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1、,第2章 液体、固体电介质的绝缘性能,液、固体介质广泛应用于电气设备的内绝缘 液体介质：绝缘、冷却剂、灭弧材料 固体介质：绝缘、支撑、极间屏障 提高气体、液体绝缘介质的绝缘强度 液、固体介质与气体介质相比的特点： 1.固体为非自恢复绝缘 2.作为内绝缘不受大气条件变化的影响 3.液体、固体介质存在老化问题 表征绝缘材料性能的几个基本电气参数： 介电常数 表征极化强弱 电阻率 表征导电性能 电导率 表征漏电性能 tg 介质损耗角正切 表征介质损耗大小 E0 击穿场强 表征绝缘性能（耐电性能）,2.1 电介质的极化和介电常数,在电场力作用下，使介质原子正负电荷中心沿电场 方向产生有限位移的现象，称
2、为电介质的极化。,1.极化的特征：,真空时：直流电压U对电容器充电 极板上电荷：Q0 电容器的电容量：C0=Q0/U=0A /d A ：极板面积 d ：极间距离 0：真空的介电常数（8.8610-14F/cm）,U,电介质的极化,中心位置两极分化形成电矩，产生与外施电场E方向相反的E，在介质表面出现束缚电荷,放入介质时：直流电压U对电容器充电，极板上电荷为Q0+Q0 Q0就是介质极化引起的,r的物理意义：电极间加入电介质后，电极化引起的电容量比真空时的电容量加大的倍数 因此可以用r来表征介质极化的强弱 气体r1 液体r ：非极性 1.82.5 极性 2.06.0 固体r ：2.010.0,U,
3、相对介电常数,2.电介质极化的基本形式,极化的种类,无损极化,有损极化,无损极化特点：形成极化所需时间短（10141015s).具有弹性，是可逆位移极化，不消耗能量，不使介质发热 如：电子式极化、离子式极化 有损极化特点：形成极化所需时间较长，是不可逆位移极化,消耗能量,发热,劣化,影响绝缘性能,工程上主要研究有损极化,2.2电介质中的电流和电导,流过电介质的电流,介质等值电路,当k1合上 i=f(t) i=ic+ia+ig ic电容电流 由无损极化引起 存在时间短 ia吸收电流 由有损极化（主要为夹层极化）引起 存在时间长 几几十分钟 ig泄漏电流或电导电流 不随时间变化,1.泄漏电流,2.
4、吸收现象,固体电介质在直流电压作用下,观察到电路中的电流从大到小随时间衰减,最终稳定于某一数值,称为“吸收现象”,当K合上时：t=0 主要流过ic 电压按C反比分配,t,C相当于开路，流过iR,通常,故,当K合上后，两层介质间有一个电压重新分配的过程， 即C1、C2上的电荷重新分配,设C1U2当t U1U2,当t 0,U1,U2,C1的电荷通过G1放电，C2从电源经G1再吸收一部分电荷Q吸收，于是分层介质的界面上将堆积电荷，这个现象称为电介质的吸收现象，该极化称为夹层极化,吸收过程的放电时间常数为T=(C1+C2)/(G1+G2)也是当去掉外加U后内部电荷释放的时间常数当C较大的设备断电后相当
5、长时间内仍有很高电压 特别注意:要充分接地放电后才能触及设备,定义：在直流电压作用下，经过一定时间，当极化过程结束后，流过介质的电流为稳定电流称为泄漏电流或电导电流，与其对应的电阻或电导称为绝缘电阻或绝缘电导,3.电介质电导,介质损耗与电压波形的关系 直流电压下的损耗 损耗类型：在直流电压作用下介质的损耗仅有漏导损耗 表征方式：可用体积电阻率 V或表面电导率 S表征 交流电压下的损耗 损耗类型：在交流电压作用下介质的损耗除了漏导损耗外，还有极化损耗 表征方式：仅有 V或 S不够 需要另外的特征量来表示介质在交流电压作用下的能量损耗？,2.3 电介质损耗和损耗角正切,电介质损耗,有损极化损耗,附
6、加损耗,绝缘电阻损耗,泄漏损耗,（一）介质损耗及介质损耗角正切,矢量图,损耗主要由电导引起采用并联电路,损耗主要由极化和连接线引起采用串联电路,简化,介质损耗 P=,称为介质损耗角 是功率因素角的余角,当设备结构定后,因此tg,介质损耗角正切,反映,绝缘本身的状态,受潮有缺陷,IR,有气泡杂质,夹层极化,tg,绝缘劣化过程：tg,IR,发热,劣化,即tg大小反映了运行中劣化的快慢 因此测tg是预防性试验项目之一 它对判断绝缘是否大面积受潮特别有效,P,气体电介质r=1 很小Et1: 热运动强，妨碍偶极子在E作用下作有规则运动,极化,电导损耗（t,tg),tg,tt2: 极化损耗减小比电导损耗增
7、加的作用小t,tg,U达到起始游离电压U0以上时若有气泡、杂质、缺陷（如龟裂）就开始发生游离,局部放电,产生附加损耗,tg,因此在较高电压下测量tg可以查气泡、杂质、缺陷等情况,讨论tg的意义: （1）合理选择绝缘材料tg,发热,可能导致热击穿,（2）可通过预防性试验判断绝缘状况tg,绝缘材料受潮、劣化,（3）可利用tg大的材料来进行均匀加热,泥坯加热,2.4 液体介质的击穿特性,现广泛使用的从石油提炼出的矿物油,变压器油 电缆油 电容器油,变压器,断路器,套管,作,绝缘介质,灭弧介质,冷却剂,其次有蓖麻油、人工合成的氯化联苯、十二烷基苯等 本节主要分析变压器油击穿机理,一、 液体介质的击穿机
8、理,非纯净液体电介质的小桥击穿理论,油中杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解 小桥形成：液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥，由于水和纤维的介电常数分别为81和67，比油的介电常数1.82.8大得多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥 小桥发热：组成小桥的纤维及水分电导大，从而使泄漏电流增加，并进而使小桥强烈发热 小桥贯穿：使油和水局部沸腾汽化，最后沿此气桥发生击穿,小桥击穿的特点与热过程紧密相连长间隙难以形成小桥，但因小桥畸变场强而 引起间隙击穿电压降低小桥的形成和电极形状及电压种类有关电场极不均匀时因扰动而
9、难以形成小桥,变压器油的击穿过程主要是,极性分子 水分 纤维 被游离的气体,在E作用下,在电极间,逐渐排列成小桥,将间隙接通,泄漏电流,发热,水分汽化,形成气泡,气泡游离,气泡小桥,从而导致油间隙的击穿,二、 影响液体电介质击穿电压的因素,1.液体本身品质的影响,含水量,影响程度：含水量十万分之几即可显著降低击穿电压 电场均匀度影响 均匀场：电场越均匀影响越大 不均匀场：不均匀电场由于强场处扰动大，杂质不易成桥，含水量或杂质对击穿电压影响小 冲击击穿电压：不受影响,油的品质 为了判断油的好坏，常用标准电极油间隙的工频Ub来表示油的质量等级，称为油的品质Q,标准油杯,国家要求： 新油 使用中油,
10、35kV 40kV 35kV 6 35kV 30kV 25kV 6kV 25kV 20kV,油品质的高低,主要用于判断油中杂质多少的情况,但这不能作为油的放电电压,一般作五次取平均值,2. 电场均匀程度的影响,冲击电压下：小桥来不及形成，均匀场可提高击穿电压应对措施绝缘承受冲击作用则应尽可能使电场均匀电压长时间作用则应想办法提高油的品质,3.温度tt在00C左右呈乳化悬浮状态的水分最多,Ub最低,t00C 冰油00t60-800C: t 水分蒸发在油中产生大量气泡,Ub反而,4.作用时间加压后由于油中杂质聚集到电极以及介质的发热均需要一定的时间,t,Ub,一般12分钟后，Ub不再随t而变 故工
11、频耐压试验t通常取为1min,三、提高液体介质击穿电压的方法,1.制造时采用：烘干、真空浸胶、真空灌油、设油枕、设带干燥剂的呼吸器、充氮保护,杂质,Ub,2.在绝缘结构上采用,覆盖 绝缘层 极间障,杂质的影响,覆盖（屏蔽）： 在曲率半径小的电极上覆盖薄的(6mm以利于油的循环冷却,20,3.延缓油老化 (1)装置扩张器将油与大气隔绝 (2)在油呼吸通道中装过滤器 (3)油容器中充氮，防止油氧化 (4)掺入抗氧化剂,吸收氧 吸收水分,2.5 固体电介质的击穿特性,2.5.1 固体介质的热击穿,热击穿特点： (1)Ub随环境温度 而指数 (2)Ub不随厚度成正比 (3)电压频率 Ub (4)热积累需时间 当,U上升快,或加压时间短,Ub,2.5.2 固体电介质的电击穿,介质中存在少量传导电子,在高E作用下,与晶格碰 撞,碰撞游离,
