第三章液体和固体介质的电气特性

1、第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性引言引言液体介质的应用液体介质的应用第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性引言引言固体介质的应用固体介质的应用第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性引言引言固体介质的应用固体介质的应用第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性引言引言液体液体-固体组合绝缘固体组合绝缘第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性引言引言绝缘破坏引发事故绝缘破坏引发事故第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性引言引言介质的哪些特性值得

2、关注介质的哪些特性值得关注第第3 3章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度高电场高电场低电场低电场3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化二、电介质的电导二、电介质的电导三、电介质的损耗三、电介质的损耗3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质

3、的极化一、电介质的极化 E0 无电场无电场 有电场有电场 + + + + + + + - - - - - - - 1、极化概念、极化概念3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化2、极化类型、极化类型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化E2、极化类型、极化类型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化2、极化类型、极化类型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介

4、质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化2、极化类型、极化类型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化D.D.夹层极化夹层极化夹层介质界面极化概念：夹层介质界面极化概念：当当 t=0:t=0: 当当 t=: t=: A C1 U B P G2 G1 C2 1221UCUC=1221UGUG= C1 U G2 G1 C2 2、极化类型、极化类型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化D.D.夹层极化夹层极化2121GGCC2、极化类型、极化类

5、型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化D.D.夹层极化夹层极化 C1 U G2 G1 C2 2、极化类型、极化类型3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化dAUQC000dAUQQC0r相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量3、极化程度表征、极化程度表征3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化n 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极

6、化气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，率很小，一切气体的相对介电常数都接近一切气体的相对介电常数都接近1 1n 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小的增大略有增加，但变化很小3、极化程度表征、极化程度表征气体介质的介电常数气体介质的介电常数3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化气体种类气体种类相对介电常数相对介电常数氦氦1.000072氢氢1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095二氧化碳二氧化碳1.0

7、0096乙烯乙烯1.00138空气空气1.000593、极化程度表征、极化程度表征气气体体介介质质的的介介电电常常数数3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化v非极性和弱极性电介质：如石油、苯、硅油等；非极性和弱极性电介质：如石油、苯、硅油等； r r 1.81.8 2.52.5v极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等；极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等； r r2 2 6 6v强极性电介质：如酒精、水等；强极性电介质：如酒精、水等； r r1010，用作电容器浸渍剂。，用作电容器浸渍剂。液体介质的介电常数液体介质的介电常数3、极

8、化程度表征、极化程度表征3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化u非极性和弱极性固体电介质：如非极性和弱极性固体电介质：如PEPE、PPPP、PTFEPTFE、PSPS； r r 在在2.02.0 2.72.7范围范围; ;u极性固体电介质：树脂、有机玻璃极性固体电介质：树脂、有机玻璃, , r r 较大，一般为较大，一般为3 36 6u离子性电介质：如陶瓷，云母等，相对介电常数离子性电介质：如陶瓷，云母等，相对介电常数 r r 一般一般在在5 58 8左右左右3、极化程度表征、极化程度表征3.1 3.1 液体和固体介质的

9、极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化n选择介质种类选择介质种类 在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常数应考虑介电常数 r r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择量，要选择 r r 较大的介质较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择对于电缆，为减小电容电流，要选择 r r 较小较小的介质的介质3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化一、电介质的极化n多层介质的合理配合多层介质的合理配合122

10、1EE按照介电常数分配电场3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导电导：允许电流通过的容易程度的度量，单位为西门电导：允许电流通过的容易程度的度量，单位为西门子，简称西，记作子，简称西，记作S S。气体离子的浓度约为气体离子的浓度约为5001000对对/cm3电导率：电阻率的倒数，电导率：电阻率的倒数，S/mS/m。1 1、电导概念、电导概念3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导2 2、液体介质的电导、液体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极

11、化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导本征分子离解杂质荷电粒子mS /10162 2、液体介质的电导、液体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导离解杂质荷电粒子mS /1010本征分子2 2、液体介质的电导、液体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导mS /106本征分子2 2、液体介质的电导、液体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二

12、、电介质的电导二、电介质的电导T升高，离解度增大，离子运动阻力减小，电导增大2 2、液体介质的电导、液体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导3 3、固体介质的电导、固体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导mS /10101715，电导率为，电导率为 结构不紧密，含单价小离子的结构不紧密，含单价小离子的的电导的电导率率无机介质无机介质mS /101012113 3、固体介质的电导、固体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的

13、极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导mS /10101715 极性介质极性介质有机介质有机介质mS /101014133 3、固体介质的电导、固体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导固体电介质的表面电导固体电介质的表面电导接地接地高压高压湿度湿度亲水性亲水性污秽污秽3 3、固体介质的电导、固体介质的电导3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二、电介质的电导二、电介质的电导讨论电导的意义讨论电导的意义v绝缘预防性试验的理论依据

14、绝缘预防性试验的理论依据( (测量绝缘电阻测量绝缘电阻) )v绝缘配合时，选择合适的电导率，实现各绝缘配合时，选择合适的电导率，实现各层之间的合理分压层之间的合理分压v关注固体介质表面电导的影响，注意亲水关注固体介质表面电导的影响，注意亲水性材料的表面防水处理性材料的表面防水处理 3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗类比：线损类比：线损介质损耗的一般概念介质损耗的一般概念外电场作用下，电介质产生的外电场作用下，电介质产生的有功损耗有功损耗。介质损耗介质损耗直流直流交流交流电导损耗电导损耗电导损耗电导损耗极化损耗极化损耗

15、1 1、介质损耗的概念、介质损耗的概念3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗电介质的电介质的等效电路等效电路电介质中的电电介质中的电流和电压矢量流和电压矢量 2 2、介质等效电路、介质等效电路吸收电流吸收电流3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗tgCUtgUIUIUIPpcR2cos2 2、介质等效电路、介质等效电路3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗n 定义定义 为介质

16、损失角，是功率因数角为介质损失角，是功率因数角 的余的余角角n 介质损失角正切值介质损失角正切值tgtg ，如同，如同 r r 一样，取决一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质便地表示介质的品质 2 2、介质等效电路、介质等效电路3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗rCCIIrIItgSScr/222222222211/1tgtgCurCrCUrCrrUrIPSSSS21 tgCCSP串串等等值值电电路路 2 2、介质等效电路、介质等效电路3.1 3.1

17、 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗3、气体电介质中的损耗、气体电介质中的损耗3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗n中性液体电介质中性液体电介质中的中的损耗主要由漏导损耗主要由漏导决定决定4、液体电介质中的损耗、液体电介质中的损耗3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗中的损耗主要包括中的损耗主要包括和和两部分两部分4、液体电介质中的损耗、液体电介质中的损耗3.1 3.1 液体和固体介质

18、的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗极小极小较大较大极小极小较大较大5、固体电介质中的损耗、固体电介质中的损耗3.1 3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗三、电介质的损耗三、电介质的损耗讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义介损介损热热热老化热老化热击穿热击穿3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论二、变压器油的击穿过程及特点二、变压器油的击穿过程及特点液体击液体击穿理论穿理论影响因素影响因素提高方法提高方法三、变压器油击穿电压影响因素三、变压器油击穿电压影响

19、因素及提高方法及提高方法3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电子碰撞电离理论电离理论气泡击气泡击穿理论穿理论3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论电子碰撞电离理论阴极阴极阳极阳极3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论电子碰撞电离理论特点特点3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论电子碰撞电离理论影响因素影响因素

20、EE3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论气泡击穿理论气泡击穿理论阴极阴极阳极阳极211221EE3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论气泡击穿理论气泡击穿理论特点特点3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论气泡击穿理论气泡击穿理论影响因素影响因素E3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿二、变压器油的击穿过程及特点二、变压器油的击穿过程及特点小桥击穿理论小桥击穿理论阴极阴极阳极阳极3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质

21、的击穿二、变压器油的击穿过程及特点二、变压器油的击穿过程及特点小桥击穿理论小桥击穿理论阴极阴极阳极阳极3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿二、变压器油的击穿过程及特点二、变压器油的击穿过程及特点液体击穿测试方法液体击穿测试方法80240 kV/cm3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素三、影响变压器油击穿的主要因素含水量含水量含纤维量含纤维量含碳量含碳量含气量含气量3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素三、影响变压器油击穿的主要因素含含水水量量3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因

22、素三、影响变压器油击穿的主要因素含纤维量含纤维量吸湿吸湿小桥小桥击穿击穿含碳量含碳量增强局部电场增强局部电场吸附水分、气体吸附水分、气体含气量含气量气泡析出气泡析出小桥小桥击穿击穿气体与油反应气体与油反应氧化、老化氧化、老化3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素三、影响变压器油击穿的主要因素标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系1-1-干燥的油；干燥的油； 2-2-受潮的油受潮的油3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿三、影响变压器油击穿的主要因素三、影响变压器油击穿的主要因素稍不均匀电场中变压器油的伏秒特

23、性曲线稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线3.2 3.2 液体介质的击穿液体介质的击穿三、影响液体介质击穿的主要因素三、影响液体介质击穿的主要因素变压器油工频击穿电压与压力的关系变压器油工频击穿电压与压力的关系 3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿固体介质的击穿事故固体介质的击穿事故固体介质在电气工固体介质在电气工程领域应用广泛程领域应用广泛击穿事故频发，击穿事故频发，损失巨大损失巨大3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿固体介质击穿固体介质击穿气体介质击穿气体介质击穿液体介质击穿液体介质击穿熔熔化化烧烧穿穿裂裂纹纹3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿固体介固体介质击穿质

24、击穿电击穿电击穿热击穿热击穿电化学击穿电化学击穿局部放电局部放电树枝状击穿树枝状击穿漏电起痕漏电起痕3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电击穿电击穿阴极阴极阳极阳极碰撞电离碰撞电离mV /1093.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电击穿特点电击穿特点击穿场强高、时间短击穿场强高、时间短与环境温度无关与环境温度无关介质发热不显著介质发热不显著3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电击穿发生的场合电击穿发生的场合介质电导小、散热条件很好、介质电导小、散热条件很好、内部无局部放电时发生内部无局部放电时发生3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿热击穿热击穿阴极阴极阳极阳极m

25、V /107+ -+ -+ -+ -+ -+ -热效应热效应3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿热击穿的影响因素热击穿的影响因素3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电化学击穿电化学击穿阴极阴极阳极阳极电、光、热电、光、热211221EE切断、氧化、碳化切断、氧化、碳化击穿击穿局部放电局部放电3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电化学击穿电化学击穿局部放电局部放电局部放电局部放电3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿 电化学击穿电化学击穿电树枝击穿电树枝击穿 3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电化学击穿电化学击穿漏电痕迹漏电痕迹漏流漏流干燥带干燥带电弧电弧

26、碳化碳化漏流增大漏流增大新干燥带新干燥带碳化加剧碳化加剧高压接地E3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电化学击穿电化学击穿漏电痕迹漏电痕迹漏电痕迹漏电痕迹气压气压温度温度介质种类介质种类湿污程度湿污程度3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿电压作用时间电压作用时间3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿温度温度3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿受潮受潮不易吸潮不易吸潮PE、PTFE易吸潮易吸潮纤维材料（棉纱、纸）纤维材料（棉纱、纸）3.3 3.3 固体介质的击穿固体介质的击穿累积效应累积效应过电压（雷击、操作）过电压（雷击、操作）电压较低或作用时间较短电压较低或作用

27、时间较短局部击穿、碳化、熔化局部击穿、碳化、熔化日积月累，日积月累，贻害绝缘贻害绝缘3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度为何要采用组合绝缘？为何要采用组合绝缘？单种绝缘，各类性能难以完善（机械、耐热、电气）。单种绝缘，各类性能难以完善（机械、耐热、电气）。如如GISGIS母线支撑绝缘子。母线支撑绝缘子。组合绝缘：采各家之长，补各家之短。组合绝缘：采各家之长，补各家之短。理想理想/ /原则：让组合绝缘中的电场按照各个介质的电气强原则：让组合绝缘中的电场按照各个介质的电气强度分布。度分布。3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度本节主要介绍的组合绝缘类型本节主要介绍的组

28、合绝缘类型油油- -屏障绝缘屏障绝缘油浸纸绝缘油浸纸绝缘分阶绝缘分阶绝缘3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度一、油一、油屏障式绝缘屏障式绝缘1、覆盖、覆盖材料：材料： 1 mm1 mm的固体绝缘薄层。漆膜、胶的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带纸带、漆布带作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展展适用情况：油品质越差，覆盖层的效适用情况：油品质越差，覆盖层的效果越显著果越显著覆盖覆盖覆盖覆盖3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度一、油一、油屏障式绝缘屏障式绝缘2、绝缘层、绝缘层材料：材料： 厚可达几十毫米厚可达几十毫米作用机理：阻碍小

29、桥形成、改善电场作用机理：阻碍小桥形成、改善电场适用情况：不均匀电场中（变压器高适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环、充油套管的导电杆压引线和屏蔽环、充油套管的导电杆包有绝缘层）包有绝缘层）绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度一、油一、油屏障式绝缘屏障式绝缘2、绝缘层、绝缘层材料：材料： 厚度为厚度为2 27mm7mm的固体绝缘板，纸板、的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层压板胶纸、胶布层压板作用机理：能机械地阻隔杂质小桥作用机理：能机械地阻隔杂质小桥 改善电场分布改善电场分布适用情况：不均匀电场中效果显著适用情况：不均匀电场中效果显著 较均匀电场

30、中也有效果较均匀电场中也有效果屏障屏障+-3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度二、油纸绝缘二、油纸绝缘纸：带有空隙，易吸潮；经油浸泡后，电气强度可大增，其组纸：带有空隙，易吸潮；经油浸泡后，电气强度可大增，其组合绝缘强度可达合绝缘强度可达500-600 kV/cm500-600 kV/cm，远大于绝缘各自的击穿强度。远大于绝缘各自的击穿强度。3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度212221)(ddUE三、分阶绝缘三、分阶绝缘均匀介质双层电场模型均匀介质双层电场模型1221EE3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度平行平板电极间距离为平行平板电极间距离为2cm2cm，在电极上施加在电极上施加55kV55kV的工频电压的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为间放入一厚为1cm1cm的聚乙烯板的聚乙烯板( ( r r=2.3)=2.3)时，问此时是否会发时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。介质中的电场分布。三、分阶绝缘三、分阶绝缘均匀介质双层电场模型均匀介质双层电场模型3.4 3.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度三、分阶绝缘三、分阶绝缘均匀介质双层电场模型均匀介质双层电场模型(1)(1)插入前