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1、本次课程目的要求本次课程目的要求1、能表述介质损耗的概念、能表述介质损耗的概念 2、能说明介质损耗的组成，能表述其物理意义、能说明介质损耗的组成，能表述其物理意义 3、能说明含杂液体击穿特点及影响、能说明含杂液体击穿特点及影响Ub的因素的因素 4、能说明提高液体介质击穿电压的措施、能说明提高液体介质击穿电压的措施 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿2.3 电介质的损耗电介质的损耗一、基本概念一、基本概念在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导损电导损耗耗和和有损极化有损极化（偶极子、夹层极化）（偶极子、夹层极化）损耗损耗
2、，总称，总称介质损耗介质损耗。 直流下：直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压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。必再引入介质损耗这个概念。交变电场：交变电场：电介质能量损耗包括电导损耗（通过电介质的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）和极化损耗（交流电压下由周期贯穿性泄漏电流所引起）和极化损耗（交流电压下由周期性极化所引起）。
3、性极化所引起）。电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿二、介质损耗分析二、介质损耗分析交流时流过电介质的电流：交流时流过电介质的电流：介质损耗介质损耗介质损耗介质损耗( (有功损耗有功损耗有功损耗有功损耗) )：由上式可见，介质功率损耗由上式可见，介质功率损耗P与试验电压、被试品尺寸等因与试验电压、被试品尺寸等因素有关，不同试品间难以互相比较；而对于结构一定的被试素有关，不同试品间难以互相比较；而对于结构一定的被试品，在外施电压一定时，介质损耗只取决于品，在外施电压一定时，介质损耗只取决于tan 。 tan 被称为介质损耗角正切，它只与介质本身特性有关，被称为介质损耗角正切，它只
4、与介质本身特性有关，与材料尺寸无关，因而不同试品的与材料尺寸无关，因而不同试品的tan 可相互比较。可相互比较。 对同类试品绝缘的优劣可用对同类试品绝缘的优劣可用tan 来代替来代替P对绝缘进行判断。对绝缘进行判断。电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿有损介质的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路有损介质的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路tantan的物理含义的物理含义的物理含义的物理含义：表征单位体积均匀介质内能量损失的大小表征单位体积均匀介质内能量损失的大小 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿实际上，电导损耗和极化损耗都同时存在。实际上，电
5、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：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；：反映电子式和离子式极化；Ca、ra：反映吸收电流，表：反映吸收电流，表示有损极化；示有损极化；R：反映电导损耗，该支路流过的电流为泄漏：反映电导损耗，该支路流过的电流为泄漏电流。电流。C0 Cara R三、影响介质损耗的因素三、影响介质损耗的因素温度、频率、电压温度、频率、电压温度、频率、电压温度、频率、电压1、气体的介质损耗、气体的介质损耗 UU0时仅有很小的电导损耗，且与时仅有很小的电导损耗，且与U无关；无关；UU0，有游离、局放、电晕损耗等，有游离、局放、电晕
6、损耗等，U tan 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿2、液体的介质损耗、液体的介质损耗 与与电压电压电压电压的关系：的关系： UU0时，仅有很小的电导损耗；时，仅有很小的电导损耗；U U0后，液体分子发生游离，电导迅速增大；后，液体分子发生游离，电导迅速增大；（1） 中性或弱极性液体介质中性或弱极性液体介质与与温度温度温度温度的关系：随温度上升按指数规律增大。的关系：随温度上升按指数规律增大。（2） 极性液体介质极性液体介质损耗主要由电导引起损耗主要由电导引起电导和极化损耗电导和极化损耗随随电压电压电压电压变化的关系与中性或弱极性相同变化的关系与中性或弱极性相同;与与温度温
7、度温度温度的关系：的关系：TCT1C：电导和极化损耗较小，电导和极化损耗较小，TC电导损耗电导损耗& 粘度下降极化粘度下降极化极化损耗极化损耗 tan T1C TCT2C： 分子热运动加快妨碍偶极子转向分子热运动加快妨碍偶极子转向极化损耗极化损耗&电导损耗电导损耗 tan 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿TCT2C：电导损耗电导损耗& 极化损耗极化损耗 tan 与与频率频率频率频率的关系：的关系：较低较低f：f极化极化tan 较高较高f：f偶极子转向困难偶极子转向困难tan3、固体的介质损耗、固体的介质损耗 (1) 无机绝缘材料：无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母、陶瓷、玻
8、璃 云母：云母：云母：云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是由电导引起损耗，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；理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 电工陶瓷：电工陶瓷：电工陶瓷：电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；既有电导损耗，又有极化损耗；20C和和50Hz时时25； 玻璃：玻璃：玻璃：玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分tan 有关。有关。 (2) 有机绝缘材料：有机绝缘材料：分为分为非极性非极性非极性非极性和和极性极性极性极性非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取
9、决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿第三章第三章 液体和固体电介质的击穿液体和固体电介质的击穿3.1 液体介质的击穿液体介质的击穿一、液体介质的击穿机理一、液体介质的击穿机理主要包括主要包括天然矿物油天然矿物油和和人工合成油人工合成油及及蓖麻油蓖麻油等植物油。等植物油。工程中使用的油含有工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒水分、气体、固体微粒和和纤维纤维等杂质，等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。它们对液体介质的击穿有很大的影响。1、纯净液体介质的击穿理论、纯净液体介质的击穿理论（
10、1）电子碰撞游离理论（电击穿理论）电子碰撞游离理论（电击穿理论）在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子时可引起游离，使在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子时可引起游离，使电子数倍增，形成电子数倍增，形成电子崩电子崩电子崩电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间。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，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。导致液体介质击穿。电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿（2）气泡击穿理论（小桥理论）气泡击穿理论（小桥理论）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中场强分布与液体中出现气泡，在交
11、流电压下，串联介质中场强分布与介质介质rr成反比。气泡的成反比。气泡的rr小，其电气强度又比液体介质低很小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上升、体积多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上升、体积膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。许多游离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在许多游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。此通道中发生。2、工程用变压器油的击穿过程及其特点、
12、工程用变压器油的击穿过程及其特点可用可用气泡击穿理论气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的解释其过程，依赖于气泡的形成形成形成形成、发热、发热膨膨膨膨胀胀胀胀、气泡、气泡通道扩大通道扩大通道扩大通道扩大并形成小桥，有热过程，属于并形成小桥，有热过程，属于热击穿热击穿热击穿热击穿范畴。范畴。由于水和纤维的由于水和纤维的r很大，易沿电场方向极化定向，并排列成很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。杂质小桥。 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿(1)(1)如果杂质小桥接通电如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会致泄漏电流增大，发热会
13、促使汽化，气泡扩大，发促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。使油隙发生击穿。(2) 杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的于纤维的r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起游离，于是油分解出气体，气泡扩大，强度显著增高并引起游离，于是油分解出气体，气泡扩大，游离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。游离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。 有两种情况：有两种情况：油中受潮油中受潮水分水分(r=81) 纸布脱
14、落纸布脱落纤维纤维(r=6-7)沿电场极化沿电场极化定向排列定向排列杂质杂质 小桥小桥 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿二、影响液体介质击穿电压因素二、影响液体介质击穿电压因素1、 水分和其他杂质水分和其他杂质杂质含量越多、电场越均匀、外加电压时间越长，杂质含量越多、电场越均匀、外加电压时间越长，杂质含量越多、电场越均匀、外加电压时间越长，杂质含量越多、电场越均匀、外加电压时间越长，杂质影响越大。杂质影响越大。杂质影响越大。杂质影响越大。 （1）水分以三种状态存在于油中：）水分以三种状态存在于油中： 溶解态、悬浮态和沉渣态溶解态、悬浮态和沉渣态溶解态、悬浮态和沉渣态溶解态、
15、悬浮态和沉渣态 溶解态和沉渣态的水对工频击穿电压无影响；溶解态和沉渣态的水对工频击穿电压无影响； 悬浮态的水易在电场下形成悬浮态的水易在电场下形成“小桥小桥”，对击穿电压影响很大；，对击穿电压影响很大； ? 变压器油中含水量超过溶解度变压器油中含水量超过溶解度50ppm时，含水量时，含水量Ub迅速迅速 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿2、油温、油温 0-60度：度： 温度温度水珠溶解度水珠溶解度Ub 80度以上：度以上： 温度温度汽化汽化Ub -5度度-0度：冰水、全部悬浮，度：冰水、全部悬浮，Ub最低最低 -5度以下：粘度度以下：粘度小桥不易形成小桥不易形成Ub （2）纤
16、维越多，杂质小桥越易形）纤维越多，杂质小桥越易形成，击穿电压越低成，击穿电压越低（3）气体含量超过油中溶解度时，）气体含量超过油中溶解度时，将以自由态出现将以自由态出现Ub迅速迅速 有纤维存在时，水分影响特别明显有纤维存在时，水分影响特别明显有纤维存在时，水分影响特别明显有纤维存在时，水分影响特别明显电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿3、电场均匀度、电场均匀度 优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。 品质差的油：改善电场对于提高其工
17、频击穿电压的效果品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差。较差。 ? 冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油品质好坏几乎无关能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油品质好坏几乎无关能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油品质好坏几乎无关能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油品质好坏几乎无关4、电压作用时间、电压作用时间 油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压油隙的击穿电压会随电压作用时
18、间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。时间还会影响油的击穿性质。电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿5、油压、油压 不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的游离电压增是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的游离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。高和气体在油中的溶解度增大的缘故。油中含气体时：压力油中含气体时：压力 Ub油油(气体在油中溶解量气体在油中溶解量) 油经脱气处理：压力对油经脱气处理：压力对Ub油影响较小油影响较小三、提高液体击穿电压的措施三、提高液体击穿
19、电压的措施电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。这时影响油隙显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；击穿电压的主要因素是电场的均匀程度； 电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即
20、成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的油隙的工频击穿电压工频击穿电压和和冲击击穿电压冲击击穿电压。（2）绝缘层）绝缘层2、采用固体介质降低杂质的影响、采用固体介质降低杂质的影响机理：阻止杂质小桥的形成和发展机理：阻止杂质小桥的形成和发展（1）覆盖）覆盖紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。零点几毫米。1、减少液体中的杂质、减少液体中的杂质过滤、祛气、防潮过滤、祛气、防潮电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿思考题思考题 1-7、3-6、3-10 放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高倍或更高（3）屏障）屏障 电介质的损耗液体介质的击穿电介质的损耗液体介质的击穿
