高电压技术第二章讲稿

液体和固体电介质的 绝缘特性 第二章第二章1概述固体、液体介质固体、液体介质固体、液体介质的绝缘强度比气体大许多；作电气设备的内绝缘可以缩小结构尺寸；截流导体的支撑需要绝缘介质；液体介质可兼作冷却与灭弧介质等。液体与固体电介质与气体的击穿有很大不同；液体与固体电介质与气体的击穿有很大不同；将讨论电介质极化、电导、损耗和老化等物理将讨论电介质极化、电导、损耗和老化等物理过程过程2第一节第一节 电介质的极化电介质的极化实验：实验：两个完全相同的实验，两个完全相同的实验，一个处于真空状态，一个处于真空状态，另一个处于固体介质另一个处于固体介质中，从实验结果来分中，从实验结果来分析它们发生的过程。析它们发生的过程。3Qo=CoU一一.极化的概念与介质的相对介电系数极化的概念与介质的相对介电系数式中真空的介电系数；金属极板的面积；极间距离；极板间为真空时的电容量；Q=CU第一节第一节 电介质的极化电介质的极化41 电介质的极化各种气体的相对介电常数接近于1，液体、固体的相对介电常数为2 10。C0C+-+-+相对介电常数为了保持电场强度不变5发音一一.极化的概念与介质的相对介电系数极化的概念与介质的相对介电系数第一节第一节 电介质的极化电介质的极化6相对介电系数相对介电系数r r表征电介质在电场作用下的极化程度。它的值由电表征电介质在电场作用下的极化程度。它的值由电介质的材料所决定。介质的材料所决定。气体分子间的间距很大，额度很小，因此各种气气体分子间的间距很大，额度很小，因此各种气体的相对介电系数均接近于体的相对介电系数均接近于1 1。常用的液体、固体介质的相对介电系数大多在常用的液体、固体介质的相对介电系数大多在2626之间。之间。一一.极化的概念与介质的相对介电系数极化的概念与介质的相对介电系数第一节第一节 电介质的极化电介质的极化7电子式极化离子式极化偶极式极化空间电荷极化夹层式极化二二.极化基本形式极化基本形式第一节第一节 电介质的极化电介质的极化8 电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移。作有限位移。第一节第一节 电介质的极化电介质的极化电子式极化电子式极化9+-+-E=0E电子式极化特点：一是极化所需要的时间极短，约1015S；即它在各种频率的交变电场中均能产生；二是这种极化具有弹性，在去掉外电场后，依靠正负电荷的吸引力，作用中心会立即重合而呈中性。这种极化没有能量消耗。三是温度对极化的影响极小。电子式极化电子式极化10离子式极化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E=0+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E特点：一是极化所需要的时间极短，约1013S；即它在各种频率的交变电场中均能产生；二是这种极化具有弹性。极化没有能量消耗。三是温度对极化有影响，一般是随温度而增大。离子式极化离子式极化11离子式极化离子式极化12E=0+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E偶极式极化偶极子式极化偶极子式极化13偶极子式极化偶极子式极化其特点a.极化所需时间较长,因而与频率有关b.极化过程有能量损耗c.温度对极化影响很大,温度很高和很低时,极化均减弱14夹层式极化：由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质，叫做夹层电介质。由于各层的介电系数和电导系数不同，在电场作用下，各层中的电位，最初按介电系数分布(即按电容分布)，以后逐渐过渡到按电导系数分布(即按电阻分布)。此时，在各层电介质交界面上的电荷必然移动，以适应电位的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累，称为夹层介质界面板化。特点：其极化的过程特别缓慢，一般在10-1S以 上，甚至数小时，同时伴有介质损耗。详见书上例题详见书上例题 P36 P36页。页。(4).夹层式极化夹层式极化15夹层式极化夹层式极化16空间电荷极化：介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，便在电吸附近形成空间电荷称为空间电荷极化。其极化的过程特别缓慢，所以假使加上交变电场，在低频时有这种现象存在，而在高频时因空间电荷来不及移动，就没有这种极化的现象。空间电荷极化空间电荷极化17第二节.电介质的电导1.定义介质在电场作用下,使其内部联系较弱的带电粒子作有规律的运动形成电流，即泄漏电流.这种物理现象称为电导。表征电导过程强弱程度的物理量为电导率，或它的倒数电阻率o18电介质中的电流和电导K1合上,i=ic+ia+igic：位移极化电流ia：吸收电流ig：泄漏电流断K1合K2 有与吸收电流具有相同曲线的电流反向流过。AK1K2it019(1).电容电流ic在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极化过程所引起的电流，无损耗，存在时间极短。20(2).吸收电流ia有损极化所对应的电流，即夹层极化和偶极子极化时的电流，它随时间而衰减。21(3)泄漏电流绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电流,它不随时间而变化.222.介质中的电流23流过介质的电流i由三个分量组成：243.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”。吸收的解释为，由于电流由大变小，好象电流被介质吸收了一样，称为“吸收”现象。实验的判断：介质干燥和嘲湿,吸收现象不一样，据此可判断绝缘性能的好坏.251,1,d12,2,d2R1 U1 C1R2 U2 C23.吸收现象26R CrC3.吸收现象272 介质的电阻R=U/I是随时间而变化的。通常以到达稳定的泄漏电流的电阻作为介质的绝缘电阻。1 电导率电阻率3 固体介质中的泄漏电流本身体积的泄漏电流沿介质表面的泄漏电流绝缘材料 1081020半导体 10-4 107导体 10-8 10-4.m3.吸收现象284 介质的电导与温度的关系电介质中导电的载流子：离子导体中导电的载流子：电子53.吸收现象29第三节.电介质的损耗1.损耗的形式(1).电导损耗由泄漏电流引起的损耗.交直流下都存在。(2).极化损耗由偶极子与夹层极化引起,交流电压下极明显。(3).游离损耗指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡中局部放电所造成的损耗。30电介质的功率损耗简称介质损耗 R CrC电介质的能量损耗电导极化游离介质损耗UI介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念31RP CPUI2.用介质损耗角的正切tg来表示介损(并联电路)32RSCSUI2.用介质损耗角的正切tg来表示介损(串联电路)33tg 是衡量材料本身在电场损耗能量并转变为热能的一个宏观的物理参数称之为介质损耗角正切。中性及弱极性介质：tg 较小极性介质：tg 较大2.用介质损耗角的正切tg来表示介损34由于:(1).P值与试验电压U的高低等因素有关;(2).tg是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，而仅取决于电介质的损耗特性。(3)tg可以用高压电桥等仪器直接测量.所以表征介损用介质损失角的正切tg来表示，而不是用有功损耗P来表示.2.用介质损耗角的正切tg来表示介损353.影响tg的因素（1）温度的影响36（2）频率的影响37（3）电压的影响在电场强度不很高时，tg不变；在电场强度较高时，tg随电场强度升高而迅速增大。38液体介质击穿机制电击穿热击穿（气泡或其他悬浮杂质导致）电化学击穿绝缘媒质冷却媒质(如在变压器中)灭弧媒质(如在断路器中)液体介质的三大作用第四节.液体电介质的击穿特性39电击穿理论认为，在电场作用下，阴极上由于强电场发射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致击穿。与气体中自持放电的形成相类似。纯净的液体中的击穿过程可以用电击穿理论解释。由于液体密度远较气体的大，电子自由行程很小，所以纯净液体介质的击穿强度大大超过气体的击穿强度。气泡击穿理论认为，当油中存在或电极上附着有气泡时，在交流电压下，由于气泡中的场强与油中的场强按各自的介电常数成反比分配，从而汽泡中承受着较大的场强。但汽体的击穿场强又比油的低得多，所以总是气体先发生电离。这又使气泡温度升高，体积膨胀，电离将进一步发展。而带电粒子撞击油分子，使油又分解出气体，扩大气体通道。电离的气泡在电场作用下容易排列成连通两极的“小桥”，这时击穿就可能在此通道中发生。四.液体电介质的击穿特性40四.液体电介质的击穿特性1.“小桥”理论(即:“气泡”击穿理论)变压器油的击穿主要原因,在于杂质的影响，而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成，它们在电场的作用下，在电极间逐渐排列成为小桥，从而导致击穿。412.影响液体电介质击穿电压的因素（1）自身品质因素：杂质的多少（含水量、纤维量、气量）通过标准油杯中变压器油的工频击穿电压来衡量油的品质42（2）温度43（3）电压作用时间加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击穿电压很高当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击穿，击穿电压随作用时间增加而降低44（4）电场均匀程度 电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大，击穿电压也愈高455.提高液体电介质击穿电压的措施（1）过滤（2）防潮（3）脱气（4）覆盖层（5）绝缘层（6）屏障46第五节.固体电介质的击穿1.击穿形式(1).电击穿(2).热击穿(3).电化学击穿47 热击穿的机制热击穿是由电介质内部的热不稳定所造成的。在介质内部耗散的热量使介质温度升高，从而增大介质的电导和tg，这反过来又使温度进一步升高。若到达某一温度后发热等于 散热温度即终止上升。介质处于热稳定状态，不会导致绝缘强度的破坏。然而这一稳定状态不是在任何电压下都可能建立的。当达到某一临界电压时，在所有温度下，发热量总是大于散热量。这时介质的温度将持续上升(电流增大)，直到产生热破坏(烧成导电通道)，并永远丧失其绝缘性能，这就是热击穿。48 热击穿的机制在交流电压作用下介质的功率损耗 P 随温度的升高而增大；单位时间产生的热量与介质损耗 P 成正比；单位时间内散出的热量（热量只能从电极两边散出）491)当电压为较低值U1时，Q1与Q2相交于A点，对应的温度为tA。一旦温度上升 t tA，则 Q2 Q1，温度将下降到tA。一旦温度 t Q2，温度将回升到 tA2)当电压为U2，Q1与Q2相交于K点，只有在 t=tk时,Q1=Q2;当 t tk,Q1Q2,温度上升直到热击穿。3)当电压大于U2，在任何温度Q1 Q2QttA tKQ1(U3)Q1(U2)Q1(U1)Q2 热击穿的机制50电击穿的机制关于电击穿的机理有各种理论和假设，归纳起来为，在强电场下，电介质内部带电粒子剧烈运动，发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶体结构，使电导增大而导致击穿。51电击穿的主要特征1.与环境温度无关；2.介质发热不显著；3.电场的均匀程度对击穿电压有显著影响；4.电击穿场强 106107 V/cm1.热击穿电压随环境温度的升高成指数率下降；2.热击穿电压直接与试样的散热条件有关；3.当电压频率增大时，热击穿电压将下降；4.热积累需要时间。当电压上升快，或加热时间短，热击穿电压将增高；5.热击穿场强 104105 V/cm热击穿的主要特征两种击穿的特征比较522.影响因素(1).电压作用时间(2).电场均匀程度与介质厚度(3).电压种类(4).电压作用的累积效应(5).受潮533.提高击穿电压的措施(1).改进制造工艺:尽可能清除介质中的杂质,可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍等方法。(2).改进绝缘设计:尽可能使电场均匀(3).改善运行条件:注意防潮、尘污，加强散热冷却54变压器排风散热55绝缘的老化：固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化。绝缘老化的原因1)局部放电老化2)热老化3)机械力的作用4)环境的影响第六节.电介质的老化56绝缘材料的耐热等级57七.描写电介质电性能的四个物理量与对应的四个物理现象1.电介质的极化 相对介电系数2.电介质的电导 电导率 3.电介质的损耗 介质损失角正切tg4.电介质的击穿 电场强度E 5