002--第二章液体和固体电介质的ppt课件

1、高电压技术高电压技术 液体和固体电介质的液体和固体电介质的 绝缘特性绝缘特性 第二章第二章高电压技术高电压技术第二章第二章 液体和固体电介质的绝缘特性液体和固体电介质的绝缘特性 第一节第一节 电介质的极化电介质的极化 第二节第二节 电介质的电导电介质的电导 第三节第三节 电介质的损耗电介质的损耗 第四节第四节 液体电介质的击穿特性液体电介质的击穿特性 第五节第五节 固体电介质的击穿特性固体电介质的击穿特性 第六节第六节 电介质的老化电介质的老化高电压技术高电压技术一、电介质的极化一、电介质的极化1、定义、定义 ： 电介质中的带电质点在电场作用下沿电场电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有

2、限位移。方向作有限位移。Qo=CoUdAC00一样情况下不同介质极化的程度不同一样情况下不同介质极化的程度不同Q=CUAC =d高电压技术高电压技术Qo=CoUdAC00rdAdACCUCCUQQ00000r 相对介电系数相对介电系数AC =dQo=CoU 表征电介质在电场作用表征电介质在电场作用下的极化程度。表下的极化程度。表21高电压技术高电压技术2、极化的根本方式、极化的根本方式(1) 电子式极化电子式极化其特点其特点:a、极化所需时间极短。、极化所需时间极短。b、 极化时没有能量损极化时没有能量损耗。耗。c、温度对极化影响极小。、温度对极化影响极小。高电压技术高电压技术(2) 离子式极

3、化离子式极化其特点其特点:a. 极化过程极短。极化过程极短。b. 极化过程无能量损耗。极化过程无能量损耗。c. 温度对极化有影响温度对极化有影响,极化随温度升高而加强。极化随温度升高而加强。高电压技术高电压技术(3) 偶极子式极化偶极子式极化其特点其特点 a、极化所需时间、极化所需时间较长，因此与频率较长，因此与频率有关。有关。b 、极化过程有能量损耗。、极化过程有能量损耗。 c、温度对极化影响很大，温度很高和很低时，、温度对极化影响很大，温度很高和很低时，极化均减弱。极化均减弱。高电压技术高电压技术(4) 夹层式极化夹层式极化其特点其特点 在两层电介质的在两层电介质的界面上发生电荷的界面上发

4、生电荷的挪动和积累，极化挪动和积累，极化过程缓慢，并有损过程缓慢，并有损耗。耗。 交界面积聚的异号电荷不等，在交界处显示出极性。交界面积聚的异号电荷不等，在交界处显示出极性。高电压技术高电压技术(4) 夹层式极化夹层式极化 P36举例，举例， 初始形状时与稳态时初始形状时与稳态时的电压分配不同，过度过的电压分配不同，过度过程就是极化过程。程就是极化过程。 极化使等值电容变大。极化使等值电容变大。 交界面积聚的异号电荷交界面积聚的异号电荷不等，在交界处显示出极性。不等，在交界处显示出极性。 工程意义，工程意义，P36底底3点。点。高电压技术高电压技术二、电介质的电导二、电介质的电导1、定义、定义

5、 介质在电场作用下，使其内部联络较弱介质在电场作用下，使其内部联络较弱的带电粒子作有规律的运动构成电流，的带电粒子作有规律的运动构成电流，即走漏电流。这种物理景象称为电导。即走漏电流。这种物理景象称为电导。 表征电导过程强弱程度的物理量为电导率表征电导过程强弱程度的物理量为电导率，或它的倒数电阻率，或它的倒数电阻率o表表21高电压技术高电压技术(1) 电容电流电容电流ic 在加压初瞬间介质中的电在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极化过程子式极化和离子式极化过程所引起的电流，无损耗，存所引起的电流，无损耗，存在时间极短。在时间极短。(2) 吸收电流吸收电流ia 有损极化所对应的电流，有损极化

6、所对应的电流，即夹层极化和偶极子极化时即夹层极化和偶极子极化时的电流，它随时间而衰减。的电流，它随时间而衰减。 绝缘介质中少量离子定向挪动所构成的电导电流，它绝缘介质中少量离子定向挪动所构成的电导电流，它不随时间而变化。不随时间而变化。(3) 走漏电流走漏电流ig2、 介质中的电流介质中的电流高电压技术高电压技术流过介质的电流流过介质的电流i由三个分量组成：由三个分量组成：gaciiii高电压技术高电压技术3、吸收景象、吸收景象 固体电介质在直流电压作用下，察看到电路中固体电介质在直流电压作用下，察看到电路中的电流从大到小随时间衰减的电流从大到小随时间衰减,，最终稳定于某一数，最终稳定于某一数

7、值，称为值，称为“吸收景象。吸收景象。 介质枯燥和嘲湿程度不同，吸收景象不一介质枯燥和嘲湿程度不同，吸收景象不一样，据此可判别绝缘性能的好坏。样，据此可判别绝缘性能的好坏。4、固体电介质的体积绝缘电阻和外表绝缘电阻、固体电介质的体积绝缘电阻和外表绝缘电阻外表走漏电流的影响外表走漏电流的影响高电压技术高电压技术三、电介质的损耗三、电介质的损耗1 1、 损耗的方式损耗的方式(1) (1) 电导损耗电导损耗由走漏电流引起的损耗，交直流下都存在。由走漏电流引起的损耗，交直流下都存在。(2) (2) 极化损耗极化损耗由偶极子与夹层极化引起，交流电压下极明显。由偶极子与夹层极化引起，交流电压下极明显。(3

8、) (3) 游离损耗游离损耗 指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡中部分放电所呵斥的损耗。中部分放电所呵斥的损耗。高电压技术高电压技术2、介质损耗角、介质损耗角 在交流电压作用下，由于存在三种方式的损耗，需在交流电压作用下，由于存在三种方式的损耗，需引入一个新的物理量来表征介损的特性。引入一个新的物理量来表征介损的特性。 用介质损耗角的正切用介质损耗角的正切tg来表示介损的意义来表示介损的意义可推导出介质的有功损耗可推导出介质的有功损耗P 高电压技术高电压技术tgCUtgUIUIPpCRp2由于由于: (1) P值与实验电压值与实验电压U的高低等

9、要素有关的高低等要素有关; (2) tg是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，而仅取决于电介质的损耗特性。而仅取决于电介质的损耗特性。 (3) tg可以用高压电桥等仪器直接丈量可以用高压电桥等仪器直接丈量. 所以表征介损用介质损失角的正切所以表征介损用介质损失角的正切tg来表示来表示,而不是用有功损耗而不是用有功损耗P来表示来表示.高电压技术高电压技术3、影响、影响tg的要素的要素1温度的影响温度的影响高电压技术高电压技术2频率的影响频率的影响高电压技术高电压技术3电压的影响电压的影响在电场强度不很高时，在电场强度不很高时，tg不变；不变； 在电场强度较高时，在电

10、场强度较高时， tg随电场强度升高而迅随电场强度升高而迅速增大。速增大。 较高电压下较高电压下 丈量丈量tg可发现介质的气泡、分可发现介质的气泡、分层和裂痕等缺陷。层和裂痕等缺陷。高电压技术高电压技术 描写电介质电性能的四个物理量与对应的四描写电介质电性能的四个物理量与对应的四个物理景象个物理景象1.电介质的极化电介质的极化 相对介电系数相对介电系数r2.电介质的电导电介质的电导 电导率电导率 3.电介质的损耗电介质的损耗 介质损失角正切介质损失角正切tg4.电介质的击穿电介质的击穿 电场强度电场强度E 高电压技术高电压技术四、液体电介质的击穿特性四、液体电介质的击穿特性1、 “小桥实际即小桥

11、实际即 “气泡击穿实际气泡击穿实际 变压器油的击穿主要缘由，在于杂质的影响变压器油的击穿主要缘由，在于杂质的影响,，而杂质是，而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成。水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成。 在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 r 成成反比的。由于气泡的反比的。由于气泡的r 最小最小1，其电气强度又比液体介质，其电气强度又比液体介质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离近一步开展。电离产生的带电离子胀、密度减小，这促使电离近

12、一步开展。电离产生的带电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩展。假设许撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩展。假设许多电离的气泡在电场中陈列成气体小桥，击穿就能够在此通道多电离的气泡在电场中陈列成气体小桥，击穿就能够在此通道中发生。中发生。高电压技术高电压技术 假设液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么添加液体假设液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么添加液体的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强 气泡实际可推行到其他悬浮物所引起的击穿，用来

13、解释气泡实际可推行到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释工程用变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质的，工程用变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质的，这些杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同，从而会畸这些杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同，从而会畸变油中电场，影响油的击穿。变油中电场，影响油的击穿。 由于水和纤维的由于水和纤维的 r 很大，很易沿电场方向极化定向，并很大，很易沿电场方向极化定向，并陈列成杂质小桥。这时会发生两种情况：陈列成杂质小桥。这时会发生两种情况： 1假设杂质小桥尚未接通电极，那么纤维等杂质与油假设杂质小桥尚未接通电极，那么纤维等杂质与油串联，由于纤维串联，由于

14、纤维r 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩展中电场显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩展，电离加强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。，电离加强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。高电压技术高电压技术 2假设杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致走假设杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致走漏电流增大，发热会促使水分汽化，气泡扩展，开展下去也漏电流增大，发热会促使水分汽化，气泡扩展，开展下去也会出现气体小桥，使油隙发生击穿。会出现气体小桥，使油隙发生击穿。 工程用变压器油的击穿有如下特点

15、：在均匀电场中，当工程用变压器油的击穿有如下特点：在均匀电场中，当工频电压升高到某值时，油中能够出现一个火花放电，但旋工频电压升高到某值时，油中能够出现一个火花放电，但旋即消逝，油又恢复其电气强度；电压再增油中又能够出现火即消逝，油又恢复其电气强度；电压再增油中又能够出现火花，但能够又旋即消逝；这样反复多次，最后才会发生稳定花，但能够又旋即消逝；这样反复多次，最后才会发生稳定的击穿。的击穿。 判别油的质量，重要依托那么量其电气强度、判别油的质量，重要依托那么量其电气强度、tg和含和含水量等。其中最重要的实验工程是用规范油杯丈量油的工水量等。其中最重要的实验工程是用规范油杯丈量油的工频击穿电压。

16、频击穿电压。高电压技术高电压技术2、影响液体电介质击穿电压的要素、影响液体电介质击穿电压的要素1本身质量要素：杂质的多少本身质量要素：杂质的多少含水量、纤维量、气量含水量、纤维量、气量经过规范油杯中变经过规范油杯中变压器油的工频击穿压器油的工频击穿电压来衡量油的质电压来衡量油的质量量高电压技术高电压技术2温度温度高电压技术高电压技术3压力压力击穿电压随压力增大。击穿电压随压力增大。 当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击穿，击穿电压随作用时间添加而降低。穿，击穿电压随作用时间添加而降低。5电场均匀程度电场均匀程度 电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性

17、也电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大，击穿电压也愈高。愈大，击穿电压也愈高。4电压作用时间电压作用时间 加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击穿电压很高。穿电压很高。高电压技术高电压技术3、提高液体电介质击穿电压的措施、提高液体电介质击穿电压的措施1过滤过滤2防潮防潮3脱气脱气4采用固体电介质采用固体电介质覆盖层覆盖层电极外表电极外表绝缘层绝缘层屏障屏障油间隙中间油间隙中间高电压技术高电压技术五、固体电介质的击穿五、固体电介质的击穿1、击穿方式、击穿方式(1) 电击穿电击穿 固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质固体介质的电击穿是

18、指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的景象。破坏并丧失绝缘性能的景象。 固体介质中存在少量处于导电能级的电子传导电子，固体介质中存在少量处于导电能级的电子传导电子，它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子或离子它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子或离子不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞时失去的能量，那么在电子的能量到达了能使晶格原子或离时失去的能量，那么在电子的能量到达了能使晶格原子或离子发生电离的程度时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩子发生电离的程度时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩，破坏

19、了固体介质的晶格构造，使电导大增而导致击穿。，破坏了固体介质的晶格构造，使电导大增而导致击穿。高电压技术高电压技术 杂介质电导或介质损耗很小，又有良好的散热条件以杂介质电导或介质损耗很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在部分放电的情况下，固体介质的击穿通常为及介质内部不存在部分放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，其击穿场强普通可达电击穿，其击穿场强普通可达105106kV/m，比热击穿时的击，比热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为穿场强高很多，后者仅为103104kV/m。 电击穿的主要特征为：电击穿的主要特征为： 击穿电压几乎与周围环境温度无击穿电压几乎与周围环境温度无关；除击穿时间

20、很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关关；除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关系不大；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。影响。高电压技术高电压技术(2) 热击穿热击穿 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程呵斥的。当固体介热击穿是由于固体介质内热不稳定过程呵斥的。当固体介质长期地接受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时质长期地接受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围散热，假设周围环境温度低、散热条件好，发热与散也向周围散热，假设周围环境温度低、散热条件好，发热与散热将在一定条件下到达平衡这时

21、固体介质处于热稳定形状介质热将在一定条件下到达平衡这时固体介质处于热稳定形状介质温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但是假设发热大于散温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但是假设发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而发生热击穿。，从而发生热击穿。 1热击穿电压会随周围媒质温度热击穿电压会随周围媒质温度 t0 的上升而下降。的上升而下降。 2热击穿电压并不随介质厚度成正比添加，因厚度越热击穿电压并不随介质厚度成正比添加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿大，介质中心附近的热量逸出就越

22、困难，所以固体介质的击穿场强随厚度的增大而降低。场强随厚度的增大而降低。高电压技术高电压技术 固体介质在长期任务电压的作用下，由于介质内部发生固体介质在长期任务电压的作用下，由于介质内部发生部分放电等缘由，是绝缘劣化、电气强度逐渐下降并引起击穿部分放电等缘由，是绝缘劣化、电气强度逐渐下降并引起击穿的景象称为电化学击穿。的景象称为电化学击穿。 在临近最终击穿阶段，能够因劣在临近最终击穿阶段，能够因劣化处温度过高而以热击穿方式完成，也可以因劣化后电气强度化处温度过高而以热击穿方式完成，也可以因劣化后电气强度下降而以电击穿方式完成。下降而以电击穿方式完成。 3假设介质的导热系数大，散热系数也大，那么

23、热假设介质的导热系数大，散热系数也大，那么热击穿电压上升。击穿电压上升。 4f 或或tg 的增大都会呵斥介质的发热量增大。临的增大都会呵斥介质的发热量增大。临界击穿电压下降。界击穿电压下降。 电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常亲密，但电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常亲密，但也因介质种类的不同而异。普通来说，无机绝缘资料耐部分放也因介质种类的不同而异。普通来说，无机绝缘资料耐部分放电的性能较好。电的性能较好。(3) 电化学击穿电化学击穿高电压技术高电压技术2、影响固体电介质击穿放电的要素、影响固体电介质击穿放电的要素(1) 电压作用时间电压作用时间 假设电压作用时间很短例如假设

24、电压作用时间很短例如 0.1s以下，固体介质的以下，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压下降，假设在加压后数分钟到数小时才间的增长，击穿电压下降，假设在加压后数分钟到数小时才引起击穿，那么热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难引起击穿，那么热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分清，例如在工频交流分清，例如在工频交流1min耐压实验中的试品被击穿，经常耐压实验中的试品被击穿，经常是电和热双重作用的结果。是电和热双重作用的结果。高电压技术高电压技术(2) 电场均匀程度与介质厚度电场均匀程度与介质厚度2、影响要素、影响要素(3) 电压种类电压种类 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随厚度的添加近似地成线性增大；假设在不均匀电场中，介质厚厚度的添加近似地成线性增大；假设在不均匀电场中，介质厚度添加将使电场更不均匀，于是击穿电压不在随厚度的添加而度添加将使电场更不均匀，于是击穿电压不在随厚度的添加而线性上升。当厚度添加到使散热困难到能够引起热击穿时，添线性上升。当厚度添加到使散热困难到能够引起热击穿时，添加厚度的意义就更小了。加厚