1、1,第2章 液體和固體介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度,2.1 介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 2.2 液體介質(zhì)的擊穿 2.3 固體介質(zhì)的擊穿 2.4 絕緣介質(zhì)的其他特性,2,3,2.1.1介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗,1.介質(zhì)的極化和相對(duì)介電常數(shù),平行平板電容器在真空中的電容量為 當(dāng)極板間插入固體介質(zhì)后，電容量為 式中 A極板面積，cm2； d極間距離，cm；介質(zhì)的介電常數(shù) 0真空的介電常數(shù)，0=8.8610-14F/cm 定義 為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。,4,2.極化的形式,1)電子式位移極化,電子式極化,存在于一切物質(zhì)中；極化所需的時(shí)間極短，約10-15s ； 具有彈性，沒有損耗；溫度對(duì)電子式極化影響不大。,5,2)離子式

2、位移極化,離子式極化,彈性極化；極化過(guò)程所需的時(shí)間很短，約10-13s；溫度 對(duì)此極化存在一定影響，r一般具有正的溫度系數(shù)。,6,3)偶極子極化,偶極子極化 (a)無(wú)外電場(chǎng)時(shí)；(b)有外電場(chǎng)時(shí),轉(zhuǎn)向極化，非彈性；極化所需的時(shí)間較長(zhǎng)，約10-10s 10-2s；r在低溫下先隨溫度的升高而增加，以后當(dāng)熱 運(yùn)動(dòng)變得強(qiáng)烈時(shí)，r又隨溫度上升而減小。,7,4)夾層極化,夾層極化,8,9,10,2.1.2 電介質(zhì)的電導(dǎo),1泄漏電流和絕緣電阻,絕緣電阻,表面絕緣電阻,一般所指泄漏電流是流過(guò)介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，相應(yīng)的絕緣電阻是體積絕緣電阻 。,11,電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，表征電導(dǎo)的參數(shù)是電導(dǎo)

3、率，在高電壓工程中一般常用電阻率來(lái)表征介質(zhì)的 絕緣電阻。液體與固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度有下述關(guān) 系： 式中 A常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)； T熱力學(xué)溫度，單位為K； 電導(dǎo)活化能； k波爾茲曼常數(shù)。,12,電介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度上升而增大,13,2電介質(zhì)的電導(dǎo)電流,電介質(zhì)中的電流及其等效電路 (a)在電荷介質(zhì)上施加直流電壓；(b)流過(guò)電介質(zhì)中的電流； (c)介質(zhì)等值電路,14,i1電容電流分量 i2由介質(zhì)的有損極化過(guò)程所決定 i3泄漏電流，又稱為電導(dǎo)電流,總電流,15,3工程介質(zhì)電導(dǎo)的性質(zhì),1)氣體介質(zhì)電導(dǎo)（光游離、碰撞游離） 2)液體介質(zhì)電導(dǎo) （離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo)） 3)固體介質(zhì)電導(dǎo) （離子電導(dǎo) 、

4、電子電導(dǎo) ）,4討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義,16,2.1.3電介質(zhì)的損耗,1.電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角正切,介質(zhì)在交流電壓作用時(shí)的電流相量圖及功率三角形 (a)接線圖；(b)相量圖；(e)功率三角形,17,電流 I,有功,無(wú)功,視在功率,介質(zhì)損耗,18,介質(zhì)損失角正切值 同 一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無(wú)關(guān)。 所以用介質(zhì)損失角的正切tan來(lái)判斷介質(zhì)的品質(zhì)。,19,有損介質(zhì)可以用一個(gè)無(wú)損耗的理想電容和一個(gè)有效電阻并聯(lián)或串聯(lián)來(lái)表示,有損介質(zhì)的等值電路和相量圖 (a)并聯(lián)等值電路；(b)串聯(lián)等值電路,20,（a）圖,（b）圖,如果損耗主要是由電導(dǎo)引起的，常使用并聯(lián)等值電路； 如果損耗主要是由介質(zhì)極化

5、及連接導(dǎo)線引起的，則常應(yīng)用串聯(lián)等值電路 。,21,經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為,22,2.影響介質(zhì)損耗的因素,溫度 頻率 電壓,氣體中的 tan與電壓的關(guān)系,當(dāng)外施電壓超過(guò)起始放電電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加。,（1）氣體介質(zhì)的損耗,23,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不足以產(chǎn)生碰撞電離時(shí)，氣體中的 損耗是由電導(dǎo)引起的，損耗極?。╰an10-8）。,但當(dāng)外施電壓U超過(guò)電暈起始電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加，如圖所示。,氣體的介損和電壓的關(guān)系,（2）液體介質(zhì)的損耗,24,中性或弱極性液體介質(zhì)：電導(dǎo)損耗，損耗較小。 極性液體及極性和中性液體的混合油：電導(dǎo)和極化損 耗，所以損耗較大，而且和溫度、頻率都有關(guān)

6、系，如圖。,極性液體介質(zhì)介損和溫度的關(guān)系 f1頻率 f2頻率,25,電壓頻率對(duì)tan的影響很大，且與絕緣材料性質(zhì)有關(guān)?？傮w體現(xiàn)在：隨著頻率增加，介質(zhì)中離子往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度增加，損耗加大，但頻率過(guò)高偶極子轉(zhuǎn)向來(lái)不及跟隨電壓的變化，損耗反而下降。要使極化充分，必須升高溫度以減小粘度。 電力系統(tǒng)中電源頻率固定為50Hz，一般頻率只有很小變化，可視為對(duì) tan無(wú)影響 .,（3）固體介質(zhì)的損耗 分子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)： 中性：主要電導(dǎo)損耗，損耗極小，如石蠟、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等； 極性：tan值較大，與溫度、頻率的關(guān)系和極性液體相 似，如紙、纖維板和聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂等， 離子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)：主

7、要電導(dǎo)損耗，損耗極小，如云母等； 不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)：損耗取決于其中各成分的性能和數(shù)量間 的比例，如云母制品、油浸紙、膠紙絕緣等； 強(qiáng)極性電介質(zhì)：在高壓設(shè)備中極少使用。,26,27,2.2 液體介質(zhì)的擊穿,2.2.1 液體介質(zhì)的擊穿機(jī)理,純凈的液體介質(zhì)電擊穿理論和氣泡擊穿理論 工程純液體 小橋理論 純凈的液體介質(zhì)：擊穿過(guò)程與氣體擊穿的過(guò)程很相似，但 其擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（很小的均勻場(chǎng)間隙中可達(dá)到1MV/cm） 工程用的液體介質(zhì)：擊穿場(chǎng)強(qiáng)很少超過(guò)300kV/cm，一般 在200kV/cm250kV/cm的范圍內(nèi)（以上擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均指在 標(biāo)準(zhǔn)試油杯中所得數(shù)據(jù)） 原因：工程液體介質(zhì)的擊穿是由液體中的氣泡或雜質(zhì)等引

8、 起的，即氣泡或雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下在電極間排成“小橋”， 引起擊穿，即“小橋理論”。,28,電擊穿理論：液體分子由電子碰撞而發(fā)生游離 氣泡擊穿理論：液體分子由電子碰撞發(fā)生氣泡，或在電場(chǎng)下因其他原因發(fā)生氣泡，氣泡內(nèi)氣體放電引起液體介質(zhì)熱擊穿。,29,小橋理論：油中主要雜質(zhì)是水分和纖維，他們的介電常數(shù)非常大，電場(chǎng)下易極化，沿電場(chǎng)方向被拉伸，排列成雜質(zhì)小橋。當(dāng)小橋貫通兩極時(shí)，則由于水分和纖維電導(dǎo)大，引起雜質(zhì)小橋的泄漏電流增大，發(fā)熱增多，促使水分氣化，形成氣泡。即使雜質(zhì)小橋未聯(lián)通兩極，由于纖維的存在，其端部油中場(chǎng)強(qiáng)顯著提高，高場(chǎng)強(qiáng)下油發(fā)生游離分解出氣體形成氣泡，氣泡處發(fā)生游離放電，帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)撞擊油分子，使

9、油分解出氣體，氣體中進(jìn)一步游離出帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)，最終使得游離氣泡不斷增大，在電場(chǎng)作用下容易排列成連接兩極的氣體小橋，可能在氣泡通過(guò)中形成擊穿。,30,變壓器油樣品,31,2.2.2影響液體介質(zhì)擊穿的因素和改進(jìn)措施,1.油品質(zhì)的影響,液體中所含雜質(zhì)成分及數(shù)量對(duì)液體介質(zhì)中的擊穿電壓有顯著影響,在標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓和含水量的關(guān)系,水分、雜質(zhì)對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響,W為110-4時(shí)已使油的擊穿強(qiáng)度降得很低。含水量再增大時(shí)，影響不大,32,油中最主要的雜質(zhì)是水分，水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于液體介質(zhì)，水滴在電場(chǎng)方向被拉長(zhǎng)，具有伸長(zhǎng)橢圓形的形狀，極化了的水滴或受潮的纖維向高場(chǎng)強(qiáng)處運(yùn)動(dòng)，逐漸形成導(dǎo)電的小橋，

10、導(dǎo)致液體的擊穿。 放電所產(chǎn)生的碳粒和氧化所生成的殘?jiān)?，使使電?chǎng)變的不均勻，還可以附著于固體表面，降低沿面放電電壓。,33,油中溶解的氣體受熱或攪動(dòng)時(shí)易釋放形成氣泡，這些氣泡在較低電壓下可能游離，游離氣泡的溫度升高而蒸發(fā)，沿電場(chǎng)方向也易形成小橋，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆怠?電場(chǎng)越均勻，擊穿電壓分散性越大。 不均勻電場(chǎng)中，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)高處發(fā)生了局部放電，液體擾動(dòng)，雜質(zhì)不易形成小橋，影響較小。,34,2.溫度的影響（下左圖） 3.電壓作用時(shí)間的影響,變壓器油工頻擊穿電壓與 溫度的關(guān)系 l干燥的油；2潮濕的油,變壓器油的擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系,35,電壓作用時(shí)間長(zhǎng)，油中雜質(zhì)有足夠時(shí)間形成雜質(zhì)小橋，擊穿電壓

11、低； 電壓作用時(shí)間短，雜質(zhì)來(lái)不及形成小橋，擊穿電壓提高，電壓作用時(shí)間越短，擊穿電壓越高。,36,4.電場(chǎng)均勻程度的影響,油純度較高時(shí)，改善電場(chǎng)的均勻程度能有效地提高工頻或直流擊穿電壓，但在較臟的油中，雜質(zhì)的積聚和排列已使電場(chǎng)畸變，電場(chǎng)均勻的好處不明顯；沖擊電壓作用時(shí)，小橋不易形成，改善電場(chǎng)均勻程度能提高沖擊擊穿電壓。 極不均勻電場(chǎng)中，擊穿前的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部放電，引起液體介質(zhì)的擾動(dòng)，使小橋不易在極間排成； 油浸式絕緣結(jié)構(gòu)中，如在運(yùn)行中能保持油的清潔，或絕緣主要承受沖擊電壓，則應(yīng)使用均勻電場(chǎng)；如絕緣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受運(yùn)行電壓，或運(yùn)行中易老化劣化，則使用不均勻電場(chǎng)。,37,5.壓力的影響,變壓器工頻擊

12、穿電壓與壓力的關(guān)系,對(duì)液體介質(zhì)的擊穿電壓影響最大的是雜質(zhì),38,對(duì)工程液體電解質(zhì)，擊穿電壓隨壓力的增加而提高。隨著壓力的增加，氣體在油中的溶解度增加，氣泡的局部放電起始電壓也提高，這兩個(gè)因素都將使液體的擊穿電壓提高。 對(duì)于較純凈的液體或在沖擊電壓下，壓力對(duì)擊穿電壓基本無(wú)影響。,39,絕緣外殼,黃銅電極,標(biāo)準(zhǔn)試油杯（圖中尺寸均為mm）,油間隙距離2.5mm,減小雜質(zhì)影響的措施,（1）過(guò)濾 使油在壓力下通過(guò)濾油機(jī)中的濾紙，即可將纖維、碳粒等固態(tài)雜質(zhì)除去，油中大部分水分和有機(jī)酸等也會(huì)被濾紙所吸附。 （2）防潮 絕緣件在浸油前必須烘干，必要時(shí)可用真空干燥法去除水分。 （3）祛氣 將油加熱，噴成霧狀，并

13、抽真空，可以達(dá)到去除油中水分和氣體的目的。 （4）用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響 常用措施為覆蓋層、絕緣層和屏障。,41,2.3 固體介質(zhì)的擊穿,2.3.1 固體介質(zhì)的擊穿機(jī)理,特點(diǎn)： 固體介質(zhì)的擊穿電壓與外施電壓作用時(shí)間長(zhǎng) 短有密切關(guān)系 非自恢復(fù)絕緣,42,固體介質(zhì)的固有擊穿強(qiáng)度比液體和氣體介質(zhì)高，其擊穿的特點(diǎn)是擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用的時(shí)間有很大的關(guān)系。,43,擊穿形式： 1.電擊穿 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，介質(zhì)內(nèi)的少量自由電子得到加速，產(chǎn)生碰撞游離，使介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增多，導(dǎo)致?lián)舸?特點(diǎn) ： 擊穿過(guò)程極短；擊穿電壓高，介質(zhì)溫度不高；擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電場(chǎng)均勻程度關(guān)系密切，與周圍環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。,44,電擊穿的

14、體積效應(yīng)和累積效應(yīng) 體積效應(yīng)：固體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)分散性很大，這與材料不不均勻性有關(guān)。加大試樣的面積或體積使材料弱點(diǎn)出現(xiàn)的概率增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。 累積效應(yīng)：固體介質(zhì)在沖擊電壓多次作用下，其擊穿電壓Un有可能低于單次沖擊作用時(shí)的擊穿電壓U1.,45,2.熱擊穿 絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，會(huì)因電導(dǎo)電流和介質(zhì)極化引起介質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱。介質(zhì)電導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇增大，因此介質(zhì)的發(fā)熱因溫度的升高而增加。如果介質(zhì)中產(chǎn)生的熱量總是大于散熱，則溫度不斷上升，造成材料的熱破壞而導(dǎo)致?lián)舸?特點(diǎn)： 擊穿與環(huán)境有關(guān)，與電壓作用時(shí)間有關(guān)，與電源頻率有關(guān)，還與周圍媒質(zhì)的熱導(dǎo)、散熱條件及介質(zhì)本身導(dǎo)熱系數(shù)、損耗、厚

15、度等有關(guān)。擊穿需要較長(zhǎng)時(shí)間，擊穿電壓較低。,46,介質(zhì)發(fā)熱（曲線1，2，3）及散熱（曲線4）與介質(zhì)溫度的關(guān)系 U1 U2 U3,發(fā)熱曲線3與散熱曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，即熱平衡點(diǎn)Ta和Tc。 Ta穩(wěn)定， Tc不穩(wěn)定,曲線2與曲線4相切，只有一個(gè)熱平衡點(diǎn)Tb，但不穩(wěn)定。U2是臨界熱擊穿電壓，Tb則是熱擊穿的臨界溫度,根本不存在熱平衡點(diǎn)，必然發(fā)生熱擊穿,47,3.電化學(xué)擊穿 電氣設(shè)備在運(yùn)行了很長(zhǎng)時(shí)間后(數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)年)，運(yùn)行中絕緣受到電、熱、化學(xué)、機(jī)械力作用，絕緣性能逐漸變壞，這一過(guò)程是不可逆轉(zhuǎn)的，稱此過(guò)程為老化。 由于介質(zhì)逐步老化，導(dǎo)致絕緣性能下降，以致絕緣在工作電壓下或短時(shí)過(guò)電壓下發(fā)生擊穿，稱此擊穿

16、為電化學(xué)擊穿。,48,2.3.2影響固體介質(zhì)擊穿的因素和改進(jìn)措施,1.電壓作用時(shí)間,電工紙板的伏秒特性,外施電壓作用時(shí)間對(duì)擊穿電壓的影響很大,A-電擊穿 B-熱擊穿,49,2.溫度,工頻下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系,應(yīng)改善絕緣的工作條件，加強(qiáng)散熱冷卻，防止臭氧及有害氣體與絕緣介質(zhì)接觸等。,tt0,熱擊穿。,50,3.電場(chǎng)均勻程度,均勻致密的介質(zhì)，在均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓較高，且與介質(zhì)厚度有直線關(guān)系； 在不均勻電場(chǎng)下，擊穿電壓隨介質(zhì)厚度增加而下降，當(dāng)厚度增加時(shí)，散熱困難，可能出現(xiàn)熱擊穿，故增加厚度的意義更小。,4.受潮,介質(zhì)受潮后擊穿電壓迅速下降，對(duì)易吸潮的纖維影響特別大。,51,基本無(wú)累積效應(yīng),有累積效應(yīng),5.累積效應(yīng) 在多次沖擊或工頻試驗(yàn)電壓下，一系列的不完全擊穿將導(dǎo)致介質(zhì)的完全擊穿，反映出隨著施加沖擊或工頻試驗(yàn)電壓次數(shù)增多，固體介質(zhì)的擊穿電壓將下降的現(xiàn)象，稱為累積效應(yīng),52,6.機(jī)械負(fù)荷 介質(zhì)在機(jī)械負(fù)荷作用下發(fā)生裂縫，其