第2章液体和固体介质的绝缘强度

1、1第2 2章 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2液体和固体强度极 化电 导损 耗电子位移极化离子位移极化偶极子极化夹层极化泄漏电流绝缘电阻及吸收比介质损耗角tantan与电压、温度的关系液体介质击穿机理固体介质击穿机理其他特性热性能机械性能吸潮性生化性能32.1.1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

2、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。 000QACUd0()QQQACUUd000()rCQQCQ42.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。52)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，约10-

3、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。63)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10-10s10-2s；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。 74)夹层极化夹层极化 夹层极化夹层极化 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9材料类别名

4、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2.22.52.22.8 极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚乙烯2.02.52.252.35极性聚氯乙烯3.24离子性云母电瓷575.56.5102.1.2 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URI绝缘电阻 表面绝缘电阻 1212R RRRR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 。11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

5、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。 ekTA12 电介质的绝缘电阻随温度上升而增大 0titRR e132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14 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

6、漏电流，又称为电导电流泄漏电流，又称为电导电流123iiii总电流总电流 153工程介质电导的性质工程介质电导的性质1)气体介质电导气体介质电导（光游离、碰撞游离）（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162.1.3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；

7、相量图；(e)功率三角形功率三角形 17crIII电流 I有功有功无功无功视在功率 S P jQ jU Ic 介质损耗 2tantanPQUC18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。 tanrr19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 201tanRcPpUIRIU CC R（a

8、）图）图（b）图）图tanrrscsUIC rIUC2222222222tan(1)1 ()1 tanssssUC rUCU rPI rrCC 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 。22tanpUPUC QR21经推导,介质损耗P为2tanPUC22 2.影响介质损耗的因素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

9、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。（1）气体介质的损耗）气体介质的损耗23 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（2）液体介质的损耗）液体介质的损耗24 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，ta

10、n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

11、发生热击穿 473.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，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，称此击穿为作电压下或短时过电压下发生击穿，称此击穿为电化学电化学击穿击穿。482.3.2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

12、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很大 A-电击穿电击穿B-热击穿热击穿492.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。503.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，且与介质厚度有直线关系

13、；在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度增在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度增加而下降，当厚度增加时，散热困难，可能加而下降，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。出现热击穿，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。 51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

14、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，称为击穿电压将下降的现象，称为累积效应累积效应 526.机械负荷机械负荷 介质在机械负荷作用下发生裂缝，其击穿电介质在机械负荷作用下发生裂缝，其击穿电压显著降低；压显著降低；有机固体介质在运行中因热、化学等作用，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，击穿电可能变脆、开裂或松散，失去弹性，击穿电压、机械强度都要下降很多。压、机械强度都要下降很多。532.4 绝缘介质的其他特性绝缘介质的其他特性2.4.1 热性能热性能所谓电介质的所谓电介质的耐热性耐热性能是保证运行可靠而能是保证运行可靠而

15、不产生热损坏的最高允许温度不产生热损坏的最高允许温度 温度过高，会引起热击穿；有机材料在高温度过高，会引起热击穿；有机材料在高温下易氧化、分解，性能劣化温下易氧化、分解，性能劣化 。54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、矿物油和浸入其中的纤维材料等等E120酚醛树脂塑料、胶纸板、聚酯薄膜、聚乙烯醇缩甲醛漆酚醛树脂塑料、胶纸板、聚酯薄膜、聚乙烯醇缩甲醛漆等等B130沥青油漆制成的云母带、聚酯漆、环氧树脂玻璃漆布等沥青油漆制成的云母带、聚酯漆、环氧树脂玻璃漆布等F155聚酯亚胺漆及其漆包线、改性硅有机漆及其云母制品等聚酯亚胺漆及其漆包线、改性硅有机漆及其云母制品等H180聚酰胺亚胺漆及其漆包线、硅有机漆及其制品等