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液體和固體介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度
1.1.1.電介質(zhì)的極化1.定義電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向作有限位移Qo=CoU2.相對(duì)介電系數(shù)εr表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度3.極化的基本形式(1)電子式極化其特點(diǎn):a.極化所需時(shí)間極短b.極化時(shí)沒(méi)有能量損耗c.溫度對(duì)極化影響極小(2).離子式極化其特點(diǎn):a.極化過(guò)程極短b.極化過(guò)程無(wú)能量損耗c.溫度對(duì)極化有影響,極化隨溫度升高而增強(qiáng)(3).偶極子式極化其特點(diǎn)a.極化所需時(shí)間較長(zhǎng),因而與頻率有關(guān)b.極化過(guò)程有能量損耗c.溫度對(duì)極化影響很大,溫度很高和很低時(shí),極化均減弱(4).夾層式極化在兩層電介質(zhì)的界面上發(fā)生電荷的移動(dòng)和積累,極化過(guò)程緩慢,并有損耗,其極化過(guò)程緩慢,有能量損耗3、討論介質(zhì)極化在工程實(shí)際中的意義1、選擇電容器中的絕緣材料時(shí),在相同耐電強(qiáng)度的情況下,要選擇εr較大的材料。在其絕緣結(jié)構(gòu)里,希望其小些2、3、材料的介質(zhì)損耗與極化形式有關(guān),而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個(gè)重要因素。4、在絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)中,夾層極化現(xiàn)象可用來(lái)判斷絕緣受潮情況2.1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)1.定義介質(zhì)在電場(chǎng)作用下,使其內(nèi)部聯(lián)系較弱的帶電粒子作有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)形成電流,即泄漏電流.這種物理現(xiàn)象稱為電導(dǎo).表征電導(dǎo)過(guò)程強(qiáng)弱程度的物理量為電導(dǎo)率γ,或它的倒數(shù)電阻率ρo2.介質(zhì)中的電流(1).電容電流ic在加壓初瞬間介質(zhì)中的電子式極化和離子式極化過(guò)程所引起的電流,無(wú)損耗,存在時(shí)間極短(2).吸收電流ia有損極化所對(duì)應(yīng)的電流,即夾層極化和偶極子極化時(shí)的電流,它隨時(shí)間而衰減.(3)泄漏電流絕緣介質(zhì)中少量離子定向移動(dòng)所形成的電導(dǎo)電流,它不隨時(shí)間而變化.流過(guò)介質(zhì)的電流i由三個(gè)分量組成:3.吸收現(xiàn)象
固體電介質(zhì)在直流電壓作用下,觀察到電路中的電流從大到小隨時(shí)間衰減,最終穩(wěn)定于某一數(shù)值,稱為“吸收現(xiàn)象”。4、討論電介質(zhì)的意義(1)、介質(zhì)干燥和嘲濕,吸收現(xiàn)象不一樣,據(jù)此可判斷絕緣性能的好壞.(2)、多層介質(zhì)在直流電壓作用下面,電壓分布與電導(dǎo)成反比,故設(shè)計(jì)用于直流的設(shè)備要注意介質(zhì)的電導(dǎo)。(3)、設(shè)計(jì)是應(yīng)該考慮絕緣的使用環(huán)境,特別是濕度影響。(4)、并非所有的情況都要求絕緣電阻值高,有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。2.1.3.電介質(zhì)的損耗1.損耗的形式(1).電導(dǎo)損耗由泄漏電流引起的損耗.交直流下都存在.(2).極化損耗由偶極子與夾層極化引起,交流電壓下極明顯(3).游離損耗指氣體間隙的電暈放電以及液固體介質(zhì)內(nèi)部氣泡中局部放電所造成的損耗.2.用介質(zhì)損耗角的正切tgδ來(lái)表示介損的意義
在交流電壓作用下,由于存在三種形式的損耗,需引入一個(gè)新的物理量來(lái)表征介損的特性.經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為
經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為因?yàn)?(1).P值與試驗(yàn)電壓U的高低等因素有關(guān);(2).tgδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無(wú)關(guān)的量,而僅取決于電介質(zhì)的損耗特性。
(3)tgδ可以用高壓電橋等儀器直接測(cè)量.所以表征介損用介質(zhì)損失角的正切tgδ來(lái)表示,而不是用有功損耗P來(lái)表示.3.影響tgδ的因素(1)溫度的影響(2)頻率的影響(3)電壓的影響在電場(chǎng)強(qiáng)度不很高時(shí),tgδ不變;在電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí),tgδ隨電場(chǎng)強(qiáng)度升高而迅速增大2.2.1.液體電介質(zhì)的擊穿特性1、液體擊穿機(jī)理(1)電擊穿理論在外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí),電子在碰撞液體分子可引起電離,使電子數(shù)倍增,形成電子崩。同時(shí)正離子在陰極附近形成空間電荷層增強(qiáng)了陰極附近的電場(chǎng),使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多,導(dǎo)致液體介質(zhì)擊穿。純凈液體介質(zhì)的擊穿理論與氣體放電湯遜理論中的作用有些相似。但液體密度比氣體密度大得多,電子的平均自由行程很小,必須大大提高場(chǎng)強(qiáng)才開(kāi)始碰撞電離。
(2)“小橋”理論
變壓器油的擊穿主要原因,在于雜質(zhì)的影響,而雜質(zhì)是水分、受潮的纖維和被游離了的氣泡等構(gòu)成,它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下,在電極間逐漸排列成為小橋,從而導(dǎo)致?lián)舸?.影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素(1)自身品質(zhì)因素:雜質(zhì)的多少(含水量、纖維量、氣量)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓來(lái)衡量油的品質(zhì)(2)溫度(3)電壓作用時(shí)間加壓后短至幾個(gè)微秒時(shí),表現(xiàn)為電擊穿,擊穿電壓很高當(dāng)電壓作用時(shí)間大于毫秒級(jí)時(shí),表現(xiàn)為熱擊穿,擊穿電壓隨作用時(shí)間增加而降低
電場(chǎng)愈均勻,雜質(zhì)對(duì)擊穿電壓的影響愈大分散性也愈大,擊穿電壓也愈高(4)電場(chǎng)均勻程度3.提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的措施(1)過(guò)濾(2)防潮(3)脫氣(4)覆蓋層(5)絕緣層(6)屏障2.3.固體電介質(zhì)的擊穿1.固體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理(1).電擊穿(2).熱擊穿(3).電化學(xué)擊穿(1)、電擊穿1、固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場(chǎng)的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。
2、在介質(zhì)的電導(dǎo)很小,又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下,固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿,擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)105-106kV/m。3、電擊穿的主要特征:①與周圍環(huán)境溫度有關(guān);②除時(shí)間很短的情況,與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大;③介質(zhì)發(fā)熱不顯著;④電場(chǎng)均勻程度對(duì)擊穿有顯著影響。(2)熱擊穿
固體介質(zhì)會(huì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱,如果周圍環(huán)境溫度高,散熱條件不好,介質(zhì)溫度將不斷上升而導(dǎo)致絕緣的破壞,如介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦,從而引起熱擊穿。
①熱擊穿電壓會(huì)隨著周圍媒質(zhì)溫度t0的上升而下降;
②熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加,因厚度越大,介質(zhì)中心附近的熱量逸出越困難,所以固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨h的增大而降低;
③如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大,散熱系數(shù)也大,則熱擊穿電壓上升;
④f或tgδ增大時(shí)都會(huì)造成產(chǎn)生的熱量增加。(3)電化學(xué)擊穿
固體介質(zhì)在長(zhǎng)期工作電壓作用下,由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因,使絕緣劣化,電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷(如氣隙或氣泡)引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強(qiáng)度下降的主要原因?yàn)椋?/p>
1)產(chǎn)生活性氣體對(duì)介質(zhì)氧化、腐蝕
2)溫升使局部介質(zhì)損耗增加;
3)切斷分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致介質(zhì)破壞。2.影響因素(1).電壓作用時(shí)間如果電壓作用時(shí)間很短(例如0.1s以下),固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿,擊穿電壓當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng),擊穿電壓將下降,如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿,則熱擊穿往往起主要作用。不過(guò)二者有時(shí)很難分清,例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿,常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至幾年才發(fā)生擊穿時(shí),大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。(2).電場(chǎng)均勻程度與介質(zhì)厚度處于均勻電場(chǎng)中的固體介質(zhì),其擊穿電壓往往較高,且隨介質(zhì)厚度的增加近似地成線性增大;若在不均勻電場(chǎng)中,介質(zhì)厚度增加使電場(chǎng)更不均勻,于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當(dāng)厚度增加使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí),增加厚度的意義就更小了。常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙,這時(shí)即使處于均勻電場(chǎng)中,介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)分布也是不均勻的,最大電場(chǎng)強(qiáng)度集中在氣隙處,使擊穿電壓下降。如果經(jīng)過(guò)真空干燥、真空浸油或浸漆處理,則擊穿電壓可明顯提高。(3)溫度固體介質(zhì)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿,這時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高,且與溫度幾乎無(wú)關(guān)。超過(guò)某個(gè)溫度后將發(fā)生熱擊穿,溫度越高熱擊穿電壓越低;如果其周圍媒質(zhì)的溫度也高,且散熱條件又差,熱擊穿電壓更低。因此,以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備,如果某處局部溫度過(guò)高,在工作電壓下即有熱擊穿的危險(xiǎn)。不同的固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級(jí)是不同的,因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。(4)受潮受潮對(duì)固體介質(zhì)擊穿電壓的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)不易吸潮的材料,如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質(zhì),受潮后擊穿電壓僅下降一半左右;容易吸潮的極性介質(zhì),如棉紗、紙等纖維材料,吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時(shí)的百分之幾或更低,這是因電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)在制造時(shí)要注意除去水分,在運(yùn)行中要注意防潮,并定期檢查受潮情況。(5)累積效應(yīng)固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中以及在幅值不很高的過(guò)電壓、特別是雷電沖擊電壓下,介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷,并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加
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