高電壓技術(shù)第二章

1、第第2章章 液體和固體電介質(zhì)的絕緣特性液體和固體電介質(zhì)的絕緣特性液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣，常用的液體和固體介質(zhì)為：液體介質(zhì)：變壓器油、電容器油、電纜油 固體介質(zhì)：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場作用下的導(dǎo)電性能 介電性能 電氣強度表征參數(shù)：電導(dǎo)率 (絕緣電阻率 )介電常數(shù) 介質(zhì)損耗角正切 tg擊穿電場強度 Eb第一節(jié) 液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)的損耗 一、電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)的極化： 電介質(zhì)在電場作用下，正、負(fù)電荷作微小位移而產(chǎn)生偶極矩，或在電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)極化未加外電場時電

2、介質(zhì)中的粒子 在電介質(zhì)中各粒子的正、負(fù)電荷中心重合各分子的原子(或離子)處在各自的平衡位置，均無感應(yīng)偶極矩極性分子(偶極子)混亂分布，在各個方向的合成偶極矩為零 施加外電場后電介質(zhì)中粒子極化 正、負(fù)電荷的相對位移位移極化 偶極子的轉(zhuǎn)向偶極轉(zhuǎn)向極化 均在電場方向產(chǎn)生偶極矩 夾層介質(zhì)界面極化 夾層介質(zhì)界面極化概念：合閘瞬間兩層介質(zhì)的電壓比由電容決定。穩(wěn)態(tài)時分壓比由電導(dǎo)決定當(dāng)t=0時當(dāng)t=時如 則雙層介質(zhì)的表面電荷不重新分配。但實際上很難滿足上述條件，電荷要重新分配，這樣在兩層 介質(zhì)的交界面處會積累電荷，這種極化形式稱夾層介質(zhì)界面極化電介質(zhì)的介電常數(shù) 相對介電常數(shù)（relative dielectr

3、ic constant， or specific inductive capacity）及其物理意義* 如圖所示，在有電介質(zhì)存在的情況下，電介質(zhì)內(nèi)部的電場強度是極化電荷引起的電場與電極上的真實電荷引起的電場的總和 真空時：單位面積的電荷，場強E0=/0 插入介質(zhì)后：極化電荷密度 介質(zhì)中場強E=(- )/0 r即是插入的介質(zhì)的相對介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)的特性 電工術(shù)語上稱作介電常數(shù)和相對介電常數(shù)r 并不是常數(shù) 隨溫度、頻率而變化 是一虛數(shù)，分實部和虛部 通常使用的是實數(shù)部分 部分氣體的相對介電常數(shù) 環(huán)境條件： 工頻，20,1 atm常見液體介質(zhì)的相對介電常數(shù) 環(huán)境條件：工頻，2

4、0氯化聯(lián)苯的介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系 根據(jù)轉(zhuǎn)向極化的特點，可對介電常數(shù)隨溫度及頻率變化的趨勢作出解釋 T 不變，f 增大r減?。ㄒ驑O化慢，不充分） f 不變，T 升高r先增大后減?。徇\動相關(guān)）部分固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)r 工作條件：工頻，20中性或弱極性電介質(zhì) 石蠟2.02.5 聚乙烯2.252.3 聚苯乙烯2.453.1 松香2.52.6 瀝青2.62.7極性電介質(zhì) 油浸紙3.3 酚醛樹脂塑料4.04.5 聚氯乙稀3.24.0 聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA） 3.34.5離子性或強極性電介質(zhì) 云母5.07.0 電瓷5.56.5 鈦酸鋇幾千 金紅石100討論極化的意義 選擇絕緣：在實際選擇絕

5、緣時，除了考慮電氣強度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r 。對于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r較大的介質(zhì)。對于電纜，為減小電容電流，要選擇r較小的介質(zhì) 多層介質(zhì)的合理配合：對于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其r成反比，要注意選擇r，使各層介質(zhì)的電場分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用 研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù)：極化形成和介質(zhì)損失有關(guān)，要掌握不同極化類型對介質(zhì)損失的影響二、電介質(zhì)的電導(dǎo)幾種材料的電導(dǎo)特性與電阻率電介質(zhì) 電導(dǎo)主要由離子造成 電阻率：1091022 .cm 溫度升高電阻率下降金屬 電導(dǎo)主要由電子造成 電阻率：10-610-2 .cm 溫度升高電阻率增大半導(dǎo)體 電導(dǎo)主要由

6、離子造成 電阻率：102109 .cm 溫度升高電阻率下降 氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)： 吸收特性：氣體中無吸收電流 電導(dǎo)構(gòu)成：帶電粒子在電場中運動 氣體離子的濃度：由外電離因素造成，約為5001000對/cm2電阻率：1022cm 氣體電介質(zhì)中的電流密度場強特性 區(qū)域1：E510-3 V/cm，電流密度j 隨著E增加而增加； 區(qū)域2：當(dāng)E進(jìn)一步增大，j趨向飽和； 以上兩者的電阻率約1022cm量級。 區(qū)域3：當(dāng)場強超過E2103V/cm時，氣體電介質(zhì)將發(fā)生碰撞電離，從而使氣體電介質(zhì)電導(dǎo)急劇增大液體電介質(zhì)的電導(dǎo) 吸收特性：液體中極化發(fā)展快，吸收電流衰減快 電導(dǎo)構(gòu)成：離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo) 電阻率： 非極性1

7、018cm 弱極性1015cm 偶極性1010cm1012cm，由于損耗太大，實際上不使用。 強極性如水、乙醇等實際上已是離子性導(dǎo)電液，不能用作絕緣材料 溫度特性： 離子性電導(dǎo)隨溫度的升高而增加kTAe/ 液體電介質(zhì)中電壓電流特性 區(qū)域1：液體電介質(zhì)的電導(dǎo)在電場比較小的情況下，遵循歐姆定律 區(qū)域2：隨著場強的增大，與氣體相似，有一平坦區(qū)域 區(qū)域3：場強繼續(xù)增大超過某一極限，因Shottky 效應(yīng)電極發(fā)射電子引起電流激增，最終擊穿 固體電介質(zhì)的電導(dǎo) 吸收特性：固體介質(zhì)中電流的吸收現(xiàn)象比較明顯 電導(dǎo)構(gòu)成：離子電導(dǎo)（電導(dǎo)的機理和規(guī)律和液體類似），無電泳電導(dǎo) 電阻率 離子性：結(jié)構(gòu)緊密，潔凈的電介質(zhì)，電

8、阻率為1017cm1019cm 結(jié)構(gòu)不緊密且含單價小離子的電介質(zhì)的電阻率僅達(dá)1013cm1014cm 非極性或弱極性：主要由雜質(zhì)離子造成電導(dǎo)。純凈介質(zhì)的電阻率可達(dá)1017cm1019cm 偶極性：因本身能解離，此外還有雜質(zhì)離子共同決定電導(dǎo)，故電阻率較小，較佳者可達(dá)1015cm1016cm固體介質(zhì)的表面電導(dǎo) 固體介質(zhì)除了體積電阻外，還存在表面電導(dǎo)。干燥清潔的固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)很小，表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引起。介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以介質(zhì)表面電導(dǎo)也是介質(zhì)本身固有的性質(zhì) 表面狀態(tài)分類： 固體介質(zhì)可按水滴在介質(zhì)表面的浸潤情況分為憎水性和親水性兩大類 憎水性：水滴的內(nèi)聚力大于水

9、和介質(zhì)表面的親和力，表現(xiàn)為水滴的接觸角大于90。憎水性材料的表面電導(dǎo)小，表面電阻率s:10151017 親水性：水滴的內(nèi)聚力小于水和介質(zhì)表面的親和力，表現(xiàn)為水滴的接觸角小于90。親水性材料的表面電導(dǎo)大，受環(huán)境濕度的影響大，表面電阻率s:10131015 討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義 絕緣預(yù)防性試驗的理論依據(jù)： 預(yù)防性試驗時，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣狀況 絕緣配合： 直流電壓下分層絕緣時，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率， 實現(xiàn)各層之間的合理分壓 運行維護(hù)： 注意環(huán)境濕度對固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理三、電介質(zhì)的損耗 (一)電介質(zhì)的損耗的基本概念 介

10、質(zhì)損耗：在電場作用下電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化（例如偶極子、夾層極化）引起的損耗，總稱介質(zhì)損耗。 直流電壓下的損耗 損失類型：在直流電壓作用下介質(zhì)的損失僅有漏導(dǎo)損失 表征方式：可用體積電阻率V或表面電導(dǎo)率S表征交流電壓下的損耗 損失類型：在交流電壓作用下介質(zhì)的損失除了漏導(dǎo)損失外，還有極化損失 表征方式：僅有V或S不夠 需要另外的特征量來表示介質(zhì)在交流電壓作用下的能量損耗 交流電壓電流向量圖 由于存在損耗，U 和I之間的夾角不再是90的關(guān)系，IC代表流過介質(zhì)總的無功電流，IR代表流過介質(zhì)的總有功電流，IR包括了漏導(dǎo)損失和極化損失 介質(zhì)損失角正切 tg僅反映介質(zhì)

11、本身的性能，和介質(zhì)的幾何尺寸無關(guān)電介質(zhì)的串并聯(lián)等值回路 分析介質(zhì)在交流電壓作用下的能量損耗，常用兩種等值回路，并聯(lián)等值回路和串聯(lián)等值回路電介質(zhì)的損耗（三態(tài)介質(zhì)） 氣體介質(zhì) 損耗極小 常用來構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)電容器 注意避免放電的發(fā)生 液體和固體電介質(zhì)： 損耗與介質(zhì)的極性有關(guān) 非極性或弱極性 損耗決定于漏導(dǎo)， 損耗小，tg 約為104 代表性介質(zhì)有聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡膠、云母等 偶極性液體、固體和結(jié)構(gòu)不緊密的離子性固體 損耗決定于漏導(dǎo)和極化損失 損耗和溫度、頻率等因素有關(guān)，關(guān)系復(fù)雜 低溫時：電導(dǎo)損失和極化損失都小 溫度升高：偶極子轉(zhuǎn)向容易，極化損失顯著增加，電導(dǎo)損耗略有增大 極值溫度：介質(zhì)損失達(dá)到最大值

12、 溫度繼續(xù)升高：分子熱運動妨礙偶極子順電場定向排列，極化損耗減小。此時電導(dǎo)損耗雖增大，但增幅比極化損耗的減幅小幅度小，介損總體減小 溫度的進(jìn)一步升高：電導(dǎo)急劇增大，電導(dǎo)損耗起主要作用，介質(zhì)損耗也因之急劇增大 此時介質(zhì)損失率p的溫度特性與介損的溫度特性相同討論損耗的意義 選擇絕緣：tg 過大會引起絕緣介質(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，甚至導(dǎo)致熱擊穿。例如用蓖麻油制造的電容器就因為tg 大，而僅限于直流或脈沖電壓下使用，不能用于交流 予防性試驗中判斷絕緣狀況：如果絕緣受潮或劣化，tg 將急劇上升，在預(yù)防試驗中可通過tgU 的關(guān)系曲線來判斷是否發(fā)生局部放電 均勻加熱：當(dāng)tg大的材料需加熱時，可對材料加交流電壓，利用材料

13、本身介質(zhì)損的發(fā)熱。該方法加熱非常均勻，如電瓷生產(chǎn)中對泥坯加熱即用這種方法第二節(jié) 液體介質(zhì)的擊穿 液體電介質(zhì)的擊穿理論 影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素 提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法一、液體電介質(zhì)的擊穿理論 概述 耐電強度：比氣體高且具有散熱作用 擊穿理論研究現(xiàn)狀：不及氣體介質(zhì)，尚缺乏完善化 擊穿機理分類 純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機理 電擊穿理論 氣泡擊穿理論 工程用液體電介質(zhì)的擊穿機理純凈液體電介質(zhì)的擊穿理論 電擊穿理論 擊穿理論：液體中因強場發(fā)射等原因產(chǎn)生的電子，在電場中被加速，與液體分子發(fā)生碰撞電離 擊穿特點：和長空氣間隙的放電過程很相似 氣泡擊穿理論 擊穿理論：由于串聯(lián)介質(zhì)中，場強的分布與介質(zhì)

14、的介電常數(shù)成反比，氣泡r=1，小于液體的r，因而氣泡承擔(dān)比液體更高的場強，而氣體耐電強度又低，所以氣泡先行電離，一旦電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生非純凈液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論 油中雜質(zhì)：水分、固體絕緣材料（如紙、布）脫落纖維、液體本身老化分解 小橋形成：液體中的雜質(zhì)在電場力的作用下，在電場方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質(zhì)的“小橋，由于水和纖維的介電常數(shù)分別為81和67，比油的介電常數(shù)1.82.8大得多，從而這些雜質(zhì)容易極化并在電場方向定向排列成小橋 小橋發(fā)熱：組成小橋的纖維及水分電導(dǎo)大，從而使泄漏電流增加，并進(jìn)而使小橋強烈發(fā)熱 小橋貫穿：使油和水局部沸騰汽化，最

15、后沿此氣橋發(fā)生擊穿 小橋擊穿的特點 與熱過程緊密相連 長間隙難以形成小橋，但因小橋畸變場強而引起間隙擊穿電壓降低 小橋的形成和電極形狀及電壓種類有關(guān) 電場極不均勻時因擾動而難以形成小橋二、影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素 雜質(zhì)（懸浮水、纖維）的影響 影響程度：含水量十萬分之幾即可顯著降低擊穿電壓 電場均勻度影響 均勻場：電場越均勻影響越大 不均勻場：不均勻電場由于強場處擾動大，雜質(zhì)不易成橋，含水量或雜質(zhì)對擊穿電壓影響小 沖擊擊穿電壓：不受影響 溫度的影響 溫度影響的相關(guān)因素 油的品質(zhì) 電場均勻度 電壓作用時間 水在油中的存在狀態(tài) 乳濁態(tài) 溶解態(tài) 受控于溫度的受潮油的擊穿過程電壓作用時間的影響電場均

16、勻程度液體電介質(zhì)擊穿電壓的分散性 和電場的均勻程度有關(guān)，電場不均勻程度增加，擊穿電壓的分散性減小 工頻擊穿電壓的分散性在極不均勻電場中常不超過5 而在均勻電場中可達(dá)3040油的純凈程度的作用 純凈度較高時：電場越均勻，直流和工頻擊穿電壓越高 品質(zhì)較差的油中：雜質(zhì)聚集排列畸變了電場，電場均勻性對擊穿電壓的提高作用不明顯 沖擊電壓下：小橋來不及形成，均勻場可提高擊穿電壓 應(yīng)對措施 絕緣承受沖擊作用則應(yīng)盡可能使電場均勻 電壓長時間作用則應(yīng)想辦法提高油的品質(zhì)壓力對擊穿電壓的影響 介質(zhì)品質(zhì)的影響 工程液體電介質(zhì)，因存在氣泡而有影響 極純凈液體無影響 沖擊下：均無影響三、提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法 提高

17、以及保持油的品質(zhì) 過濾：濾紙過濾 濾油機：加熱真空噴霧 吸附劑過濾器：運行中保持品質(zhì) 天然水合硅酸鋁 硅膠 活性氧化鋁 鈉氟石 復(fù)蓋層:緊貼在金屬電極上的固體絕緣薄層（1 mm） 絕緣層：電極表面包覆上較厚的絕緣層（幾十mm） 屏障：放在電極間的固體絕緣板 改善電場分布：沿面放電時，滑閃時第三節(jié) 固體電介質(zhì)的擊穿 固體電介質(zhì)的擊穿過程 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素三態(tài)電介質(zhì)的耐電特性普遍規(guī)律：任何介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性擊穿特性：一般情況下，在氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強度也最高固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)

18、雜，且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣耐電強度空氣：一般在3 4 kV/mm液體：一般在10 20 kV/mm固體：一般在十幾幾百kV/mm一、固體電介質(zhì)的擊穿過程 固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分（四個區(qū)域） 區(qū)域A：0.2s，熱擊穿區(qū)域D：數(shù)十小時，電化學(xué)（老化）擊穿電擊穿 電擊穿理論的建立：電擊穿理論是建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎(chǔ)上的，固體電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子，在電場加速下與晶格結(jié)點上的原子碰撞，從而擊穿 電擊穿的影響因素 時間影響：電壓作用時間短，擊穿電壓高 介質(zhì)特性：如果介質(zhì)內(nèi)含氣孔或其它缺陷，對電場造成畸變，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿電壓降低 電場均勻度：電場的均勻程度影響極大 累積效應(yīng)：在極不均

19、勻電場及沖擊電壓作用下，介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象，不完全擊穿導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降的效應(yīng)稱累積效應(yīng)。介質(zhì)擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降 無關(guān)因素：電擊穿電壓和介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素都無關(guān) 熱擊穿（擊穿電壓與溫度有關(guān)） 在A范圍內(nèi)：電擊穿，擊穿電壓和介質(zhì)溫度無關(guān) 在B范圍內(nèi)：熱擊穿，擊穿電壓隨溫度增加而下降 熱擊穿的概念：由于介質(zhì)損耗的存在，固體電介質(zhì)在電場中會逐漸發(fā)熱升溫，溫度的升高又會導(dǎo)致固體電介質(zhì)電阻的下降，使電流進(jìn)一步增大，損耗發(fā)熱也隨之增大。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時，也存在一個通過電極及其它介質(zhì)向外不斷散熱的過程。 如果同一時間內(nèi)發(fā)熱超過散熱，則介質(zhì)溫度會

20、不斷上升，以致引起電介質(zhì)分解炭化，最終擊穿，這一過程稱電介質(zhì)的熱擊穿過程 電介質(zhì)發(fā)熱曲線1,2,3對應(yīng)于電壓U1U2U3 直線4散出的熱量Q 與介質(zhì)中溫度tm的關(guān)系稱ta為穩(wěn)定熱平衡點稱tb為不穩(wěn)定熱平衡點熱擊穿與絕緣厚度的關(guān)系一旦發(fā)生熱擊穿，采取加厚絕緣的辦法往往不能起到提高電介質(zhì)擊穿電壓的作用，因而是不經(jīng)濟(jì)的電化學(xué)擊穿（電老化）概念：在電場的長時間作用下逐漸使介質(zhì)的物理、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化，最終導(dǎo)致?lián)舸@過程稱電老化擊穿電老化的類型（可歸納成四類）電離性老化：高分子在交流電壓作用下產(chǎn)生，氣泡放電，電樹枝老化電導(dǎo)性老化：高分子在交流電壓作用下產(chǎn)生，液體沿電場定向深入，水樹枝老化 電解

21、性老化：離子性無機絕緣材料在直流電壓作用下產(chǎn)生, 電解老化表面漏電起痕與電蝕損：有機介質(zhì)表面產(chǎn)生表面漏電起痕與電蝕損 在電化學(xué)擊穿中，還有一種樹枝化放電的情況，這通常發(fā)生在有機絕緣材料的場合。當(dāng)有機絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出現(xiàn)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。 在交流電壓下，樹枝化放電劣化是局部放電產(chǎn)生的帶電粒子沖撞固體介質(zhì)引起電化學(xué)劣化的結(jié)果。 在沖擊電壓下，則可能是局部電場強度超過了材料的電擊穿場強所造成的結(jié)果。二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓主要因素 電壓作用時間 溫度 電場均勻程度 電

22、壓種類 局部放電 累積效應(yīng)（固體的特有性能） 受潮 機械負(fù)荷 二次效應(yīng)如空間電荷等第三節(jié) 絕緣的老化 什么叫絕緣的老化 絕緣老化的原因有哪些 電介質(zhì)的熱老化 電介質(zhì)的電老化 其他影響因素 什么叫絕緣的老化？ 電氣設(shè)備的絕緣在長期運行過程中會發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)變化，致使其電氣、機械及其他性能逐漸劣化，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為絕緣的老化。 老化的原因有哪些？ 熱、電、機械力、水分、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。一、電介質(zhì)的熱老化 什么是電介質(zhì)的熱老化？ 在高溫的作用下，電介質(zhì)在短時間內(nèi)就會發(fā)生明顯的劣化；即使溫度不太高，但如作用時間很長，絕緣性能也會發(fā)生不可逆的劣化，這就是電介質(zhì)的熱老化。 溫度越高，絕緣老化得越快，壽命越短。 熱老化規(guī)則： 熱老化8規(guī)則：對A級絕緣介質(zhì)，如果它們的工作溫度