第2章液体和固体介质绝缘强度

1、第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1 1 第第2 2章章 液体和固体介质的绝缘强度液体和固体介质的绝缘强度 2.1 介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗 2.2 液体介质的击穿液体介质的击穿 2.3 固体介质的击穿固体介质的击穿 2.4 绝缘介质的其他特性绝缘介质的其他特性 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度2 2 液体和固体强度液体和固体强度 极极 化化 电电 导导 损损 耗耗 电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化偶极子极化偶极子极化夹层极化夹层极化 泄漏电流泄漏电流 绝缘电阻及吸收比绝缘电阻及吸收比 介质损耗角介质损耗角t

2、an tan与电压、温与电压、温 度度的关系的关系 液体介质击穿机理液体介质击穿机理 固体介质击穿机理固体介质击穿机理 其他特性其他特性 热性能热性能机械性能机械性能吸潮性吸潮性生化性能生化性能 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度3 3 2.1.1介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗 1.介质的极化和相对介电常数介质的极化和相对介电常数 平行平板电容器在真空中的电容量为 当极板间插入固体介质后，电容量为 式中 A极板面积，cm2； d极间距离，cm；介质的介电常数 0真空的介电常数，0=8.8610-14F/cm 定义 为介质的相对介电常数。 00 0 QA C

3、 Ud 0()QQQA C UUd 0 00 () r CQQ CQ 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度4 4 2.极化的形式极化的形式 1)电子式位移极化电子式位移极化 电子式极化电子式极化 存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s ； 具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度5 5 2)离子式位移极化离子式位移极化 离子式极化离子式极化 弹性极化；极化过程所需的时间很短，约弹性极化；极化过程所需的时间很短

4、，约10-13s；温度；温度 对此极化存在一定影响，对此极化存在一定影响，r一般具有正的温度系数。一般具有正的温度系数。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度6 6 3)偶极子极化偶极子极化 偶极子极化偶极子极化 (a)无外电场时；无外电场时；(b)有外电场时有外电场时 转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s 10-2s；r在低温下先随温度的升高而增加，以后当热在低温下先随温度的升高而增加，以后当热 运动变得强烈时，运动变得强烈时，r又随温度上升而减小。又随温度上升而减小。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固

5、体介质绝缘强度7 7 4)夹层极化夹层极化 夹层极化夹层极化 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度8 8 电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层极化 无损极化无损极化 有损极化有损极化 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度9 9 材料类别名称r（工频，20） 气体介质 空气（大气压）1.00059 液体介质 弱极性 变压器油 硅有机液体 2.22.5 2.22.8 极性蓖麻油4.5 强极性 丙酮 酒精 水 22 33 81 固体介质 中性或 弱极性 石蜡 聚乙烯 2.02.5 2.252.35 极性聚氯乙烯3.24 离子性云母 电瓷 57 5.56

6、.5 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1010 2.1.2 电介质的电导电介质的电导 1泄漏电流和绝缘电阻泄漏电流和绝缘电阻 U R I 绝缘电阻 表面绝缘电阻 12 12 R R R RR 一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流， 相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻 。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1111 电介质的电导电介质的电导 电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导电导 率率，在高电压工程中一般常用电阻率电阻率来表征介质的 绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率

7、与温度有下述关 系： 式中 A常数，与介质性质有关； T热力学温度，单位为K； 电导活化能； k波尔兹曼常数。 e kT A 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1212 电介质的绝缘电阻随温度上升而增大 0 t it RR e 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1313 2电介质的电导电流电介质的电导电流 电介质中的电流及其等效电路电介质中的电流及其等效电路 (a)在电荷介质上施加直流电压；在电荷介质上施加直流电压；(b)流过电介质中的电流；流过电介质中的电流； (c)介质等值电路介质等值电路 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝

8、缘强度1414 i1电容电流分量电容电流分量 i2由介质的有损极化过程所决定由介质的有损极化过程所决定 i3泄漏电流，又称为电导电流泄漏电流，又称为电导电流 123 iiii 总电流总电流 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1515 3工程介质电导的性质工程介质电导的性质 1)气体介质电导（光游离、碰撞游离）气体介质电导（光游离、碰撞游离） 2)液体介质电导液体介质电导 （离子电导、电泳电导）（离子电导、电泳电导） 3)固体介质电导固体介质电导 （离子电导（离子电导 、电子电导、电子电导 ） 4讨论电介质电导的意义讨论电介质电导的意义 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度

9、章液体和固体介质绝缘强度1616 2.1.3电介质的损耗电介质的损耗 1.电介质损耗及介质损失角正切电介质损耗及介质损失角正切 介质在交流电压作用时的电流相量图及功率三角形介质在交流电压作用时的电流相量图及功率三角形 (a)接线图；接线图；(b)相量图；相量图；(e)功率三角形功率三角形 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1717 cr II I 电流 I 有功有功无功无功 视在功率 SPjQjUIc 介质损耗 2 tantanPQUC 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1818 介质损失角正切值介质损失角正切值 同同 一样，取决于材料一样，取决

10、于材料 的特性，而与材料尺寸无关。的特性，而与材料尺寸无关。 所以用介质损失角的正切所以用介质损失角的正切tan来判断介质的品质来判断介质的品质。 tan r r 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度1919 有损介质可以用一个无损耗的理想电容和一个有 效电阻并联或串联来表示 有损介质的等值电路和相量图有损介质的等值电路和相量图 (a)并联等值电路；并联等值电路；(b)串联等值电路串联等值电路 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度2020 1 tan R cPp U I R IU CC R （a）图）图 （b）图）图 tan rr s c s UI

11、C r I U C 22222 2 2222 tan (1)1 ()1tan ss ss UC rUCU r PI r rCC r 如果损耗主要是由电导引起的，常使用并联等值电路；如果损耗主要是由电导引起的，常使用并联等值电路； 如果损耗主要是由介质极化及连接导线引起的，则常应用串如果损耗主要是由介质极化及连接导线引起的，则常应用串 联等值电路联等值电路 。 2 2 tan p U PUC Q R 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度2121 经推导,介质损耗P为 2 tanPUC 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度2222 2.影响介质损耗的因素

12、影响介质损耗的因素 温度温度 频率频率 电压电压 气体中的气体中的 tan与电压的关系与电压的关系 当外施电压超过起始放电电压当外施电压超过起始放电电压U0时，将发生局部时，将发生局部 放电，损耗急剧增加。放电，损耗急剧增加。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度2323 （1）气体介质的损耗）气体介质的损耗 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的 损耗是由电导引起的，损耗极小（tan10-8）。 但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局 部放电，损耗急剧增加，如图所示。 气体的介损和电压的关系气体的介损和电压的关系 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体

13、介质绝缘强度2424 （2）液体介质的损耗）液体介质的损耗 中性或弱极性液体介质中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。 极性液体及极性和中性液体的混合油极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损 耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。 电导损耗占主要部 分，tan重新随温度 上升而增加 T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强， 极化损耗增加 分子热运动加快，极化强度 减弱，极化损耗减小 ,下降 速度快于电导损耗 极性液体介质介损和温度的关系极性液体介质介损和温度的关系 f1频率频率 U2 U3 发热曲线发热曲线3与散热曲与散热曲 线有两个交点，即线有两个交点，即热热 平衡点

14、平衡点Ta和和Tc。 Ta稳稳 定，定， Tc不稳定不稳定 曲线曲线2与曲线与曲线4相切，只有一相切，只有一 个热平衡点个热平衡点Tb，但不稳定。，但不稳定。 U2是临界热击穿电压，是临界热击穿电压，Tb 则是热击穿的临界温度则是热击穿的临界温度 根本不存在热根本不存在热 平衡点，必然平衡点，必然 发生热击穿发生热击穿 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度4747 3.电化学击穿电化学击穿 电气设备在运行了很长时间后电气设备在运行了很长时间后(数十小时甚至数年数十小时甚至数年)，运，运 行中绝缘受到电、热、化学、机械力作用，绝缘性能逐行中绝缘受到电、热、化学、机械力作用，

15、绝缘性能逐 渐变坏，这一过程是不可逆转的，称此过程为老化。渐变坏，这一过程是不可逆转的，称此过程为老化。 由于介质逐步老化，导致绝缘性能下降，以致绝缘在工由于介质逐步老化，导致绝缘性能下降，以致绝缘在工 作电压下或短时过电压下发生击穿，称此击穿为电化学作电压下或短时过电压下发生击穿，称此击穿为电化学 击穿。击穿。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度4848 2.3.2影响固体介质击穿的因素和改进措施影响固体介质击穿的因素和改进措施 1.电压作用时间电压作用时间 电工纸板的伏秒特性电工纸板的伏秒特性 外施电压作用外施电压作用 时间对击穿电时间对击穿电 压的影响很大压的影响

16、很大 A-电击穿电击穿 B-热击穿热击穿 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度4949 2.温度温度 工频下电瓷的击穿电压与温度的关系工频下电瓷的击穿电压与温度的关系 应改善绝缘的应改善绝缘的 工作条件，加工作条件，加 强散热冷却，强散热冷却， 防止臭氧及有防止臭氧及有 害气体与绝缘害气体与绝缘 介质接触等。介质接触等。 tt0,热击穿。热击穿。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度5050 3.电场均匀程度电场均匀程度 均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电 压较高，且与介质厚度有直线关系；压较高，且与介质厚度有直

17、线关系； 在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度增加在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度增加 而下降，当厚度增加时，散热困难，可能出而下降，当厚度增加时，散热困难，可能出 现热击穿，故增加厚度的意义更小。现热击穿，故增加厚度的意义更小。 4.受潮受潮 介质受潮后击穿电压迅速下降，对易吸潮的纤维介质受潮后击穿电压迅速下降，对易吸潮的纤维 影响特别大。影响特别大。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度5151 基本无累积效应基本无累积效应 有累积效应有累积效应 5.累积效应累积效应 在多次冲击或工频试验电压下，一系列的不完在多次冲击或工频试验电压下，一系列的不完 全击穿将导致介质的

18、完全击穿，反映出随着施全击穿将导致介质的完全击穿，反映出随着施 加冲击或工频试验电压次数增多，固体介质的加冲击或工频试验电压次数增多，固体介质的 击穿电压将下降的现象，称为累积效应击穿电压将下降的现象，称为累积效应 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度5252 6.机械负荷机械负荷 介质在机械负荷作用下发生裂缝，其击穿电压介质在机械负荷作用下发生裂缝，其击穿电压 显著降低；显著降低； 有机固体介质在运行中因热、化学等作用，可有机固体介质在运行中因热、化学等作用，可 能变脆、开裂或松散，失去弹性，击穿电压、能变脆、开裂或松散，失去弹性，击穿电压、 机械强度都要下降很多。机械强度都要下降很多。 第第2 2章液体和固体介质绝缘强度章液体和固体介质绝缘强度5353 耐热耐热 等级等级 允许长期使用的允许长期使用的 最高温度（最高温度（） 绝绝 缘缘 材材 料料 O90木材、纸、天然丝、聚乙烯、聚氯乙稀、天然橡胶等木材、纸、天然丝、聚乙烯、聚氯乙稀、天然橡胶等 A105油性树脂漆及其漆包线、矿物油和浸入其中的纤维材料油性树脂漆及其漆包线、矿物油和浸入