第2章液固体介质的绝缘强度

1、2.1 2.1 介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗1.1.极化的特征：极化的特征：真空时：直流电压U对电容器充电 极板上电荷：Q0 电容器的电容量：C0=Q0/U=0A /d A ：极板面积 d ：极间距离 0：真空的介电常数（8.8610-14F/cm）U2.1.1 2.1.1 电介质的极化电介质的极化rdAdAUCCUQQQ 000000 中心位置两极分化形成电矩，产生与外施电场E方向相反的E，在介质表面出现束缚电荷放入介质时：直流电压U对电容器充电，极板上电荷为Q0+Q0 Q0就是介质极化引起的r的物理意义：电极间加入电介质后，电极化引起的电容量比真空时的电容量加大的倍数 因此

2、可以用r来表征介质极化的强弱 气体r1 液体r ：非极性 1.82.5 极性 2.06.0 固体r ：2.010.0 U相对介电常数相对介电常数2.2.极化的种类极化的种类无损极化有损极化无损极化特点：无损极化特点：形成极化所需时间短（10141015s).具有弹性，是可逆位移极化，不消耗能量，不使介质发热 如：电子式极化、离子式极化电子式极化、离子式极化 有损极化特点：有损极化特点：形成极化所需时间较长，是不可逆位移极化消耗能量发热劣化影响绝缘性能工程上主要研究有损极化A A. .转向极化转向极化又称偶极子极化偶极子极化 偶极子：偶极子：正常状态下 电荷作用中心不重合的分子为极化分子，或称偶

3、极子结构 如：蓖麻油、橡胶、胶木、氯化联苯、纤维素等为常用的极性绝缘材料E=0E=0单个偶极子有极性，由于热运动，分布杂乱，对外不显极性在E作用下作有序排列，对外显出电的极性来，极性时间1010102sB.B.夹层极化夹层极化高压设备的绝缘存在分层介质 不均匀介质 含有杂质的介质受潮的介质均可视为分层绝缘在外电场作用下，在分界面上堆积电荷，产生电矩，称为夹层极化有损极化有损极化能量损耗能量损耗12210CCUUt 当K合上时：t=0 主要流过ic 电压按C反比分配t C相当于开路，流过iR122121GGRRUUt 通常1212GGCC 故 ttUUUU21210当K合上后，两层介质间有一个电

4、压重新分配的过程， 即C1、C2上的电荷重新分配设C1C2 G2U2 当t U1U2当t 0 0U1U2C1的电荷通过G1放电，C2从电源经G1再吸收一部分电荷Q吸收，于是分层介质的界面上将堆积电荷，这个现象称为电介质的吸收现象吸收现象，该极化称为夹层极化,吸收过程的放电时间常数为T=(C1+C2)/(G1+G2)也是当去掉外加U后内部电荷释放的时间常数当C较大的设备断电后相当长时间内仍有很高电压 特别注意:要充分接地放电后才能触及设备 研究极化强弱的意义： 1.在电容器中希望r大，使单位容量的体积和重量下降 2.在电缆中希望r小，使电缆工作使充电电流小 3.在电机定子线圈出槽和套管希望r小，

5、以提高沿面放电电压 4.分层介质中E与r成反比分配，因此有气泡时，E气泡很高，易引起局部放电，制造中避免气泡 5.预防性试验中，可用夹层极化现象来判断绝缘受潮情况 6.在使用大C设备时，注意吸收电荷对人身安全的威胁2.1.22.1.2电介质的电导电介质的电导 1.1.泄漏电流和绝缘电阻泄漏电流和绝缘电阻流过电介质的电流介质等值电路当k1合上 i=f(t) i=ic+ia+ig ic电容电流 由无损极化引起 存在时间短 ia吸收电流 由有损极化（主要为夹层极化）引起 存在时间长 几几十分钟 ig泄漏电流或电导电流 不随时间变化定义：在直流电压作用下，经过一定时间，当极化过程结束后，流过介质的电流

6、为稳定电流称为泄漏电流泄漏电流或电导电电导电流流，与其对应的电阻或电导称为绝缘电阻绝缘电阻或绝缘电导绝缘电导2.2.研究介质电导的意义研究介质电导的意义（1）绝缘试验中以测I泄漏R K吸收比来判断绝缘受潮劣化缺陷K吸收比=R60”R15”对电容量小的试品K吸收比=R10R1对电容量大的试品如大型电机、长电缆K K吸收比吸收比1.3 1.3 越大表示绝缘越良好 吸收现象不严重K K吸收比吸收比1 1 说明吸收现象严重 表示绝缘受潮或有缺陷（2）设计串联多层介质的直流设备时，因为U分布与各层G成反比，故应注意所选介质的电导尽量使材料得到合理使用（合理分压） （3）易受潮的设备应作表面防潮处理 （4

7、）有时希望绝缘R较低 如高压套管法兰附近、高压电机定子出槽口部分可涂半导体漆来改善电压分布消除电晕电介质损耗有损极化损耗附加损耗绝缘电阻损耗泄漏损耗导体的电阻损耗 P金属=f(i2) 与电压无关P介=f(U2) 与负载大小无关交流U作用下介质损耗 两者均有直流U作用下介质损耗 只有后者（一）介质损耗及介质损耗角正切矢量图 损耗主要由电导引起采用并联电路损耗主要由极化和连接线引起采用串联电路简化介质损耗介质损耗 P=P=tgUIUIUIcR cos)()(tgfftgCUp 2称为介质损耗角 是功率因素角的余角)()(pppppCRRfRCfCURUIItg11 当设备结构定后因此tg介质损耗角

8、正切介质损耗角正切反映绝缘本身的状态受潮有缺陷I IR R有气泡杂质夹层极化tgtg绝缘劣化过程：tgI IR R发热劣化即tg大小反映了运行中劣化的快慢 因此测tg是预防性试验项目之一 它对判断绝缘是否大面积受潮特别有效P（二）影响介质损耗的因素（二）影响介质损耗的因素1.气体电介质r=1 很小 EE0 电导很小附加损耗小泄漏损耗小tg很小 t1: 热运动强，妨碍偶极子在E作用下作有规则运动极化电导损耗（ttg)tgtt2: 极化损耗减小比电导损耗增加的作用小t tgU达到起始游离电压U0以上时若有气泡、杂质、缺陷（如龟裂）就开始发生游离局部放电产生附加损耗tg因此在较高电压下测量tg可以查

9、气泡、杂质、缺陷等情况讨论tg的意义: （1）合理选择绝缘材料tg 发热可能导致热击穿（2）可通过预防性试验判断绝缘状况tg 绝缘材料受潮、劣化（3）可利用tg大的材料来进行均匀加热泥坯加热现广泛使用的从石油提炼出的矿物油变压器油电缆油电容器油变压器断路器套管作绝缘介质灭弧介质冷却剂其次有蓖麻油、人工合成的氯化联苯、十二烷基苯等下面主要分析变压器油击穿机理纯净的液体击穿场强很高 工程纯液体混有杂质的油Ub 为什么？2.2.1 2.2.1 液体介质的击穿机理液体介质的击穿机理变压器油的击穿过程主要是极性分子水分纤维被游离的气体在E作用下在电极间逐渐排列成小桥将间隙接通泄漏电流发热水分汽化形成气泡

10、气泡游离气泡小桥从而导致油间隙的击穿可用小桥理论小桥理论来定性解释它的击穿过程2.2.2 2.2.2 影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介质击穿电压的因素 1.杂质杂质以水分特别是含水纤维的影响最为严重 油中呈悬浮状态的小水滴将使 Ub当含水量0.020.03时，由于过多的水分将下沉底部，故抗电强度基本稳定 2.2.油的品质油的品质 为了判断油的好坏，常用标准电极油间隙的工频Ub来表示油的质量等级，称为油的品质Q标准油杯标准油杯国家要求： 新油 使用中油35kV 40kV 35kV 6 35kV 30kV 25kV 6kV 25kV 20kV油品质的高低主要用于判断油中杂质多少的情况但这不

11、能作为油的放电电压一般作五次取平均值均匀电场加UQUbQ高杂质少 不易形成小桥在均匀电场中 Q收效大不均匀电场加UUb基本不变Q针尖附近电晕离子的扰动将阻止小桥形成在不均匀电场中过分强调 Q其意义不很大3. 3. 电场均匀程度的影响电场均匀程度的影响4.4.温度温度t t t在00C左右呈乳化悬浮状态的水分最多 Ub最低 t00C 冰油 00t60-800C: t 水分蒸发在油中产生大量气泡Ub反而见书P51 图2.15见书P51 图2.16 1.制造时采用：烘干、真空浸胶、真空灌油、设油枕、设带干燥剂的呼吸器、充氮保护杂质Ub2.在绝缘结构上采用覆盖绝缘层极间障杂质的影响覆盖（屏蔽）： 在曲

12、率半径小的电极上覆盖薄的(6mm以利于油的循环冷却203.延缓油老化(1)装置扩张器将油与大气隔绝(2)在油呼吸通道中装过滤器(3)油容器中充氮，防止油氧化(4)掺入抗氧化剂吸收氧吸收水分2.3 2.3 固体电介质的击穿固体电介质的击穿固体介质在工程中广泛用于绝缘和支撑 为非自恢复绝缘1.1.电击穿电击穿介质中存在少量传导电子在高E作用下与晶格碰 撞碰撞游离击穿特点： (1)是高电场下（106107V/cm ）造成的，发展时间极短 106108秒 (2)Ub高，Ub与电压作用时间无关，只有当作用时间短到s级时，Ub才 (3)电介质发热不显著，温度不高 (4)Eb与电场均匀程度有关，而与周围环境

13、温度高低无关2.3.1 2.3.1 固体介质的击穿机理固体介质的击穿机理2.2.热击穿热击穿由于介质在E作用下，因损耗而发热，导致温度不断上升，超过了材料的耐热能力，造成介质的热破坏，称为热击穿特点：(1)Ub随环境温度 而指数(2)Ub不随厚度成正比(3)电压频率 Ub(4)热积累需时间 当U上升快或加压时间短Ub电介质在长期运行中会发生环境老化：太阳光、雾、氧、臭氧、污秽盐酸碱等引起电气性能电老化：在E作用下电介电离氧化形成新的物质使绝缘性能热老化：由高温引起热裂解氧化解交联低分子挥发物的逸出机械强度变软、变形电气性能绝缘性能以至在正常工作U下短时过电压下击穿3.3.电化学击穿：电化学击穿

14、：电化学击穿2.3.2 2.3.2 影响固体电介质击穿电压的因素影响固体电介质击穿电压的因素1.1.电压作用时间电压作用时间时间短时间长电击穿热击穿起决定作用电热联合作用2.2.电场均匀程度电场均匀程度均匀介质处于均匀电场中Ub较高Ub介质厚度d均匀介质在非均匀电场中不均匀介质在均匀电场中边缘效应电场边缘处有局部放电引起Ub下降dUb稍有电场更不均匀散热能力工程中不能依靠 d来 Ub3.3.受潮受潮受潮后Ub会迅速对不易受潮材料如聚四氟乙烯受潮后击穿电压降一半左右；对容易受潮材料如纸、纤维等受潮后冲击电压可降为几百分之一4.4.累积效应累积效应 Ub随作用次数 而这是因为在U作用下受到了不完全击穿的损害，是不可逆过程，再次作用会使损害进一步发展 2.3.3 2.3.3 提高固体电介质击穿电压的方法提高固体电介质击穿电压的方法1.1.改进绝缘设计改进绝缘设计采用合理的绝缘结构，改善电极形状及表面光洁度，尽量使电场均匀，