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1、1,高电压技术,2,第3章 电介质的电气性能,电介质的电气性能,电介质电气性能的划分,极化特性：介电常数 损耗特性：介损tg 电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传导机理等，电导G 或电阻 R 电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（Vt ）等，击穿电压UC 或击穿场强EC,电介质的极化及介电常数,电介质物质结构的基本形式 极化 (polarization)与电介质 (dielectrics) 电介质极化的基本类型 电介质的介电常数 讨论极化的意义,电介质的结构,电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关,离子键：强极性键，离子结
2、构电介质 玻璃、陶瓷 共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子,非极性电介质 聚四氟乙烯、氮气 极性共价键（电负性不同），极性分子,极性电介质 环氧树脂、三氯联苯 弱极性电介质 聚苯乙烯,电介质极化基本类型,电介质的极化有五种基本形式,电子位移极化 离子位移极化 转向极化 空间电荷极化 夹层介质界面极化（归到空间电荷极化）,建立时间：极短，10-1410-15s ;弹性极化、无损;影响因素： 电场强度（有关）；电源频 率（无关）；温度（无关）,电子位移极化,建立时间：极短，10-1210-13 s；弹性极化、无损 (极微量无损)；影响因素：电场强度（有关）；电源频率（无关）；温度（随温度
3、升高而增加）,离子位移极化,转向极化（偶极弛豫极化）,需时较长，10-610-2 s；非弹性极化、有损；影响因素：电场强度（有关）；电源频率（有关）；温度（温度较高时降低，低温段随温度增加）,9,带电质点移动；不均匀夹层介质中；需时很长；非弹性极化、有损；影响因素：场强（有关）; 电源频率（低频下存在）; 温度（有关）；介质的等值电容增大。,夹层介质界面极化（空间电荷极化）,10,气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小,气体电介质的介电常数,电介质的介电常数,11,非极性和弱极性电介
4、质 如石油、苯、四氯化碳、硅油等，r 数值不大，在1.82.5范围内 r 和温度的关系相似单位体积中的分子数与温度的关系（密度与温度）,液体电介质的介电常数,极性电介质 如蓖麻油、氯化联苯等，r数值在26范围内。还能用作绝缘介质,12,强极性电介质 如酒精、水等, r10，其电导也很大，不能用做绝缘材料。用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大,电场的频率对极性液体电介质介电常数r的影响很大！,非极性和弱极性固体电介质 如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等 电介质只有电子式极化和离子式极化，r 在2.02.7范围 r与温度的关系相似单位体积内的分子
5、数与温度的关系(密度与温度),固体电介质的介电常数,极性固体电介质 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，r和T及f 的关系和极性液体的相似 离子性电介质 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右,介电常数直接关系到多层介质的合理配合,电介质的电导特性,电介质中的传导电流 电介质中的电导特性 电介质传导电流的测量 电介质的电导 讨论电介质电导的意义,电介质中的（传导）电流,导线中的（传导）电流的组成 电介质中的电流含漏导电流和位移电流两个分量 漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的，又称泄漏电流 位移电流：由电介质极化造成的电
6、流,ic：快速极化造成的充电电流 ia：空间电荷极化等缓慢极化形成的，又称吸收电流 ig：趋向稳定值的漏导电流，又称泄漏电流,介质中的电流与时间的关系,介质的体积电导和表面电导,气体中无吸收电流,气体电介质的电导,气体离子的浓度约为5001000对/cm3,气体电介质中的电流密度场强（三个区域）,液体中极化发展快，吸收电流衰减快 电导构成：离子电导、电泳电导 离子电导：由液体本身的分子和杂质的分子解离为离子 电泳电导：液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点构成,液体电介质的电导,非极性电介质电导率： 10-18/cm 弱极性电介质电导率： 10-15/cm 极性电
7、介质的电导率：10-1010-12/cm 如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，由于损耗太大，不能用作绝缘材料,变压器油在温度为80o时的相对介电常数、电导率,极纯净液体电介质中,离子性电导与电场强度的关系(分成三个区域),工程用纯净液体电介质中,离子性电导与电场强度的关系(分成两个区域),离子性电导随温度的升高而增加,中性分子电介质的电导主要是杂质离子引起的，高温时，中性分子可能发生分解产生自由离子，形成电导 纯净介质的电导率可达10-1710-19 /cm 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，故电导较大，较大的可达10-1510-16 /cm,固体电介质的电导,离子式电介
8、质的电导主要是由离子脱离晶格而移动，电导的大小和离子本身的性质有关，也与杂质离子有关 固体电介质的电导与材料的宏观结构有关，如纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻率较小 固体介质中电流的吸收现象比较明显,固体电介质的电压电流特性，与液体、气体不同，固体中的电压电流特性没有饱和状态（欧姆段，非线性段、快速增加段（击穿）,主要由表面吸附的水分和污物引起，干燥清洁的固体介质的表面电导很小；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,固体介质的表面电导,绝缘预防性试验的理论依据，预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况 直流电压下分层绝缘时，各层
9、电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压 注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理,讨论电导的意义,电介质能量损耗及介质损失角正切,介质损耗和介质损失角正切 工程介质的介质损耗 讨论介质损耗的意义,介质损失角正切,介质的能量损耗： 电导引起的损耗 周期性极化引起的损耗 直流 电导损耗R、G 交流 电导和极化损耗介质损耗 介质损耗定义 介质在交流电压下的有功功率损耗,Ig：真空极化和无损极化引起的电流，纯电容性的，Cg Ip：有损极化引起的电流，有功和无功分量，Rp、Cp Ilk：漏导引起的电流，纯电阻性，Rlk,电介质的等效电路,电介质中的电流和
10、电压矢量,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,工程电介质的介质损耗,当电场强度小于使气体分子电离所需的值时，气体介质中的损耗极小（tg 10-8），工程中可以略去不计。所以常用气体（如空气，N2；C02，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,气体电介质中的损耗,在固体介质中含有气泡时，气泡在高电压下会发生电离，并使固体介质逐渐劣化，常用浸油、充胶等措施来消除固体介质中的气泡 对于固体介质与金属电极接触处的空气隙，则经常用适中的方法，使气隙内场强为零 如35kV瓷套内壁上涂半
11、导体釉，通过弹性铜片与导电杆相连 高压电机定子线圈槽内绝缘外包半导体层后，再嵌入槽内等,液体电介质中的损耗,中性液体固体电介质中的损耗主要由漏导决定，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,中性液体或中性固体电介质的tg与温度的关系示意图,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系示意图,固体电介质中的损耗,中性电介质，如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起，通常很小，在高频下也可使用 极性电介质，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,离子式结构介
12、质，其tg 与结构特性有关,讨论介质损耗的意义,设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿 对冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度,在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加；绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U 的关系曲线加以判断。,（1）受潮 （2）穿透性导电通道 （5）绝缘油脏污、劣化等 （3）？绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳 （4）？绝缘老化劣化，绕组上附积油泥,tg 可以以判断,（6）如果（? ！ ）所加试验电压足以
13、使绝缘中的气隙电离或产生局部放电等情况时，tg的值将随试验电压的升高而迅速增大；通过测tg U 的关系曲线加以判断。,第1章 气体放电的物理过程,主要内容,气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场中气体击穿的发展过程 雷电放电,若干名词术语,激励，电离，电子平均自由行程，复合，电子崩,气体中带电质点的产生和消失,气体中带电质点的产生 （一）气体分子本身的电离，可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成,（二）气体中的固体或液体(金属)的表面电离,碰撞电离 （撞击电离）,光电
14、离,热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合。例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 ，高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离,热电离,金属（阴极）的表面电离,金属表面电离所需能量获得的方式（4种）,正离子碰撞阴极 （二次发射），光电效应 ，强场放射（冷放射），热电子发射,带电质点的扩散,带电质点的复合,气体放电机理,气体放电的主要形式 非自持放电和自持放电 汤森德气体放电理论 流注放电理论,由非自持放电转入自持放电的电场强称为临界场强( Ecr )，相应的电压称为临界电压( Ucr ),非自持放电和自持放电,如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后
15、根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而间隙的击穿电压Ub也就是形成自持放电的临界电压Ucr,如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时临界电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多,气体放电的主要形式,根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化,辉光放电 火花放电 电弧放电 电晕放电 刷状放电,辉光放电,当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出
16、现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色也不同,火花放电,在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花,火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定,电弧放电,减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大 电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,电晕放电,电极曲率半径很小或电极间距离很远（电场极不均匀），当电压升高到一定值后，首先在紧贴电极电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大 发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用,刷状放电,电极间距较大、电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细线状光束，称为刷状放电
