《重庆大学高电压技术2液体、固体介质的绝缘强度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《重庆大学高电压技术2液体、固体介质的绝缘强度（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一篇 高电压绝缘与试验,第二章 液体、固体电介质的绝缘强度,电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，一旦施加电场后发生介质极化的固体、液体和气体总称为电介质（dielectrics）,电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有重要的地位。,电介质的主要用途： 利用大介电常数构成电容器 利用高绝缘阻抗构成电工绝缘材料（insulating materials） ,在电场作用下电介质的电气特性表现为： 导电性能 介电性能 电气强度,表征参数,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。,电导率(绝缘电阻率
2、) ,相对介电常数r,介质损耗角正切tg,在高电场下的电气传导机理、击穿电压,导电性能,介电性能,电气强度,1 介质的极化、电导和损耗,2 液体介质的击穿,3 固体介质的击穿,4 组合绝缘,主要内容,介质在工作电压下的表现特性,介质在极端电压（击穿电压）作用下的表现,1 电介质的极化、电导和损耗,1 电介质的极化、电导和损耗,用平板电容器做实验，可以发现，当极间为真空时：,极板间为真空,A,1.1 介质的极化和相对介电常数,r 是反映电介质极化程度的一个物理量。,极板间为固体介质,相对介电常数,当极间填充极间距离相同的固体介质时：,介质的极化所产生,r的物理意义：在电压U作用下，极间放入电介质
3、后，极间的电容量(或极板间的电荷)比真空时极间的电容量（或极板间的电荷）增大的倍数电容量增大的原因在于介质的极化现象。,极化的基本概念：电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极化,(1) 电子式位移极化,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,特点： 极化时间很短；各种频率下均 可发生，极化与外加频率无关； 具有弹性，无损耗； 温度影响不大。,1.2 电介质极化的类型,不同类型的介质正、负电荷的表现形式不同，因此具有不同的极化类型。,特点： 极化时间稍长，极化与频率
4、无关； 弹性极化，无损； 极化受温度影响： T离子结合力极化 （主要） T密度极化（次要） T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，故平均极矩为零。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) 离子式位移极化,(3) 偶极子极化 极性电介质中， 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
5、极化。 特点： 极化时间较长； 非弹性极化； 频率的影响：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,（a）无外电场 （b）有外电场,合闸瞬间，t=时，电压按电容分配：,(4)夹层介质界面极化,合闸后，t，到达稳定，电压按电阻分配：,假设：,即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布,由t=到t有一电压重新分配的过程，也就是C1和C2上电压重新分配的过程。,U2的电压下降，表明C上的电荷要通过R泄放。,U1的电压上升，表明C1要通过R由电源充电吸收一部分电荷，即吸收电荷。由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这个过程
6、称为吸收过程。,时间常数,夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导完成的，高压绝缘介质的G通常很小，所以极化速度非常缓慢。,前三种极化是由带电质点（电荷）的弹性位移或转向形成的，夹层介质界面的极化则是有带电质点的移动形成的。,电介质的相对介电常数,气体：一切气体的r都接近1； 液体：非极性和弱极性电介质r =1.82.8 偶极性电介质 36 固体：非极性和弱极性电介质r= 22.7 偶极性电介质r= 36 离子性电介质r= 58,用于电容器的绝缘材料，显然希望选用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
7、系，因而介质损耗也较大。(如酒精r，水的r，属于强极性物质，其电导率也很大，因此，不能用其作为绝缘介质) 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。,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
8、论依据 通过夹层极化现象可以判断绝缘受潮。在使用电容器等大电容设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的影响。,电导率表征电介质导电性能的主要物理量，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、电泳电导,1.3 电介质的电导,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 .,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（
9、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。 对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导。其值受外界因素的影响很大。 注意：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。,表面电导,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在电场作用下的移动形成的电流。,绝缘电阻和吸收比,位移电流,传导电流i：是表征单位时间内通过介质内某一截面的电量。 传导电流的组成：泄漏电流和位移电流两个分量,三电极法测量介质电流的电路,介质
10、中的电流,绝缘电阻：,吸收比：,由于介质存在吸收现象,在试验中把加压60s测量的绝缘电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：,根据吸收比的大小可以有效地判断绝缘的好坏。如，良好、干燥的绝缘，吸收电流较大，K值较大；受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。,绝缘电阻的特点： (1) 测量介质或设备的R时应加压1分钟或10分钟（后者是指电容量大的设备如，电缆、电机等） (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、脏污等)很大，不能
11、用RS来说明绝缘内部问题。,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)直流电压作用于分层绝缘时，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,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
12、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。,1.3 电介质的能量损耗,1.3.1介质损耗的基本概念,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。,因此，电介质在交流电压作用下，产生的有功功率损耗，称为介质损耗，它包括电导损耗、极化损耗。,交流时，流过电介质的电流：,IC代表流过介质总的无功电流，Ir代表流过介质的总有功电流，Ir包括了电导损失和极化损失。 Ir ，,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。,tg取决于材
13、料的特性，与材料尺寸无关。,与外施电压、电源角频率、试品几何电容、介质损失角正切tg有关； 当外施电压U一定时，对工频而言，一定，P仅与Cp和 tg有关，对一定结构的试品，Cp也为定值。因此，对同类试品，介质的有功损耗的大小可以直接由tg决定。,并联电路：,通常， tg1，则有CpCs,串联电路：,1.3.2 有损介质的等值电路,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,电压、频率、温度 (1) 电压 当电场强度达到气体的放电起始电压U0时，气体中
14、发生放电，这时损耗将急剧增大。当固体、液体介质中存在气泡，施加较高电压（UU0）， tg将增加，可检查出介质内部所存在的缺陷。（规程规定U=10kV）,1.3.3 影响介质损耗的因素,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。,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，因而就随温度t的上升而持续增大 。,（3）频率 tg与温度的关系中还给出了频率f 对tg的影响，可见： f （ f 2f1）
15、tg=f(f）曲线的形状不变，但曲线向右移动了一定距离。,这是因为频率增加时，偶极子不易充分转向，为使其充分转向 ，必须提高温度以减小粘度，故，t- tg曲线向右移动。,电介质的损耗 气体介质 损耗极小 常用来构成标准电容器 注意避免放电的发生,液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关 非极性或弱极性 损耗决定于漏导 损耗小，tg约为104 代表性介质有聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡胶、云母等 极性液体、固体和结构不紧密的离子性固体 损耗决定于漏导和极化损失 损耗和温度、频率等因素有关，关系复杂,讨论损耗的意义 选择绝缘：tg过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为tg
16、大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流； 预防性试验中判断绝缘状况：如果绝缘受潮或劣化，tg将急剧上升，在预防试验中可通过tgU 的关系曲线来判断是否发生局部放电； 均匀加热：当tg大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损的发热。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法。,小 结,电介质的极化 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： 在交变电场作用下电介质中的能量损耗,液体、固体电介质的击穿,液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，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 、蓖麻油等 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、 硅橡
