液体固体介质的绝缘强度

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1、第一篇 高电压绝缘与试验,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：,液体介质：变压器油、电容器油、电缆油。 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶。 电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能 介电性能 电气强度,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,表征参数,电导率(绝缘电阻率) 介电常数 介质损耗角正切tg 击穿电场强度,通过本章的学习要掌握液体和固体介质的极化、电导和损耗；掌握液体和固体介质的击穿特性；了解组合绝缘的意义。,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,2-1 介质的极化、电导和

2、损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2-1 电介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2.1 电介质的极化、电导和损耗,一 、介质的极化和相对介电常数,电介质的极化是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。介电常数来表示极化强弱。 对于平行平板电容器，极间为真空时：,真空 介质 相对介电常数,2.1 电介质的极化、电导和损耗,是反映电介质极化特性的一个物理量。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。 用于电容器的绝缘材料，显然希望选

3、用r大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其他电气设备中往往希望选用r较小的电介质，这是因为较大的r往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。 采用r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的r值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的r成反比。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,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。,二、电介质极化

4、的类型,在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩,(1)电子式位移极化,2.1 电介质的极化、电导和损耗,特点： 极化时间稍长； 与频率无关； 弹性极化，无损； 温度影响： T离子结合力极化 （主要） T密度极化（次要） T极化,(2)离子式位移极化 固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,（a）无外电场 （b）有外电场,特点： 极化时间

5、较长； 非弹性极化； 频率偶极子来不及转向极化； 温度影响： T转向容易极化 T热运动加剧阻碍转向极化,(3)偶极子极化 极性分子无外电场作用时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,(4)夹层介质界面极化 合闸瞬间： 到达稳定： 介质不均匀电压重新分配 放电时间： 由于G很小，所以极化速度非常缓慢。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,2.1 电介质的极化、电导和损耗,电介质的

6、相对介电常数 气体：一切气体的r都接近1； 液体：非极性和弱极性电介质 1.82.8 偶极性电介质 36 固体：非极性和弱极性电介质 22.7 偶极性电介质 36 离子性电介质 58,2.1 电介质的极化、电导和损耗,讨论极化在工程实际中的意义 (1)选择绝缘 对于电容器，要求相同体积有较大电容量， r 对于电缆，为减小电容电流， r (2)多层介质的合理配合 在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r成反比，选择r使各层介质电场分布较均匀。 (3)研究介质损耗的理论依据 掌握不同极化类型对介质损耗的影响 (4)预防性试验项目的理论依据,2.1 电介质的极化、电导和损耗,电导率表征电介质导电性能的

7、主要物理量，其倒数为电阻率。 任何电介质都有电导 按载流子的不同，电介质电导分为离子电导、电子电导,三、电介质的电导,2.1 电介质的极化、电导和损耗,1、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。 2、离子电导： 本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率10101014 cm. 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率10171019cm .,2.1 电介质的极化、电导和损耗,3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。 4、表面电导

8、：对于固体介质，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，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,电介质的泄漏电流和绝缘电阻 ic-充电电流：为无损极化对应的纯电容电流 ia-吸收电流：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化) ig-泄漏电流：为电介质中的离子或电子移动形成的电流 绝缘电阻：,2.1 电介质的极化、电导和损耗,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，其中固体介质的常数B通常比液体介质的B 值大的多。T为绝对温度，单位为K。该式

9、表明, 随温度T按指数规律上升。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,绝缘电阻的特点： (1) 测量介质或设备的R时应加压1或10分钟 (2) R具有负的温度系数 (3)由于R与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加的自由电子导电现象， 造成R剧烈下降 (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。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,工程电介质电导的性质 (1)气体：电子电导 (2)液体：离子电导、电泳电导 (3)固体：离子电导、电子电导 讨论电介质电导的意义 (1)电导是绝缘预防性试验的依据 (2)直流电

10、压作用下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成 正比，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压 (3)注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响 (4)在某些情况下要减小绝缘电阻,2.1 电介质的极化、电导和损耗,(一)电介质的损耗的基本概念 介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。 直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。,四、电介质的能量损耗,2.1 电介质的极化、电导和损耗,

11、交变电场，电介质能量损耗包括： 电导损耗 通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗 极化损耗 在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗,2.1 电介质的极化、电导和损耗,交流时：流过电介质的电流：,2.1 电介质的极化、电导和损耗,视在功率： 介质损耗(有功损耗) 式中： 电源角频率；功率因数角；介质损耗角。 对同类试品绝缘的优劣可用tg来代替P对绝缘进行判断 tg取决于材料的特性，与材料尺寸无关中：,2.1 电介质的极化、电导和损耗,（二） 有损介质的等值电路分析 并联电路： 串联电路：,2.1 电介质的极化、电导和损耗,实际上，电导损耗和极化损耗都同时存在介质等值电路可用三个并联支路表

12、示 C0：反映电子式和离子式极化 Ca、ra：反映吸收电流，表示 有损极化 R：反映电导损耗，该支路流过 的电流为泄漏电流,2.1 电介质的极化、电导和损耗,（三）影响介质损耗的因素 温度、频率、电压 气体的介质损耗 气体中的电场强度达到放 电起始电压U0时，气体中发 生局部放电，这时损耗将急 剧增大。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,2.1 电介质的极化、电导和损耗,在t1tt2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小 超过了电导损耗的增加 ，所以总的曲线随t的升高而下降 ，并在t=t2时达到极小值。,2.1 电介质

13、的极化、电导和损耗,在tt2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而就随时间t的上升而持续增大。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,固体的介质损耗 (1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃 云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20C和50Hz时25； 玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分tg 有关。,2.1 电介质的极化、电导和损耗,(2)有机绝缘材料可分为非极性和极性 非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。,小结,电介质的极化

14、 电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层极化 电介质的电导： 表征电介质导电性能的主要物理量 电介质的损耗： 在电场作用下电介质中的能量损耗,2-1 电介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2-2 液体介质的击穿,一、液体介质的击穿机理,二、影响液体介质击穿电压因素和改进措施,2-2 液体介质的击穿,一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。 与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。,2-2 液体介质的击穿,一、

15、液体介质的击穿机理,液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。 （一）纯净液体介质的击穿理论 电子碰撞电离理论（电击穿理论） 在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。,2-2 液体介质的击穿,气泡击穿理论（小桥理论） 液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的r 成反比。由于气泡的r 最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。 气

16、泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。,2-2 液体介质的击穿,（二）工程用变压器油的击穿过程及其特点 可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥，有热的过程，属于热击穿的范畴。 由于水和纤维的r很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。 油中受潮水分(r=81) 纸布脱落纤维(r=67) 发生两种情况：,沿电场极化定向排列,杂 质 “小桥”,2-2 液体介质的击穿,(a)如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。,2-2 液体介质的击穿,(a)桥贯穿：G水、G纤大i油发热水分汽化气泡扩