液體、固體電介質(zhì)特性.ppt

1、高電壓技術(shù),高電壓工程系 林福昌 ,2,第7講 液體、固體電介質(zhì)的絕緣特性（二）,3,上一講回顧,電介質(zhì)的極化r 電子式，離子式彈性，無能量損耗 偶極子式非彈性，有能量損耗 夾層式極化復(fù)合絕緣中 空間電荷極化高頻下不存在 電介質(zhì)的電導(dǎo)電荷在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng) 吸收現(xiàn)象容性電流，電導(dǎo)電流，吸收電流 絕緣電阻,4,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) 非極性電介質(zhì)的電阻率 1018cm 弱極性電介質(zhì)的電阻率 1015cm 極性電介質(zhì)的電阻率 1010cm1012cm，由于損 耗太大，實(shí)際上不使用 強(qiáng)極性如水、乙醇等實(shí)際上已是離子性導(dǎo)電液，不能用作絕緣材料 離子性電導(dǎo)隨溫度的升高

2、而增加,液體電介質(zhì)的電導(dǎo),5,分成三個(gè)區(qū)域 區(qū)域1：液體電介質(zhì)的電導(dǎo)在電場(chǎng)比較小的情況下，遵循歐姆定律 區(qū)域2：隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大，與氣體相似，有一平坦區(qū)域 區(qū)域3：場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增大超過某一極限解離、逸出、碰撞電離，最終擊穿,液體電介質(zhì)中電壓電流特性,6,結(jié)構(gòu)緊密，潔凈的離子性電介質(zhì)，電阻率為1017cm1019cm 結(jié)構(gòu)不緊密且含單價(jià)小離子的離子性電介質(zhì)的電阻率僅達(dá)1013cm1014cm 非極性或弱極性介質(zhì)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 偶極性電介質(zhì)，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)的電阻率

3、,7,分三個(gè)區(qū)域 區(qū)域1：符合歐姆定律，也稱低場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域 區(qū)域2：電流隨場(chǎng)強(qiáng)非線性增加 區(qū)域3：出現(xiàn)破壞先導(dǎo)電流 區(qū)域2、3也稱高場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域。和液體、氣體不同，固體中的電壓電流特性沒有飽和狀態(tài),固體電介質(zhì)的電壓電流特性,帶電粒子產(chǎn)生：晶格缺陷，解離，泊爾弗侖開爾效應(yīng),8,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),9,2.1.3 電介質(zhì)的損耗,損耗,極化損耗（DC下無）,電導(dǎo)損耗（DC、AC都有）,10,一、介質(zhì)損耗角正切（tg ),：

4、泄漏電流，由電導(dǎo)引起 ：吸收電流，也叫極化電流，由極化引起 ：電容電流,11,介質(zhì)損耗正切角（tg ）并聯(lián)等值電路,介損：,損耗功率：,12,定義 為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角 的余角 介質(zhì)損失角正切值tg ，如同r 一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì),13,串聯(lián)等值電路,14,氣體介質(zhì)的損耗 氣體介質(zhì)極化率小，損耗極?。╰g 10-8。所以常用氣體（如空氣，N2；CO2，SF6等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì) 當(dāng)外施電壓U超過起始放電電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加,二、不同介質(zhì)的損耗,15,中性液體、固體電介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定（極化為無損的） 介質(zhì)損耗與

5、溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的關(guān)系決定于電導(dǎo)與這些因素之間的關(guān)系,液體和固體電介質(zhì)中的損耗,中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與溫度的關(guān)系,中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與電場(chǎng)的關(guān)系,16,極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)式損耗和電偶式損托兩部分 損耗與溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系 中性固體介質(zhì)如石蠟、聚苯乙烯等，其損耗主要由電導(dǎo)引起，通常很小，在高頻下也可使用 極性的纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機(jī)材料（聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等）， tg 值較大，高頻下更為嚴(yán)重。與溫度、頻率的關(guān)系與極性液體相似,17,介質(zhì)損耗正切角（tg ),18,三、影響tg 的主要因素 之一：溫度,tg和

6、溫度的關(guān)系,tt2:極化減弱，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)占主導(dǎo) 當(dāng)f增加時(shí)，極化程度降低，因此需要提高溫度（減小粘度）才能達(dá)到最大值。,19,不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì) 如：電機(jī)絕緣中用的云母制品（是云母和紙或布以及環(huán)氧樹酯所組合的復(fù)合介質(zhì)）和油浸紙、膠紙絕緣等。 不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)的tg 取決于其中各成分的性能和數(shù)量間的比例,峰值可能由紙 極化損耗引起,峰值可能由復(fù)合膠 極化損耗引起,20,影響tg 的主要因素之二：頻率,當(dāng)頻率不太高時(shí)，隨 f 增加，偶極子轉(zhuǎn)向加快，損耗增加 當(dāng)頻率大過某一值后，偶極子來不及轉(zhuǎn)向，損耗減小,tg和頻率的關(guān)系,21,影響tg 的主要因素之三：外加電壓,外加電壓低， 總損耗電導(dǎo)損耗

7、極化損耗 外加電壓超過U0時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部開始出現(xiàn)局部放電，消耗電離能 總損耗電導(dǎo)損耗極化損耗電離損耗,tg和外加電壓的關(guān)系,22,四、討論介質(zhì)損耗的意義,在進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意絕緣材料的tg值，如果過大而引起嚴(yán)重發(fā)熱，將使材料容易劣化，故盡可能選擇tg較小的材料。 當(dāng)絕緣受潮或惡化時(shí)，tg會(huì)急劇增大，因此經(jīng)常監(jiān)測(cè)tg值并進(jìn)行對(duì)比，可判斷絕緣的狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。 通過測(cè)量tgU的關(guān)系曲線，可判斷絕緣內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電。 介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)發(fā)熱有時(shí)也可以利用，例如利用介質(zhì)損耗發(fā)熱來加速干燥過程。,23,液體電介質(zhì) ：純凈的液體電介質(zhì) 工程用液體電介質(zhì) 擊穿機(jī)理：電擊穿理論、氣泡擊穿理論

8、 （小橋擊穿理論）,2.2 液體電介質(zhì)的擊穿,24,（一） 電擊穿理論 主要用于純凈液體的擊穿解釋 機(jī)理：對(duì)于純凈的液體，由陰極通過熱發(fā)射或者強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射出來的電子，碰撞液體分子，產(chǎn)生碰撞電離，并形成電子崩，電流大到一定值后，液體擊穿。 液體的分子密度很高，因此電子的 很小，擊穿電壓就很高。 類似于湯遜放電理論,一、液體擊穿理論,25,（二）氣泡擊穿理論（小橋理論）,主要用于工程用液體電介質(zhì) 機(jī)理： 1）液體中的氣泡先發(fā)生放電，產(chǎn)生的帶電粒子 撞擊液體分子，使之分解，又產(chǎn)生氣泡。氣 泡逐漸增，形成貫通兩級(jí)的“小橋”通道。 2）液體中的雜質(zhì)（水、纖維）極化，并沿電場(chǎng) 方向排列，逐漸形成小橋。雜質(zhì)的電

9、導(dǎo)大， 引起泄漏電流增大，溫度升高，水分氣化， 形成氣泡，貫通兩級(jí)后，擊穿。,26,氣泡的產(chǎn)生原因,（1）大氣 （2）電場(chǎng)導(dǎo)致： 場(chǎng)致發(fā)射形成的電子電流對(duì)液體的加熱、分解 電子碰撞、液體分子分解 靜電排斥使氣泡變大 局部電暈放電使液體氣化,27,二、影響液體電介質(zhì)擊穿的主要因素,自身品質(zhì) 溫度 電壓作用時(shí)間 電場(chǎng)均勻度 壓力,28,影響因素（1）：自身品質(zhì),總的來說，雜質(zhì)多，擊穿電壓減低。 水分的影響： 纖維的影響：,擊穿電壓與含水量的關(guān)系,均勻電場(chǎng)：纖維越多， 擊穿電壓越低 不均勻電場(chǎng)：高場(chǎng)強(qiáng)處 發(fā)生的局放擾動(dòng)液體 ，不易形成小橋，雜 質(zhì)影響小 沖擊電壓：作用時(shí)間短 ，也不易形成小橋。,29

10、,標(biāo)準(zhǔn)油杯,用標(biāo)準(zhǔn)油杯來檢查油的質(zhì)量 平板電極間電場(chǎng)均勻，油中稍有受潮、含雜，擊穿電壓就明顯下降 規(guī)程規(guī)定用來灌注高壓 電力變壓器等的變壓器油，在此油杯中的工頻擊穿電壓要求在2540kV以上(與設(shè)備的額定電壓有關(guān))；灌注高壓電纜和電容器的用油，在油杯中的擊穿電壓常要求在50或 60kV以上,30,影響因素（2）：溫度,干燥的變壓器油：擊穿電壓隨溫度升高而單調(diào)降低； 受潮的變壓器油：當(dāng)溫度在5以下時(shí)，油很稠，小橋排列困難；在060，油中的懸浮狀態(tài)的水分隨溫度升高轉(zhuǎn)變?yōu)槿诮鉅顟B(tài)，擊穿電壓升高；溫度更高時(shí)，油中水分開始?xì)饣?，產(chǎn)生氣泡，易形成小橋，又使擊穿電壓降低。,擊穿電壓與溫度的關(guān)系較復(fù)雜，隨液體

11、介質(zhì)的品質(zhì)、電場(chǎng)的均勻程度、電壓形式的不同而不同。,31,影響因素（3）：電壓作用時(shí)間,擊穿電壓隨加壓時(shí)間的增加而下降。當(dāng)液體介質(zhì)的純凈度及溫度提高時(shí)，電壓作用時(shí)間對(duì)擊穿電壓的影響減小。 經(jīng)過長時(shí)間工作后，液體介質(zhì)的擊穿電壓會(huì)緩慢下降，這是由于介質(zhì)劣化、雜質(zhì)增多等因素造成的。,32,極不均勻電場(chǎng)中變壓器油的伏秒特性曲線 (虛線表示未經(jīng)研究的區(qū)域),33,影響因素（4）：電場(chǎng)均勻程度,高純凈度液體：改善電場(chǎng)的均勻程度能使工頻或直流電壓下的擊穿電壓明顯提高。 品質(zhì)較差的液體介質(zhì)：因雜質(zhì)的聚集和排列已使電場(chǎng)畸變，因而改善電場(chǎng)分布提高擊穿電壓的作用并不明顯。,工頻擊穿電壓的分散性在極不均勻電場(chǎng)中不超過

12、5，而在均勻電場(chǎng)中可達(dá)3040,34,影響因素（5）：壓力,擊穿電壓隨壓力的增大而升高氣體在油中的溶解度增大，氣泡數(shù)量減少，且氣泡的局部放電起始電壓也提高。油經(jīng)過脫氣之后，壓力對(duì)擊穿電壓的影響減少。,35,三、提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法,提高以及保持油的品質(zhì)過濾、防潮、脫氣 油和固體電介質(zhì)組合 覆蓋層 絕緣層 屏障,36,氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度最高 空氣的耐電強(qiáng)度一般在3 4 kV/mm左右； 液體的耐電強(qiáng)度在10 20 kV/mm； 固體的耐電強(qiáng)度在十幾 幾百kV/mm 固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣 普遍規(guī)律：任何介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能

13、最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性,2.3 固體電介質(zhì)的擊穿,37,38,一、固體電介質(zhì)的擊穿過程,1. 固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分 區(qū)域A：擊穿時(shí)間小于10s 的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓隨擊穿時(shí)間的縮短而提高。類似于氣體介質(zhì)擊穿的伏秒特性 區(qū)域B：擊穿時(shí)間在100.2 s范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時(shí)間無關(guān) 這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的擊穿都具有電擊穿的性質(zhì),電工紙板的擊穿電壓 與電壓作用時(shí)間的關(guān)系,39,1. 固體電介質(zhì)擊穿特性的劃分 區(qū)域C：擊穿電壓隨擊穿前時(shí)間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點(diǎn) 區(qū)域D ：C區(qū)以外,電工紙板的擊穿電壓 與電壓作用時(shí)間的關(guān)系,A

14、、B 區(qū)：屬于電擊穿 C 區(qū)：屬于熱擊穿 D 區(qū)：為電化學(xué)擊穿、電老 化，擊穿時(shí)間在幾十 個(gè)小時(shí)以上，甚至幾年,40,電擊穿理論建立在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離基礎(chǔ)上，固體電介質(zhì)中存在少量傳導(dǎo)電子，在電場(chǎng)加速下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子碰撞，從而導(dǎo)致?lián)舸?電擊穿的特點(diǎn)：電壓作用時(shí)間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與環(huán)境溫度無關(guān)，與電場(chǎng)均勻程度有密切關(guān)系，與電壓作用時(shí)間關(guān)系很小。 當(dāng)固體電介質(zhì)的介質(zhì)損耗很小、有良好的散熱條件，且內(nèi)部不存在局部放電，這種情況下發(fā)生的擊穿通常是電擊穿。其擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般可達(dá)105106kVm 。,二、 擊穿理論（1）電擊穿理論,41,碰撞電離引起擊穿的解釋,固有擊穿理論單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場(chǎng)獲得的能量與因碰撞而失去的能量不平衡而引起擊穿 電子崩擊穿理論傳導(dǎo)電子由電場(chǎng)得到了可使晶格原子電離的能量，產(chǎn)生了電子崩，當(dāng)電子崩發(fā)展到足夠強(qiáng)時(shí)（d足夠大），引起固體介質(zhì)擊穿,42,擊穿理論（2）熱擊穿理論,介質(zhì)內(nèi)部的熱不平衡過程所造成的。電導(dǎo)電流和介質(zhì)極化引起介質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱，介質(zhì)溫度升高，而介質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇增大，所以電流進(jìn)一步增大，損耗、發(fā)熱也隨之增加。發(fā)熱和散熱的不平衡導(dǎo)致。 熱擊穿的特點(diǎn)：擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高按指數(shù)規(guī)律降低；擊穿電壓與散熱條件有關(guān)，如介質(zhì)厚度大，則散熱困難，因此擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加；