固体液体的放电特性.ppt

第2章 液体、固体介质的电气特性 液体、固体在电场下的四个行为特征参数 液体、固体的击穿特性 组合绝缘的性能 延缓绝缘衰老的方法,第1节 电介质的极化、电导和损耗 主要内容： 一、介质的极化 二、电介质的电导 三、介质的损耗 在电场强度比介质的击穿场强小得多的电场下，各类电介质都有极化、电导、损耗等电气物理现象,主要注意液体和固体介质在这些方面的特性。,一、电介质的极化 介电常数 （ r）：反映电介质的极化特性。 1. 极化类型,相对介电常数r的定义： 极板间为真空时：,当极板间充满一块电介质，极板上的电荷增加为Q0+Q。,相对介电常数的定义为：,2、 r与f、T的关系 电子式极化： r与f、T几乎无关 离子式极化： r与f无关，具有正的温度系数 偶极子式极化： 极性气体介质r具有负的温度系数；液体、固体介质 rT、f：先上升，后下降 夹层介质界面极化：其各层电位最初按介电常数r分布，逐步过渡到稳态按电导率分布 空间电荷：极化缓慢，当f很高时没有极化现象 对具体介质而言，必须说明其相对介电常数r对应的极化条件：频率和温度。,3.常用电介质的介电常数,在20时工频下，气体介电常数接近1，液体和固体的介电常数大多在26之间。 了解电介质的介电常数在工程上具有很大的意义。电缆可选择较小介电常数材料，电容器可选择较大的介电常数材料。,二、电介质的电导 1.电导的概念 2.电导的形式 （1）离子电导：在电场或外界因素影响下（紫外线辐射）本身产生电离，正负离子沿电场方向移动，形成电导电流即离子电导。 （2）电子电导：在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电离，激发出电子。这些电子在电场作用下移动形成电子电导电流。 当电子电导电流出现电介质已被击穿（电介质的电导一般指离子电导）。,3.液体介质,中性 极性 强极性,分子的离解度小，电导率小,电导率较大,液体介质的电导率 ：,A：常数，与介质性质有关 T：绝对温度，单位为K ：导电率的活性化能量，对矿物油、硅油 0.41eV k：玻尔兹曼常数 在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须记录环境温度，以便对测量结果进行分析。,4.固体介质 （1）J-E关系（电导电流密度-电场强度关系）,区：离子电导区，J-E成正比 区：离子电导区，J-E成指数关系 区：电子电导区：J-E成指数关系,（2）固体电介质的表面电导 固体电介质的表面电导，主要决定于它表面吸附导电杂质(水、污染物等)的能力及其分布状态。 在实际测试中，有时表面电导远大于体积电导。 （3）电介质电导的意义 电压稳态分布与电导成反比绝缘配合问题 在预防性实验中测试介质的绝缘电阻（电导）、泄漏电流以判断绝缘是否受潮或劣化,二、电介质的损耗 1. 电介质的损耗种类,电导引起的损耗 某些有损极化引起的损耗（偶极子极化、夹层极化）,直流电压作用下的损耗 用体积电阻率和表面电阻率描述，只有电导损耗 交流电压下的损耗,电导损耗 周期性极化引起的能量损耗,介质在交流电压下的向量图和功角特性,不能用介质损耗P作为比较各种介质品质好坏的依据。 为什么？ 介质损耗角的正切tg ：作为综合反映电介质损耗特性优劣的依据。,用三个并联支路等效有损介质的电导损耗和极化损耗。,等值电路 交流电压下特性 直流电压下特性,C1：介质的无损极化（电子式和离子式极化）电容电流 C2-R2：各种有损极化，吸收电流 R3：代表绝缘电阻，反映电导损耗 i-t曲线：吸收曲线,施加直流电，极化过程结束后，仅存电导过程，此时流过介质的电流就是泄漏电流，相应电阻就是绝缘电阻；,泄漏电流、绝缘电阻可以来判断绝缘的好坏，绝缘电阻越大，泄漏电流越小，电介质的绝缘越好； 吸收曲线也可用来判断电介质绝缘的好坏，绝缘越好，吸收曲线衰减越慢；绝缘越差，吸收曲线衰减越快。 电介质的损耗，包括电导损耗、极化损耗，还有介质气隙中气体电离引起的损耗。,2. 气体介质的损耗,损耗角正切值与场强关系,E=E0：气体局部放电，损耗急剧增加，常发生在固体或液体介质中含有气泡的场合。,3. 液体介质的损耗 中性或弱极性液体介质 主要为电导损耗，因此tg较小，损耗与温度的关系和电导相似，有正温度系数。 极性液体介质（蓖麻油、氯化联苯、松香油） 除电导损耗外，还有极化损耗，因此tg较大，而且和T、f有关。,（1）温度的影响 tt2：随温度升高，电导损耗增加。,（2）频率的影响 当f在一定范围内，随f的增加，损耗增加；当f超过一定的范围后，损耗减小。 （3）电压的影响 E=E0：由于存在弱点或气泡发生局部放电，tg急剧增加。 采用较高的电压测量损耗角正切值，可以发现介质中夹杂的气隙、龟裂等缺陷。,4. 固体介质的损耗 有机绝缘材料 极性介质：聚氯乙烯、纤维素、酚醛树脂、胶木、绝缘纸 tg=0.1%1.0%，与T、f的变化关系与极性液体介质相似 非极性介质：聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯 只有电子式极化， 损耗由电导引起，与f几乎无关，如聚乙烯tg=0.01%0.02%。 无机绝缘材料 云母、陶瓷、玻璃，离子式结构电介质，主要是电导损耗。,第2节 液体介质的击穿 主要内容： 一、液体介质击穿的概念 二、影响液体介质击穿电压的因素 三、减小杂质影响的办法,矿物绝缘油：变压器油、电缆油、电容器油 植物油：蓖麻油 合成液体绝缘材料：硅油,液体介质,绝缘媒质 冷却媒质（变压器） 灭弧媒质（断路器） 储能媒质（电容器）,作用,一、液体介质击穿的概念 按照某些因素占主导地位来分析液体介质的击穿，可提出下述概念以统一和完善其放电机理。 1.被掩盖的气体放电 在短时交流电压、脉冲电压作用下，可以认为绝缘液体的击穿是由电子碰撞电离造成的。 液体分子间存在空穴（自身蒸发、外来气体、气穴）油分解、碰撞游离离子浓度上升，电流增大发热气泡形成气泡电离电导率增加油中电场分布畸变气泡电离形成电子崩绝缘液体将直接电离或分级电离电、热作用下油隙完全击穿。 因此将油隙击穿称为被掩盖的气体放电。,2.纤维桥接击穿 液体介质中含有固体杂质（纤维）受潮介电常数增加极化移动到E较高区域,形成导电桥电导率高、电流密度大发热液体蒸发气泡击穿在缺陷处的局部热击穿,尚未形成导电桥 杂质与油串联 纤维素的介电常数大、电导大 端部油中E增大 油电离 分解气体产生气泡被掩盖的气体放电,纤维桥接击穿和被掩盖的气体放电有什么关系？,二、影响液体介质击穿电压的因素 因素：电压形式，电极形状，油中水、气、杂质含量，油量，温度 实验项目：用标准油杯测量油的工频击穿电压。,电极的边缘为半圆形，以减弱边缘效应，使极间电场基本均匀。,1.电压形式的影响 Ub(油间隙) Ub(空气间隙) 施加时间 Ub 升压速度 Ub 液体的冲击击穿场强液体的工频击穿场强 液体冲击系数空气冲击系数,变压器油击穿电压与极间距离关系 1 -1.2/50us波 2 +1.2/50us波 3 工频电压,2.电压作用时间的影响 液体电介质的击穿过程存在发热、伴有温度的升高，而温度的升高需要一定的时间。,电压非常高几微秒便击穿电击穿击穿电压很高 电压作用时间大于毫秒热击穿一般都是热击穿,击穿电压随作用时间增加而降低，但是在油不太脏的情况下，1min的击穿电压与长时间的击穿电压相差不大，因此变压器油的耐压试验通常加压1min。,3.水分的影响 溶解状态：对击穿强度无影响 悬浮状态：少量水份，也会使击穿强度急剧下降 沉淀状态：即使沉淀水分增加，击穿强度也不会 下降，但是对于油的绝缘性能非常有害。 25时，水在油中的溶解度为十万分之五，多余水分以悬浮状态存在。 当含水量超过0.02%时，多余的水分将沉淀到容器底部，以沉淀状态存在。,不同含水量变压器油的击穿场强与温度的关系,4.温度的影响 对于潮湿的油，当温度发生变化时，击穿电压发生波动； 对于干燥的油，当温度升高时，击穿电压略有下降。 5.含气量的影响,含气量,在溶解范围内Eb与含气量无关 在溶解范围外Eb将下降,6.杂质的影响 纤维杂质对Ub影响较大，碳粒影响不大。,1纯油 2含1.76mg碳 3含0.21mg纤维 4含1.12mg纤维,7.电场均匀度的影响 （1）稳态电压作用下 当油纯度较高时，改善电场均匀度可提高击穿电压，但当油品质较差时，改善电场均匀度效果不明显。 （2）冲击电压 改善电场可提高油隙的冲击击穿电压，与油品质无关。,8.油量的影响,击穿电压和极间距离关系 1半球电极 2尖尖电极,均匀电场中冲击击穿场强与 油体积之间的关系,油的击穿场强随浸没电极的油量的增加而明显下降，这是因为油隙中缺陷（及杂质）出现的概率随油量增加而增大的缘故。 不可将小体积油的检测结果直接用于高压电气设备的绝缘设计。,三、减小杂质影响的办法 1.提高油的品质 过滤：将油在压力下连续通过滤油机中的滤纸层，油中的纤维等杂质会被滤纸阻挡，油中大部分的水分和有机酸也被滤纸纤维吸附。 防潮：浸油前，采用烘干、抽真空等方法去除绝缘件中的水分，有些电气设备，如变压器，如不能完全密封，则可在呼吸器的入口处放置干燥剂，以防止潮气进入。 怯气：先将油加热，在真空中喷成雾状，油中所含气体和水分即挥发并被抽走。对于电压等级高的电气设备，要求在真空条件下将油注入电气设备。,2.采用油屏蔽式绝缘 覆盖层：限制泄漏电流，阻止纤维小桥发展 绝缘层：减少油中杂质，降低电极表面Emax，提高击穿电压 隔板（屏蔽）：阻止纤维小桥形成，又能改善电场均匀度。,第3节 固体介质的击穿 主要内容： 一、固体介质击穿的特点 二、固体介质的击穿理论 三、提高固体介质强度的措施,一、固体介质击穿的特点 Eb（固体）Eb（液体）Eb（气体） 固体介质的击穿形式 电击穿、热击穿、电化学击穿 固体介质击穿的特点 击穿场强与电压作用时间有很大关系 固体介质的击穿为永久性破坏，如分解、融化、烧,击穿场强与 电压作用时间关系,焦，属于非自恢复绝缘。,二、固体介质的击穿理论 1.电击穿理论 纯电击穿理论（自由电子） 集体电子击穿理论（电子的活化） 空间电荷理论（空间电荷作用增强的结果） （1）场合 固体介质的电导很小、又有良好的散热条件及介质内部不存在局部放电情况，Eb一般达105106kV/m，作用时间很短。 （2）特征 击穿电压几乎与周围环境温度无关 除时间很短的情况外，Ub与作用时间关系不大 介质发热不显著 电场的均匀程度对击穿电压有显著影响,2.热击穿理论 （1）原因 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。 （2）过程 固体介质长期承受电压电导电流、介质极化介质损耗介质发热发热散热T电导率发热增加温度不断升高材料热破坏，导致击穿 （3）发热与散热的配合关系,介质的发热和散热与温度的关系 A1(A2)稳定平衡态 B1(B2)不稳定平衡态 U2U1,改善曲线2与曲线12配合关系的措施： 在不改变发热的前提下，改善散热条件，使散热曲线的斜率增大，即 12； 在不改变散热的前提下，降低发热，减小施加在介质上的电压，即UU2，最终使发热线与散热线的配合有两个交点，并且两个交点对应的温差至少要大于某一特定的温升。,特定温升：在实际使用中，固体介质可能遇到冲击电压作用而引起温度升高时都不会进入热击穿区。,（4）热击穿与频率关系 未受潮的良好绝缘在直流电压下很少发生热击穿 当交流电压频率增高时，热击穿的可能性比工频时大很多。 3.电化学击穿理论 现象：固体介质受到电、热、化学和机械的长期作用，其绝缘性能会发生劣化，最终导致热击穿或电击穿，称为电化学击穿。 原因：此类击穿可能是绝缘材料内部的层间、裂纹处、空穴或杂质上的局部放电所引起的。 过程：E超过Eb出现不可逆破坏（局部放电、电树枝非完全击穿）树枝状通道树枝生长电介质击穿（局部放电、腐蚀击穿、电老化）,电树枝：具有清晰的分支，树枝管道是连续的 水树枝：常呈现绒毛状一片或多片，扇状、羽毛状、 蝴蝶状,产生和发展水树枝所需的场强，比产生和发展电树枝所需场强低得多。 电老化：如果绝缘材料在发生局部放电，随着加压时间的增长其绝缘逐渐变化，此过程为“电老化”。,三、影响固体电介质击穿电压的因素 1.电压作用时间 对于多数固体电介质，其击穿电压随电压作用时间的延长而显著下降，明显存在临界点。,2.电场均匀程度与介质厚度 （1）均匀电场 在电击穿区，击穿场强与介质厚度无关；在热击穿区，击穿场强随介质厚度增加而减小。,（2）不均匀电场 介质厚度增加将使电场更加不均匀，在电击穿区，击穿电压并非随介质厚度增加而线性增加；当厚度增加到使散热困难，达到热击穿时，增加厚度便无意义了。 3.电压种类 直流电压作用下的击穿电压要高于工频交流作用下的击穿电压； 工频交流击穿电压要高于高频交流击穿电压； 冲击击穿电压要高于工频交流击穿电压。 4.累计效应 5.受潮 有吸水性的介质，易引起热击穿，击穿电压明显下降。 6.温度,四. 提高局部放电电压措施 尽量消除气隙或者尽量减小气隙尺寸，因气隙的击穿场强随气隙厚度的减小而明显提高； 设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质或者压缩气体填充空穴。,第4节 组合绝缘的电气强度 1.介质的组合原则 当各层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，整个组合绝缘的电气强度最高，每层绝缘材料得到了最充分、最合理的利用。 2.直流电压下 在直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻（电导）成正比（反比），应当将电气强度高、电导率大的材料用在电场最强的地方。,3.交流电压下 在交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘分担的电压与其成电容反比，应当将电气强度高、介电常数大的材料用在电场最强的地方。,第5节 绝缘的老化 电介质的电老化 电介质的热老化 固体介质的机