第二章 液體、固體介質的電氣特性

第二章

液體、固體介質的電氣特性高電壓技術中國石油大學勝利學院第一篇各類電介質在高電場下的特性第一節(jié)電介質的極化、電導和損耗一、電介質的極化

極化的定義：電介質在電場中所發(fā)生的束縛電荷的彈性位移和偶極子的轉向現象，稱為電介質的極化。

電介質的相對介電常數εr：是綜合反應電介質極化特性的一個物理量。它是表征電介質在電場作用下極化現象強弱的指標，其值是由電介質本身的材料決定的。

極化最基本的形式分為電子式、離子式和偶極子式極化。另外還有夾層介質界面極化和空間電荷極化等。綜上所述，對具體介質而言，必須說明其相對介電常數εr對應的極化條件：頻率和溫度。20℃時工頻下氣體介質由于密度很小，其εr接近于1，而液體和固體介質的εr大多在2~6之間。各種電介質的εr差別是很大的，了解電介質的極化在工程上是很有意義的。比如在幾種絕緣材料組合使用時，應注意各種材料的εr的配合，使之電場分布較為合理。在預防性試驗中，利用材料的極化性質，有助于判斷電氣設備的絕緣狀態(tài)。二、電介質的電導1.電介質電導的定義：在電場作用下，電介質中的帶電質點作定向移動而形成電流的現象，稱為電介質的電導。電導率是表征介質導電性能的主要物理量，其倒數為電阻率。2.電介質的電導的分類：電介質電導分為離子電導、電子電導.（1）離子電導：電介質在電場或外界因素影響下（如紫外線輻射）本身會產生電離，電介質中的正負離子沿電場方向移動，形成電導電流，這就是離子電導。（2）電子電導：電介質中的自由電子是在高電場作用下，離子和電介質分子碰撞電離激發(fā)出來的，這些電子在高電場作用下移動形成電子電導電流。一般很微弱，因為介質中自由電子數極少，當電介質中出現電子電導電流時，表明電介質已被擊穿。因此一般電介質的電導都是指離子電導。3.液體電介質的電導》液體電介質分為中性、弱極性和強極性三類?！冯s質是液體介質中帶電質點的重要來源?！分行砸后w離子來源于雜質分子的電離；》極性液體除雜質外，其本身分子也易離解，所以相同條件下，其導電率比中性液體要大。4.固體介質的電導分為表面電導和體積電導，構成固體電介質電導的主要因素是離子電導。非極性和弱極性固體電介質的電導主要是由雜質離子造成的，對于偶極性固體電介質，因本身分子能離解，所以其電導是由本身和雜質離子共同造成的。對于離子性電介質，電導的大小和離子本身的性質有關。實踐都證明：液體介質電導率γ與溫度有以下關系：此公式同樣適用于固體介質5.電介質電導在工程中的意義（1）串聯(lián)的多層電介質在直流電壓作用下，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的電導率，盡量使材料得到合理的使用。（2）工程上有時要設法增大電導，以改善電場分布、消除電暈。（3）設計絕緣結構時，注意環(huán)境濕度對固體電介質表面電導的影響，注意親水性材料的表面防水處理。（4）在絕緣預防性試驗中，通過測量介質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象。三、電介質的損耗1.基本概念在電場作用下電介質總有一定的能量損耗，電介質的能量損耗簡稱介質損耗。介質損耗的基本形式

由電導引起的損耗，稱為電導損耗；由某些有損極化引起的損耗，稱為極化損耗。

電導損耗：由電介質中的泄漏電流引起，交、直流電壓下都存在，一般很小。

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一次，可略去。電介質的等效電路2.介質損耗角正切介質損耗有兩種：極化損耗、電導損耗直流電壓下只有電導損耗交流電壓下既有電導損耗，還有周期性極化引起的極化損耗。介質損耗角=功率因素角的余角介質損耗角的正切tg稱為介質損耗因數

介質損耗角正切tg等于有功電流和無功電流的比值。常用百分數（%）來表示。通常采用功率因數角的正切作為綜合反映電介質損耗特性優(yōu)劣的一個指標，測量各種電力設備絕緣的tg值已成為電力系統(tǒng)中絕緣預防性試驗的重要項目之一。判斷介質的品質3.氣體介質的損耗但當氣體中的電場強度達到放電起始電壓U0（或E0）時氣體將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加。氣體中的損耗主要是電導損耗，損耗極小，且與電壓無關。4.液體電介質的損耗中性或弱極性液體介質的損耗，主要為電導損耗，其損耗與溫度的關系也和電導一樣；與電壓的關系和氣體是一樣的。極性液體介質的損耗除了有電導損耗之外還有極化損耗，因此損耗比中性液體要大，且其大小與溫度、外加電壓和電壓的頻率有關。在t>t2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，因為tg就隨時間t的上升而持續(xù)增大。介質損耗與頻率的關系當電源頻率增高時，，由圖可見，整個曲線右移這是因為在較高的頻率下，偶極子來不及充分轉向，要是轉向極化充分進行，就必須減小粘度即升高溫度。5.固體介質的損耗：固體介質分為：有機絕緣材料和無機絕緣材料。其中有機絕緣材料又分為極性有機電介質、非極性有機電介質極性有機電介質的損耗為電導損耗和極化損耗，tg較大。tg與溫度、頻率的變化關系與極性液體介質相似；極化損耗使總損耗較大非極性有機電介質的損耗主要為電導損耗，tg較小有極絕緣材料云母：由電導引起損耗，介質損耗小，耐高溫性能好，是理想的無機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷：既有電導損耗，又有極化損耗；20℃和50Hz時tg=2%~5%;玻璃：具有電導損耗和極化損耗，tg的值與玻璃的成分有關。無極絕緣材料（離子結構固體介質）無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃。電介質的損耗在工程上的意義：（1）選擇絕緣材料。在設計絕緣結構時，必須注意絕緣材料的介質損耗（tg），過大會引起嚴重發(fā)熱，使材料容易劣化，甚至導致熱擊穿；（2）在絕緣預防性試驗中判斷絕緣狀況。當絕緣受潮或劣化時，tg將急劇上升；絕緣內部是否存在局部放電，也可以通過與U的關系曲線加以判斷。第二節(jié)液體介質的擊穿在工程上常用的液體電介質有礦物油及人工合成油（如硅油等）等幾類。目前應用最廣泛的是從石油中中提煉出來的礦物油，如變壓器油、電纜油、電容器油和開關油等。一、液體介質擊穿的概念

絕緣液體的擊穿場強除了受外加電壓的類型、時間與幅值，以及電極的形狀、材料和表面特性這些因素的影響外，擊穿電壓的大小還主要受油中水和氣的含量以及其他雜質的影響1.被掩蓋的氣體放電在短時交流電壓，特別是在脈沖電壓作用下，可以認為絕緣液體的擊穿是由電子碰撞電離造成的。油中易揮發(fā)的成分，油中的外來氣體在液體分子間形成微小的“空穴”。在外加電場作用下，由于電場和熱的雙重作用，將使氣泡（空穴）即油隙完全擊穿。故將油隙擊穿稱為被掩蓋的氣體放電。2.纖維橋接擊穿

在實際運行中，由于設備元件可能分離出較大的固體雜質，如纖維或其他不溶解物，在外電場作用下，在電極間他們相互連接，搭成導電橋，稱之為纖維橋。國家對標準油杯推薦了電極形狀：球形電極二影響液體介質擊穿電壓的因素工程中檢驗油的質量的最重要的實驗項目是用標準油杯測量油的工頻擊穿電壓。球蓋形電極；

對經過過濾處理、脫氣和干燥后的油及220KV以上電力設備內的油，應采用球蓋形電極進行試驗平行圓盤電極對變壓器油，其標準油杯中的擊穿電壓一般為Ud>25Kv~40Kv；對變壓器油及電纜油，其標準油杯中的擊穿電壓一般為Ud>50Kv~60Kv；注意：在標準油杯中測得的油的耐電強度只能作為對油的品質的衡量標準。1、電壓作用時間的影響電壓作用時間很短時，具有電擊穿的性質，電壓作用時間越長，雜質形成小橋，介質發(fā)熱越充分，將發(fā)生熱擊穿過程，擊穿電壓越低。擊穿電壓隨加壓時間的增加而下降2、溫度、含水量、含氣量的影響油的擊穿電壓與溫度關系比較復雜，和含水量、含氣量有很大的關系。擊穿場強不僅與溫度，而且也與含水量有關。3、雜質的影響

一般來說雜質的含量越高，液體介質擊穿電壓降低的越多。油中主要的雜質就是水分。另外還有其他固體雜質，比如含纖維量：纖維的含量即使很少，對擊穿電壓油很大影響。

4、油量的影響三、減少雜質影響的方法由于油中雜質對油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響，所以從工程角度考慮，應設法減少雜質的影響，提高油的品質。1、提高油品質的方法（1）過濾將油中在壓力下連續(xù)通過濾油機中的大量濾油層，油中雜質（包括纖維、碳粒、樹脂、油泥等）被濾紙阻擋，油中大部分的水分和有機酸等也被濾紙纖維吸附，從而大大提高油的品質。（2）祛氣

常用的方法是先將油加熱，在真空中噴成霧狀，油中所含水分和氣體即揮發(fā)并被抽走，然后在真空條件下將油注入電氣設備中。（3）防潮對于油浸式絕緣在浸油前必須烘干，必要時可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空氣入口防干燥劑，以防潮氣進入。2、采用“油-屏障式”絕緣（1）覆蓋層覆蓋層是指緊貼在金屬電極上的固體絕緣薄層（<1mm），其主要作用是限制泄漏電流，阻止纖維小橋的發(fā)展，這種方法主要適用于電場較均勻的時候（2）絕緣層當覆蓋層的厚度增大到能分擔一定電壓時，即成為絕緣層。其作用減小油中雜志的有害影響，而且能降低電極表面附近的Emax，從而大大提高油隙的工頻擊穿電壓和沖擊擊穿電壓；通常用于不均勻電場中。（3）隔板（屏障）屏障又稱為極間障或隔板。一方面阻止纖維小橋形成（貫穿兩個對極），另外還可以改善間隙中的電場分布（均勻度），提高擊穿電壓。小結>>純凈的液體介質的擊穿屬于電擊穿；>>工程中液體介質的擊穿屬于熱擊穿；>>雜質是影響液體介質擊穿的重要因素；>>提高液體介質擊穿電壓的方法：1、提高油品質的方法；2、采用“油-屏障式”絕緣第三節(jié)固體介質的擊穿在電場作用下，固體介質可能因以下過程而被擊穿。擊穿后其絕緣性能不能恢復>>電過程（電擊穿）>>熱過程（熱擊穿）>>電化學過程（電化學擊穿）一、固體介質的擊穿理論（一）電擊穿過程固體介質的電擊穿是指僅僅由于電場作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現象，以碰撞游離為基礎。固體介質的擊穿通常為電擊穿。電擊穿的主要特征：>>擊穿電壓高，擊穿時間短；>>與周圍的環(huán)境溫度無關；>>除時間短的情況，與電壓作用時間關系不大；>>介質發(fā)熱不顯著；>>電場均勻程度對擊穿有顯著影響（二）熱擊穿過程

固體介質會因介質損耗而發(fā)熱，如果周圍環(huán)境溫度高散熱條件不好，介質溫度就不斷上升而導致絕緣破壞，如介質的分解、熔化、碳化和燒焦，從而引起熱擊穿。熱擊穿的過程：t↑→g↑→I↑→t↑↑U↑→I↑→tg↑→t↑↑U較小時，在絕緣能夠耐受的溫度下達到熱平衡，否則達破壞溫度。》擊穿電壓較低，擊穿時間較長；》擊穿電壓與環(huán)境溫度、周圍煤質的散熱能力和散熱條件有關；》擊穿電壓與電壓作用時間有關；》擊穿電壓與頻率有關；》擊穿電壓與介質本身的耐熱能力有關；》擊穿電壓與介質尺寸有關熱擊穿的主要特征（三）電化學擊穿理論固體介質在熱、電、化學和機械力的長期作用下以及由于介質內部發(fā)生局部放電等原因，是絕緣劣化，電氣強度逐步下降并引起擊穿的現象稱為電化學擊穿。局部放電是介質劣化、損傷、電氣強度下降的主要原因。二、提高固體介質擊穿電壓的方法1、改善絕緣設計：2、改進制造工藝：3、改善運行條件第四節(jié)組合絕緣的電氣強度（了解）實際電氣設備的絕緣通常都不是由單一的電介質構成的，而是由多種電介質組合而成。一、各組分間的相互滲透1、介質之間的相互滲透許多固體介質的結構并不是十分緊密，當其與某些液體或氣體介質組合使用時，這些液體或氣體介質會滲透到固體介質中去該固體介質的特性必然與滲入介質的特性有關。2、介質之間的相容性

組合絕緣必須注意各種介質的相容性。所謂相容性是指各種介質之間互不腐蝕、互不污染、互不影響。應特別注意液體介質與各種有機合成材料及金屬件之間的相容性。若果相容性不好，可能會使有機合成材料的電性能和機械性能劣化；使橡膠制品溶脹、發(fā)粘、失去彈性；使金屬件或鍍層腐蝕等。同時液體介質自身也會受到被溶物資的污染。3、水分在組合絕緣中的分布一般的有機介質，不論液體還是固體都會不同程度的含有一些水分，這些水分對其絕緣性能和老化過程影響很大。4、油流起電強迫油冷的電氣設備，當油以相當的速度從絕緣件表面流過時，會因摩擦起電。如果靜電荷不易被泄露掉時，容易集聚到足夠高的電位，導致對鄰近物體的擊穿或沿固體表面閃絡放電。二、介質的組合原則外加電壓在各種絕緣上的電壓分布，將決定組合絕緣整體的擊穿電壓。理想的電壓分布是各層介質所承受的場強與該層介質的耐電強度成正比，這樣可使各層介質的利用最充分，整個組合絕緣能耐受的電壓最高。直流電壓下，各層絕緣分擔的電壓與絕緣電阻成正比，即各層絕緣中的電場強度語氣電導成反比，所以應把電氣強度高、電導率大的材料用在電場最強的地方。在工頻交流或沖擊電壓作用下，各層絕緣所分擔的電壓與其電容成反比，即各層絕緣中的電場強度中的電場強度與其介電常數成反比，所以應把電氣強度高、介電常數大的材料用在電場最強的地方。第五節(jié)絕緣的老化

電氣設備的絕緣在長期運行過程中，會發(fā)生一系列不可逆的物理變化和化學變化，致使其電氣、機械及其他性能逐漸劣化，這種現象統(tǒng)稱為絕緣的老化。促使絕緣老化的因素：（1）物理因：電、熱、光、機械力等；（2）化學因素：氧氣、臭氧、鹽霧、酸、堿、潮濕等；（3）生物因素：微生物、霉菌等。一、電老化什么是電老化？

電老化是指在外加高電壓或強電場作用下的老化。介質電老化的主要原因是什么？

介質中出現局部放電。局部放電引起固體介質腐蝕、老化、損壞的原因有：》局部電場畸變。使局部介質承受過高的電壓；》帶電質點撞擊氣泡壁，造成絕緣物分解；》化學腐蝕。氣隙電離產生O3、NO、NO2等氣體，遇水會產生硝酸或亞硝酸，對絕緣材料和金屬有氧化和腐蝕作用?！吩诰植糠烹妳^(qū)，產生高能輻射線，引起材料分解；》局部溫度升高，造成熱裂解，氣隙膨脹而使固體絕緣開裂、分層、脫殼，并且使該部分絕緣的電導和介質損耗增加。直流電壓下的局部放電較交流電壓下的弱。各種絕緣材料耐局部放電的性能有很大差別：云母、玻璃纖維等無機材料有很好的耐局部放電能力；旋轉電機采用云母、樹脂作為絕緣材料；有機高分子聚合物等絕緣材料的耐局部放電的性能比較差；二、電介質的熱老化

什么是電介