第5章 液體與固體介質(zhì)的電氣特性

1、高電壓工程基礎(chǔ)高電壓工程基礎(chǔ)施圍 邱毓昌 張喬根（西安交通大學(xué)）編著劉青（西安科技大學(xué)）制作第第5 5章章 液體和固體介質(zhì)的電氣特性液體和固體介質(zhì)的電氣特性5.1 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗5.2 液體介質(zhì)的擊穿液體介質(zhì)的擊穿5.3 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿5.4 組合絕緣的特性組合絕緣的特性5.5 絕緣的老化絕緣的老化高電壓工程基礎(chǔ)5.1 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗5.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化1. 介電常數(shù)、相對介電常數(shù)介電常數(shù)、相對介電常數(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

2、間距離，cm；介質(zhì)的介電常數(shù) 0真空的介電常數(shù)，0=8.8610-14F/cm定義 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 00ACdACdr00CC高電壓工程基礎(chǔ)2. 極化極化 概念：在外加電場的作用下，固體介質(zhì)中原來彼此中和的正、負(fù)電荷產(chǎn)生了位移，形成電矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷，即極板上電荷增多，因而使電容量增大。 分類：高電壓工程基礎(chǔ)電子式極化離子式極化偶極子極化界面極化無損極化無損極化有損極化有損極化（1）電子式極化）電子式極化存在于一切物質(zhì)中；極化所需的時間極短，約10-15s ；具有彈性，沒有損耗；溫度對電子式極化影響不大。（2）離子式極化）離子式極化彈性極化；極化過程所需的時間很短，約10-

3、13s；溫度對此極化存在一定影響，r一般具有正的溫度系數(shù)。（3）偶極子極化）偶極子極化轉(zhuǎn)向極化，非彈性；極化所需的時間較長，約10-10s10-2s；r在低溫下先隨溫度的升高而增加，以后當(dāng)熱運(yùn)動變得強(qiáng)烈時，r又隨溫度上升而減小。 高電壓工程基礎(chǔ)高電壓工程基礎(chǔ)材料類別名稱r（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2.22.52.22.8 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2.02.52.252.35極性聚氯乙烯3.24離子性云母電瓷575.56.55.1.2 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，

4、表征電導(dǎo)的參數(shù)是電導(dǎo)率，在高電壓工程中一般常用電阻率來表征介質(zhì)的絕緣電阻。液體與固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度有下述關(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； 電導(dǎo)活化能； k波爾茲曼常數(shù)。 高電壓工程基礎(chǔ)ekTA1. 體積電阻體積電阻 體積電阻率為： 體積電導(dǎo)率為： 其中， d（cm）為電介質(zhì)厚度， S（cm2）為電極表面積。體積電阻的測量電路高電壓工程基礎(chǔ)vvSRdvvvv11 ddGR SS2. 表面電阻表面電阻 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）為電極長度。sslRdssss11 ddGR ll表面電阻的測量電路高電壓工程基礎(chǔ)5.

5、1.3 電介質(zhì)的能量損耗電介質(zhì)的能量損耗高電壓工程基礎(chǔ) 電介質(zhì)的能量損耗簡稱介質(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：2tantanPQUC P值和試驗電壓、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tan來判斷介質(zhì)的品質(zhì)。 對于有損介質(zhì)，電導(dǎo)損耗和極化損耗都是存在的，可用三個并聯(lián)支路的等值回路來表示。 高電壓工程基礎(chǔ) 有損介質(zhì)可用電阻、電容的串聯(lián)或并聯(lián)等值電路來表示。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（1）氣體介質(zhì)

6、的損耗）氣體介質(zhì)的損耗高電壓工程基礎(chǔ) 當(dāng)電場強(qiáng)度不足以產(chǎn)生碰撞電離時，氣體中的損耗是由電導(dǎo)引起的，損耗極小（tan U2 U3 發(fā)熱曲線3與散熱曲線有兩個交點(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 高電壓工程基礎(chǔ)5.3.3 電化學(xué)擊穿電化學(xué)擊穿 對絕緣施加電壓幾個月甚至幾年后，擊穿場強(qiáng)仍在下降，這是由于介質(zhì)長期加電壓引起介質(zhì)劣化。絕緣劣化的主要原因往往是介質(zhì)內(nèi)氣隙的局部放電造成的。 介質(zhì)中可長期存在局部放電而并不擊穿。局部放電產(chǎn)生的活性氣體如O3，N

7、O，NO2等對介質(zhì)將產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，此外由于帶電粒子對介質(zhì)表面的撞擊，也會使介質(zhì)受到機(jī)械的損傷和局部的過熱，導(dǎo)致介質(zhì)的劣化。 高電壓工程基礎(chǔ)空氣隙的電容 與氣隙串聯(lián)的介質(zhì)電容 絕緣完好部分的電容 CmCgCb 局部放電的等效電路 高電壓工程基礎(chǔ)電極間加上瞬時值為u的交流電壓時，Cg上的電壓瞬時值ug為: bggbCuuCC氣隙的放電電壓 氣隙的放電熄滅電壓 高電壓工程基礎(chǔ)真實放電量：mbrggrgbgrmb()()()C CqCUUCCUUCC視在放電量：bgmbgC CqU CCC 不可測量brgbCqqCC 真實放電量與視在放電量關(guān)系：單次局部放電的能量：i12WqU（Ui 為氣泡放電

8、時試品上的電壓）高電壓工程基礎(chǔ)5.4 組合絕緣的特性組合絕緣的特性5.4.1 油屏障絕緣與油紙絕緣的特點(diǎn)油屏障絕緣與油紙絕緣的特點(diǎn) 油: 主要絕緣介質(zhì)，因為有很好的冷卻作用。屏障: 改善油間隙中電場分布和阻止雜質(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強(qiáng)比交流擊穿場強(qiáng)高得多因為直流電壓作用下油與紙的場強(qiáng)分配比交流時合理 高電壓工程基礎(chǔ)5.4.2 油屏障絕緣與油紙絕緣的特點(diǎn)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2 時使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高電壓工程基礎(chǔ)介質(zhì)2介質(zhì)1在介質(zhì)2中發(fā)生折射 t11n1n21t22n12n2tantanEEEEEE高電壓工程基礎(chǔ)P點(diǎn)處等位面受到壓縮，使這一點(diǎn)的場強(qiáng)大大增加，在絕緣設(shè)計時對這一現(xiàn)象必須加以注意！高電壓工程基礎(chǔ)5.4.3 電場調(diào)整的方法電場調(diào)整的方法 采用分階絕緣的電力電纜12n，且1r1=2r2=nrn=常數(shù)。離纜芯較遠(yuǎn)的介質(zhì)層也能得到充分的利用，因此可使電纜尺寸縮小。 GIS中的環(huán)氧盤形支撐絕緣子 高電壓工程基礎(chǔ)采用等厚度的盤形支撐絕緣子時，沿面電位分