6讲固体电介质特性(一)

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1、高电压技术,高电压工程系戴玲,2,1.9 沿面放电,含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现 象称为沿面放电。研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面 放电电压决定。研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压 表面潮湿、污秽时的沿面放电电压,3,1.9 沿面放电,沿面放电的几种典型电场分布形式,均匀电场,强垂直分量,弱垂直分量,4,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。,5,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,机理分析：1） 固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放 ，形成的带电粒子沿介质表面移动。

2、在连接处涂导电粉末或者导电胶2） 潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动， 造成沿面电压分布不均，畸变电场。 憎水性材料3） 在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气 间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电 场，降低了闪络电压。4） 固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分 布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。,6,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,7,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,沿套管表面的放电,电晕放电,细丝状的辉光放电,滑闪放电,8,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。第二阶段：随着电压升高，出

3、现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。,9,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,滑闪放电在交流和冲击下表现明显。随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。,10,1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电,没有热电离和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间

4、距离的增加而增加。,11,1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电,12,三种情况比较：,均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。,13,提高沿面放电电压的方法,以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:,略去了介质的体积电阻,14,提高沿面放电电压的方法,链性等值回路的方程：,边界条件：,15,提高沿面放电电压的方法,定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1 减小比电容C0 可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2 减小电场较强

5、处的表面电阻。 可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管,16,1.9.4 固体介质表面有水膜时的 沿面放电,湿闪电压闪络途径：1 ABBCA：闪络电压下降到40%-50%2 ABBA：下降不多3 AB水流：湿闪电压降到很低值。,17,1.9.5 绝缘子污染状态下 的沿面放电,污闪电压发展过程： 积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能,18,液体、固体电介质的绝缘特性,特

6、 点电气强度高液体兼做灭弧；固体兼做支撑电气强度不受外界影响不可自恢复会逐渐老化,19,2.1 电介质的极化、电导与损耗,极化的概念,固体介质表面出现束缚电荷,相对介电常数,反映极化、储能特性,20,极化的基本形式,电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化,21,极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-1410-15s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无,1. 电子式极化,22,极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-1210-13 s极化程度影响因素：电场强度（有关）电

7、源频率（无关）温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性消耗能量：无,2. 离子式极化,23,极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关，频率升高，极化减弱） 温度（低温段增加，高温段降低（热运动）极化弹性：非弹性消耗能量：有,3. 偶极子极化,24,4. 夹层式（界面）极化,当t=0: 当t=:,25,一般情况下： 电荷从t=0到t=时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。极化的时间常数： 高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此

8、夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。,4. 夹层式（界面）极化,26,极化机理：带电质点移动介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有,4. 夹层式（界面）极化,27,极化机理：正负自由离子移动到电极附近， 形成空间电荷介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有,5.空间电荷极化,28,常用电介质的介电常数,29,讨论极化的意义：

9、,选择电容器的介质时，希望 大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。,30,平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。,电介质极化应用实例,31,解：(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm(2)插入后：Vs/Va= a / s，得 Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs

10、=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV)Es=16.7 kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV)Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强故插入聚乙烯板后空气间隙击穿,32,2.1.2 电介质的电导,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。 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。,33,电介质的吸收现象,电介质中的电流与时间的关系,i=ic+ia+igic: 电容电流ia：吸收电流，由各种 极化过程产生ig：电导

11、电流，或泄漏 电流,34,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。,35,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。,36,2.1.3 电介质的损耗,损耗,极化损耗（DC下无

12、）,电导损耗（DC、AC都有）,37,介质损耗正切角（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。,38,介质损耗正切角（tg ）,介损：,损耗功率：,39,介质损耗正切角（tg ),40,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，因此需要提高温度才能达到最大值。,41,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,42,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

13、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,43,2.2 液体电介质的击穿,（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。类似于汤逊放电理论,44,（二）气泡击穿理论（小桥理论）,主要用于不纯净的液体机理：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。,45,影响液体电介质击穿的主要因素,自身品质温度电压作用时间电场均匀度压力,46,影响因素自身品质,总的来说，杂质多，击穿电压减低。与水分的关系： 与纤维的关系：,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 发生的局放绕到液体 ，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。,