《1.1 电介质的极化和电导》由会员分享,可在线阅读,更多相关《1.1 电介质的极化和电导(24页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、高压电气试验 理实一体课程 本课程的教学标准 学期授课计划 1、研究对象 (1)绝缘又称为电介质,分气体、液体和固体三类。 它的作用是将不同电位的导体分开;绝缘在运行中要承受各 种电压的作用,电压较低时会发生极化、电导和损耗现象, 电压超出临界值时会发生击穿现象。 一、本课程研究的对象及特点 绝缘技术;绝缘的试验技术及设备; 模块一 绝缘电阻测量 情境一 电介质的极化和电导 (1)抽象性、多学科性、边缘性、不完善性; 2、本课程的特点 (2)实践性、危险性、工程性; (2)研究击穿特性需要做高压试验,涉及到试验电源、测 量仪器、手段方法(在线、离线、智能化)等。 在设计、生产、试验、运行时要研
2、究各种电介质在电压下 的电气物理性能,特别是在高压下的击穿特性。 (1) 装机容量、发电量迅速增长 建国后到1960年,装机容量突破1000万kW,居世界第9 位;1987年突破1亿kW,居世界第4位;1996年装机容量 达到2.37亿kW,跃居世界第2位,实现了全国电力供需基 本平衡;2000年突破3亿kW,仍居世界第2位;2004年, 总装机容量达到4.4亿KW,居世界第1位;2010年,总装 机容量达到9亿KW。 二、本次课程主要内容(9个方面) 1、我国电力发展的概况 (2) 用电量迅速增长 2004年全国用电量是1981年的7.08倍,其间用电量年均 增长8.88,20002004年
3、用电量年均增长12。根据 预测,20042020年我国用电需求仍将保持较高的增长 率,20052010年年均用电增长率在6以上,预计2011 2020年年均用电增长率5。 (3) 电网的建设有较大发展 建国后,1952年建设了110kV输电线路,逐渐形成京津唐 110kV输电网; 1954年建成丰满李石寨220kV输电线,逐渐形成东北电 网220kV骨干网架; 1972年建成330kV刘家峡关中输电线路,以后逐渐形成 西北电网330kV骨干网架; 1981年建成500kV姚孟武昌输电线路,1983年又建成葛 洲坝武昌和葛洲坝双河两回500kV线路,开始形成华 中电网500kV骨干网架。1989
4、年建成500kV葛洲坝上海 超高压直流输电线路,实现了华中华东两大区的直流联 网。 我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证、研究、试验 等,并于2005年9月在西北网建成投产了750kV输电线路( 官亭兰州)。 2009年1月,我国电压等级最高的1000kV特高压输电线路 开始试运行(晋东南-南阳-荆门)。 800KV云广特高压直流输电工程2009年投产。 电力发展为何需要越来越高的电压? 理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比,电 压提高1倍,输送功率将提高4倍; 大容量输电的需求:高效率的大型、特大型发电机组的建 造投运,以其为基础建设的特大容量规模发电基地,需要 更高电压的输
5、电网。 资源配置要求:资源中心在西部,能源负荷中心在东部, 特高压输电实现更大范围的资源优化配置。 2、高压的分类 输电电压一般分高压、超高压和特高压。 国际上,高压(HV)通常指35220kV的电压; 超高压(EHV)通常指330kV及以上、750kV及以下电压; 特高压(UHV)指1000kV及以上的电压。 高压直流(HVDC)通常指的是600kV及以下的直流 输电电压; 600kV以上的电压称为特高压直流(UHVDC)。 前苏联1150kV输电线于1985年建成两段,到1992年经过了 6年的商业运行考验; 日本于上世纪80年代建设东西和南北两条1000V输电主干线, 将位于东太平洋沿岸
6、的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送 到东京。这两条线目前降压至500kV运行。 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。 常用的液体液体介质介质:变压器油、电容器油、电缆油 常用的固体固体介质介质:绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃 、硅橡胶等 3、电介质的种类和应用 按状态分气体、液体和固体三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘; 4、电介质的极化和介电常数 (1)极化定义 电介质在电场作用下,其束缚电荷相应 于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。 (2)介电常数 表示极化强弱程度的一个物理量。 以真空平板电容器为例分析: 极化前: 极化后: 为保持场强不变,极板上电荷必然会增加,
7、以抵消极化电荷为保持场强不变,极板上电荷必然会增加,以抵消极化电荷 产生的反电场产生的反电场. . 引入相对介电常数表示 各种介质与真空的比较: 是反映电介质极化特性的一个物理量。 气体 接近于1,因密度小、极化率低;液体和固体多在2 6之间。 用于电容器的绝缘材料,希望选用 大的介质,可使单位 电容的体积和重量减小。 其他电气设备中总是选 较小的介质,因介质损耗较小。 采用 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的 沿面放电电压等。 采用组合绝缘时应注意各种材料 值之间的配合,在交流 电压下,串联多层介质的场强分布与介质的 成反比。 5、极化的种类 (1)无损极化: 电子式和离子式 电子
8、式极化特点:极化时间很短; 各种频率下均可发生, 与外加频率无关; 具有弹性,无损耗; 温度影响不大。 离子式极化离子式极化 特点:极化时间稍长; 与频率无关; 弹性极化,无损; r具正的温度系数; 温度较低时,T分子间作用力转向容易极化; 偶极子极化 (2)有损极化: 偶极子和夹层极化 特点: 极化时间较长; 有能耗; 频率对极化有影响; 夹层极化 合闸瞬间: 温度较高时热运动加剧 阻碍转向极化 非弹性极化; 一般介质不均匀,初始与稳 态值不同,于是两层介质上 有一电压重新分配过程,亦 即C1、C2上电荷重新分配, 在此过程中,分界面上将集 聚起多余的电荷,从而对外 显出极性来。 极化结果极
9、化结果: 等值电容增大;夹层界面堆积电荷产生极性。 极化特点: 与分子结构无关; 极化时间长(R很大时); 有能耗; 稳定后: 各种极化类型的比较 极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量损耗 电子式任何电介质10-15 束缚电荷的位移无 离子式 离子式结构电 介质 10-13 离子的相对偏移几乎无 偶极子式极性电介质10-1010-2 偶极子的定向排列有 夹层介质 界面 多层介质 交界面 10-1数小时自由电荷的移动有 空间电荷电极附近 6、电导的概念及分类 电介质电导分为离子电导、电子电导等,主要表现为前者。 (1)概念:表征电介质导电性能的物理量,其倒数称为 电阻;又常用电导率衡量,其
10、倒数为电阻率。 (2)电导的分类: 电子电导:一般很微弱,因为介质中自由电子数极少; 如果电子电流较大,则介质已被击穿。 离子电导: 本征离子电导:极性电介质本身离解所呈现的电导; 杂质离子电导:在中性和弱极性电介质中,主要是杂质离 解呈现的电导。 电泳电导:载流子为带电的分子团,通常是乳化态的胶体 粒子(如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠)吸附电荷变成了 带电粒子。 表面电导: 对固体介质,由于表面吸附水分和污秽存在表面电导,受 外界因素的影响很大。所以,在测量体积电阻时,应尽 量排除表面电导的影响,清除表面污秽、烘干水分、在测 量电极上采取一定的措施。 7、绝缘电阻和吸收现象 电介质的电阻通常称
11、为绝缘电阻。对于绝缘材料,人们关 注的多是其绝缘性能,而绝缘电阻的高低在一定程度上反 映了绝缘性能的好坏,所以对绝缘材料,我们常讨论其绝 缘电阻,这是与对导体我们常关注其电导不同的。 (2)流过电介质的电流及吸收现象: (1)绝缘电阻的一般概念: i=i1+i2+Ig 以施加直流为例,流 过介质内部的电流: i1充电电流:无损极化对应的纯电容电流,又称快极化 电流; Ig电导电流电流:介质中少量离子或电子移动形成的电流,即 俗称的泄漏泄漏电流。 i2吸收电流吸收电流:为有损极化对应的电流(主要为夹层极化), 又称慢极化电流; 根据内部物理 过程,总电流 i可分解为三部 分: 我们所说电介质的我
12、们所说电介质的绝缘电阻,绝缘电阻,就是此时电介质上所加直流就是此时电介质上所加直流 电压电压与此稳定电流值的比值,即 而在施加直流电压一段时间后,电介质中的电流逐渐减小, 像是被“吸收”掉了一样的现象,就是常说的“吸收现象”。 讨论:讨论: 1、吸收现象的本质是什么?对电介质的绝缘电阻 有何影响? 8、影响电介质电导的因素 (1)电压(电场强度): 电导电流随电压增大而增大 (2)杂质: 杂质是液体介质中带电质点的重要来源。 中性液体离子主要来源于杂质分子的离解; 极性液体除杂质外本身分子也易离解,所以同等条件下, 其电导率比中性液体要大。 液体介质: 固体介质: 杂质也是固体电介质体积电导的
13、重要来源, 杂质含量增大时,体积电导会明显增大。 固体、液体介质的电导率与温度T 的关系: 式中:A、B 为与介质有关的常数。T为绝对温度,单位为 K。该式表明, 介质的电导随温度T按指数规律上升。 (3)温度: 中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起; 极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成 体积电导的主要因素。 讨论:讨论: 2、电介质的电导(电阻)与导体的电导(电阻) 有何异同?温度对它们有何影响? 9、绝缘电阻的特点 (1) 绝缘电阻会随着加压时间的延长而变化, (2) 具有负的温度系数负的温度系数,而金属电阻具有正的温度系数金属电阻具有正的温度系数; 因此测量 介质或设备的绝缘电阻时应加压时间长一些; (4)对于固体电介质,还必须注意区分体积电阻RV和表面电 阻RS,由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大,不能用RS来 说明绝缘内部问题。 (3) 由于 与外加电压有关,在临近击穿时有显著的迅 速增加自由电子的导电现象, 造成 剧烈下降; 四、自学 1、电介质极化在工程上的意义 2、电介质电导的工程意义 五、小结 思考题 1-1、1-5、1-6 六、下次课程任务 绝缘电阻的测量原理、方法及实际测量练习