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1、高电压技术,高电压工程系 李黎 leeli,课堂随测,在标准大气条件下，某距离为4m的棒-极间隙的正极性50操作冲击击穿电压为1130kV。在夏季某日温度为30C，气压99.8kPa，绝对湿度为11g/m3的大气条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV? 某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区的35kV变电站，问平原地区的制造厂在标准参考大气条件下进行1min工频耐受电压试验时，其试验电压应为多少kV？,2,本次课程,电介质的电导 吸收现象 绝缘电阻 重点：电介质的损耗 介质损耗正切角 液体电介质的击穿（理解概念） 固体电介质的击穿（理解概念）,3,4,2.1.2 电介质的电
2、导,来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流（泄漏电流）。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要） 与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升。,5,电介质的吸收现象,电介质中的电流与时间的关系,i=ic+ia+ig ic: 电容电流 ia：吸收电流，由各种 极化过程产生 ig：电导电流，或泄漏 电流,6,电介质的绝缘电阻,定义： 电介质中的绝缘电阻一般为M 特点： 1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。,7,液体中极化发展快，吸收电流衰减快 电导构成：离子电导
3、、电泳电导 非极性电介质的电阻率 1018cm 弱极性电介质的电阻率 1015cm 极性电介质的电阻率 1010cm1012cm，由于损 耗太大，实际上不使用 强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能用作绝缘材料 离子性电导随温度的升高而增加,液体电介质的电导,8,分成三个区域 区域1：液体电介质的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律 区域2：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域（饱和） 区域3：场强继续增大超过某一极限解离、逸出、碰撞电离，最终击穿,液体电介质中电压电流特性,9,经常使用电阻率，即电导的倒数描述固体电介质特性 结构紧密，洁净的离子性电介质，电阻率为1017cm10
4、19cm 结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅达1013cm1014cm 非极性或弱极性介质主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达1017cm1019cm 偶极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达1015cm1016cm,固体电介质的电导,10,分三个区域 区域1：符合欧姆定律，也称低场强领域 区域2：电流随场强非线性增加 区域3：出现破坏先导电流 区域2、3也称高场强领域。和液体、气体不同，固体中的电压电流特性没有饱和状态,固体电介质的电压电流特性,带电粒子产生：晶格缺陷，解离，泊尔弗仑开尔效应,11,固体介质的表面电导 固体介质除
5、了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质,液体和固体电介质的电导（总结）,中性、纯净液体的电导由杂质决定 酸碱性液体的电导与离子电导有关 液体导电存在饱和区，固体无明显饱和区 固体电导很大程度上取决于表面电导，因此要考虑湿度的影响,12,13,讨论电导的意义：,1） 在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏 电流判断绝缘是否受潮或者劣化。 2） 直流设备中有多层介质时（如直流电缆）， 其电压分布与电导成反比，设计时需考虑。 3） 设计绝缘结构时，要考虑到环境对电
6、导的影 响。 4） 对于某些能量较小的电源，如静电发生器， 要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。 5） 有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压 套管附近涂上半导体釉等。,14,2.1.3 电介质的损耗,损耗,极化损耗（DC下无）,电导损耗（DC、AC都有）,15,一、介质损耗角正切（tg ),：泄漏电流，由电导引起 ：吸收电流，也叫极化电流，由极化引起 ：电容电流,16,介质损耗正切角（tg ）并联等值电路,介损：,损耗功率：,17,定义 为介质损失角，是功率因数角 的余角 介质损失角正切值tg ，如同r 一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质,18,串联等值电路
7、,19,气体介质的损耗 气体介质极化率小，损耗极小（tg 10-8。所以常用气体（如空气，N2；CO2，SF6等）作为标准电容器的介质 当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加,二、不同介质的损耗,20,中性液体、固体电介质中的损耗主要由漏导决定（极化为无损的） 介质损耗与温度、电场强度等因素的关系决定于电导与这些因素之间的关系,液体和固体电介质中的损耗,中性液体或中性固体电介质的tg与温度的关系,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系,21,极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分 损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系 中性固体介质如石蜡、聚苯乙烯
8、等，其损耗主要由电导引起，通常很小，在高频下也可使用 极性的纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等）， tg 值较大，高频下更为严重。与温度、频率的关系与极性液体相似,22,介质损耗正切角（tg ),23,三、影响tg 的主要因素 之一：温度,tg和温度的关系,tt2:极化减弱，电导上升，电导占主导 当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度（减小粘度）才能达到最大值。,24,不均匀结构的电介质 如：电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质）和油浸纸、胶纸绝缘等。 不均匀结构的电介质的tg 取决于其中各成分的性能和数量间
9、的比例,峰值可能由纸 极化损耗引起,峰值可能由复合胶 极化损耗引起,25,影响tg 的主要因素之二：频率,当频率不太高时，随 f 增加，偶极子转向加快，损耗增加 当频率大过某一值后，偶极子来不及转向，损耗减小,tg和频率的关系,26,影响tg 的主要因素之三：外加电压,外加电压低， 总损耗电导损耗极化损耗 外加电压超过U0时，介质内部开始出现局部放电，消耗电离能 总损耗电导损耗极化损耗电离损耗,tg和外加电压的关系,27,四、讨论介质损耗的意义,在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tg值，如果过大而引起严重发热，将使材料容易劣化，故尽可能选择tg较小的材料。 当绝缘受潮或恶化时，tg会急剧
10、增大，因此经常监测tg值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。 通过测量tgU的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。 介质损耗引起的介质发热有时也可以利用，例如利用介质损耗发热来加速干燥过程。,28,液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质 击穿机理：电击穿理论、气泡击穿理论 （小桥击穿理论）,2.2 液体电介质的击穿,29,（一） 电击穿理论 主要用于纯净液体的击穿解释 机理：对于纯净的液体，由阴极通过热发射或者强场发射出来的电子，碰撞液体分子，产生碰撞电离，并形成电子崩，电流大到一定值后，液体击穿。 液体的分子密度很高，因此电子的 很小，击穿电压就很高。 类似于汤逊放
11、电理论,一、液体击穿理论,30,（二）气泡击穿理论（小桥理论）,主要用于工程用液体电介质 机理： 1）液体中的气泡先发生放电，产生的带电粒子 撞击液体分子，使之分解，又产生气泡。气 泡逐渐增，形成贯通两级的“小桥”通道。 2）液体中的杂质（水、纤维）极化，并沿电场 方向排列，逐渐形成小桥。杂质的电导大， 引起泄漏电流增大，温度升高，水分气化， 形成气泡，贯通两级后，击穿。,31,气泡的产生原因,（1）大气 （2）电场导致： 场致发射形成的电子电流对液体的加热、分解 电子碰撞、液体分子分解 静电排斥使气泡变大 局部电晕放电使液体气化,32,二、影响液体电介质击穿的主要因素,自身品质 温度 电压作
12、用时间 电场均匀度 压力,33,影响因素（1）：自身品质,总的来说，杂质多，击穿电压减低。 水分的影响： 纤维的影响：,击穿电压与含水量的关系,均匀电场：纤维越多， 击穿电压越低 不均匀电场：高场强处 发生的局放扰动液体 ，不易形成小桥，杂 质影响小 冲击电压：作用时间短 ，也不易形成小桥。,34,标准油杯,用标准油杯来检查油的质量 平板电极间电场均匀，油中稍有受潮、含杂，击穿电压就明显下降 规程规定用来灌注高压 电力变压器等的变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求在2540kV以上(与设备的额定电压有关)；灌注高压电缆和电容器的用油，在油杯中的击穿电压常要求在50或 60kV以上,35,影响
13、因素（2）：温度,干燥的变压器油：击穿电压随温度升高而单调降低； 受潮的变压器油：当温度在5以下时，油很稠，小桥排列困难；在060，油中的悬浮状态的水分随温度升高转变为融解状态，击穿电压升高；温度更高时，油中水分开始气化，产生气泡，易形成小桥，又使击穿电压降低。,击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、电场的均匀程度、电压形式的不同而不同。,36,影响因素（3）：电压作用时间,击穿电压随加压时间的增加而下降。当液体介质的纯净度及温度提高时，电压作用时间对击穿电压的影响减小。 经过长时间工作后，液体介质的击穿电压会缓慢下降，这是由于介质劣化、杂质增多等因素造成的。,37,极不均匀电场中变压
14、器油的伏秒特性曲线 (虚线表示未经研究的区域),38,影响因素（4）：电场均匀程度,高纯净度液体：改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高。 品质较差的液体介质：因杂质的聚集和排列已使电场畸变，因而改善电场分布提高击穿电压的作用并不明显。,工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5，而在均匀电场中可达3040,39,影响因素（5）：压力,击穿电压随压力的增大而升高气体在油中的溶解度增大，气泡数量减少，且气泡的局部放电起始电压也提高。油经过脱气之后，压力对击穿电压的影响减少。,40,三、提高液体电介质击穿电压的方法,提高以及保持油的品质过滤、防潮、脱气 油和固体电介质组合 覆盖
15、层 绝缘层 屏障,41,气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高 空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右； 液体的耐电强度在10 20 kV/mm； 固体的耐电强度在十几 几百kV/mm 固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘 普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性,2.3 固体电介质的击穿,42,43,一、固体电介质的击穿过程,1. 固体电介质击穿特性的划分 区域A：击穿时间小于10s 的区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性 区域B：击穿时间在100.
16、2 s范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关 这两个区域内的击穿都具有电击穿的性质,电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系,44,1. 固体电介质击穿特性的划分 区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点 区域D ：C区以外,电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系,A、B 区：属于电击穿 C 区：属于热击穿 D 区：为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年,45,电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而导致击穿 电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与环境温度无关，与电场均匀程度有密切关系，与电压作用时间关系很小。 当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条件，且内部不存
