解于油中小水珠狀態(tài)懸浮于油中--對油的擊穿電壓影響不大；--會產(chǎn)生極化，在電極間排成導電小橋，對油的擊穿電壓影響大；水份過多，沉淀在油底部--常溫下影響不大，隨溫度及其他條件的變化可能轉(zhuǎn)化為懸浮狀態(tài)的水，對油的擊穿電壓影響大。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（2）含纖維量（3）含氣量分子狀態(tài)溶解于油中--對油的耐電強度影響不大；自由狀態(tài)的氣體--在電場作用下，易形成小橋，油的耐電強度明顯下降。第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日（4）含碳量來源：運行中出現(xiàn)的電弧高溫使絕緣油分解而產(chǎn)生碳粒。影響：新生的活性碳粒有很強的吸附水分和氣體的能力，從而使油的擊穿強度提高?？傊?，細而分散的碳粒對油的擊穿強度影響不大，但碳粒吸附水分后沉積在固體介質(zhì)表面，形成油泥，影響散熱，易造成油中沿固體介質(zhì)表面的放電。碳粒導電，散布在油中使附近的局部場強增強，從而使油的擊穿強度下降。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.溫度的影響第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3.電壓作用時間的影響第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4.電場均勻程度的影響第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日5.壓力的影響

不論電場均勻與否，當壓力增加時，工程用變壓器油的工頻擊穿電壓會隨之升高，這個關系在均勻電場中更為顯著，其原因是隨著壓力的增加，氣體在油中的溶解度增加，氣泡的局部放電起始電壓也提高，這兩個因素都將使油的擊穿電壓提高。

第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日三、提高液體介質(zhì)擊穿電壓的方法1.提高并保持油的品質(zhì)（1）過濾（2）防潮（3）祛氣（4）防塵第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.采用油-屏障式絕緣（1）覆蓋層(<1mm)（2）絕緣層(幾十mm）（3）屏障（極間障）（2～7mm）防止雜質(zhì)小橋形成在極不均勻電場中，改變空間電荷分布，均勻電場第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)固體電介質(zhì)的擊穿特性一、固體電介質(zhì)的擊穿機理第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日1.電擊穿（1）電擊穿：由于介質(zhì)中帶電質(zhì)點積聚的數(shù)量和移動的速度達到一定時，形成導電通道。（2）特點：a.所需時間短，擊穿場強高；b.擊穿電壓與環(huán)境溫度無關；c.電場均勻程度對擊穿電壓有顯著影響。第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.熱擊穿（1）熱擊穿：由于介質(zhì)損耗，引起局部發(fā)熱，若發(fā)熱量大于散熱量，使局部介質(zhì)分解、炭化、燒裂而引起導電通道。（2）特點：a.介質(zhì)溫度特別高(熱積累也需要一定時間)；b.熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高按指數(shù)規(guī)律下降；c.隨外施電壓作用時間的增長而下降；第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

d.介質(zhì)厚度增大時，介質(zhì)的平均擊穿場強下降；

e.當電壓頻率升高時，熱擊穿電壓下降。第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日3.電化學擊穿（1）電化學擊穿：在運行中長期受到電、熱、化學和機械力等的作用，使其物理、化學性能發(fā)生不可逆的劣化，最終導致的擊穿。（2）特點：

a.所需時間長；b.擊穿電壓低。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日二、影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素1.電壓作用時間2.電場均勻程度和介質(zhì)厚度3.溫度4.電壓種類5.受潮6.累積效應7.機械負荷第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日三、提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的措施1.改進絕緣設計2.改進制造工藝3.改善運行條件第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第六節(jié)電介質(zhì)的老化一、電老化

電介質(zhì)在電場的長時間作用下，其物理、化學性能會逐漸發(fā)生不可逆的劣化，最終導致電介質(zhì)的擊穿，這個過程稱為電老化。電老化的產(chǎn)生主要是由于高壓電氣設備絕緣內(nèi)部不可避免地存在有某些缺陷。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日二、熱老化

電介質(zhì)在長期受熱的情況下，其絕緣性能會發(fā)生不可逆的劣化，這就是電介質(zhì)的熱老化。熱老化的進程與電介質(zhì)的工作溫度有關，溫度升高熱老化過程加快。各種電介質(zhì)都有一定的耐熱性能，電介質(zhì)的最高允許溫度是由其耐熱性能決定的。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日IEC規(guī)定的電工絕緣材料的耐熱等級（最高持續(xù)溫度）：Y（O）AEBFHC90105120130155180220℃如果材料使用溫度超過上述規(guī)定，絕緣材料就將迅速老化，壽命大大縮短。實驗表明，對A級絕緣，溫度每增加8℃，則壽命縮短一半左右，這通常稱為熱老化的8℃原則。對B級和H級絕緣材料而言，當溫度每升高10℃和12℃時，壽命也將縮短一半。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第七節(jié)組合絕緣的擊穿特性高壓電氣設備的絕緣在具有優(yōu)異的電氣性能的基礎上，還應同時具有良好的熱性能、機械性能及其他一些物理-化學特性，單一品種的電介質(zhì)是很難同時滿足以上要求的，所以實際電氣設備的絕緣通常都不是由單一的電介質(zhì)構(gòu)成的，而是由多種電介質(zhì)組合而成。

第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日一、組合絕緣的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗1.介電常數(shù)組合絕緣的相對介電常數(shù)ε為

--固體電介質(zhì)的相對介電常數(shù)

--浸漬介質(zhì)的相對介電常數(shù)第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.介質(zhì)損耗組合絕緣的組合絕緣的總介質(zhì)損失角正切為--固體電介質(zhì)的介質(zhì)損失角正切--浸漬介質(zhì)的介質(zhì)損失角正切第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日二、組合絕緣的擊穿特性

組合絕緣的整體擊穿電壓取決于外加電壓在組合絕緣中各電介質(zhì)上的電壓分布。

理想的電壓分布應該是各層電介質(zhì)所承受的場強與該層介質(zhì)的耐電強度成正比，這樣整個