高电压技术：第5章_液体和固体介质的电气特性

1、5 液体和固体介质的电气特性高电压工程基础 液体、固体电介质作为高压电气设备内绝缘。具有如下特点：绝缘强度一般不受大气条件变化的影响。液体、固体的击穿不可逆。必须大修、更换、报废。液体、固体介质在运行过程中会逐渐老化，其物理、化学、电气性能改变，影响绝缘的电气强度及寿命。 不但要了解液体、固体电介质在强电场中的击穿特性，还要了解其在弱电场中电气特性和参数，极化、电导、损耗等电气物理现象。5.1 电介质的极化、电导与损耗5.2 液体介质的击穿5.3 固体介质的击穿5.4 组合绝缘的特性5.5 绝缘的老化高电压工程基础5.1 电介质的极化、电导与损耗5.1.1 电介质的极化1. 电介质物理结构的基

2、本知识物质的性质与其微观结构有直接关系。根据化学结构，电介质分为分子式结构和离子式结构，分子式结构又分为极性分子和非极性分子： 非极性介质及弱极性介质：分子由共价键组成，N2、聚苯乙烯等； 偶极性电介质：由极性分子组成，聚氯乙烯、玻璃、胶木、纤维素等； 离子性电介质2. 极化及极化现象将电介质放入电场，在外电场作用下电介质表面将出现电荷，这种现象叫做电介质的极化。所产生的电荷是正负电荷在分子范围内微小移动的结果，所以极化电荷也叫“束缚电荷”。 极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷沿电场方向产生弹性位移和偶极子的取向现象。 介电常数来表示极化强弱。 极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场

3、完全抵消，它只能削弱外电场。 无极分子正、负电荷中心重合。在外电场作用下分子正、负电荷中心产生位移，形成电偶极矩，介质表面出现束缚电荷。有极分子正、负电荷中心不重合，电偶极矩。在外电场作用下分子电偶极矩取向，介质表面出现极化电荷。介质介电常数3. 介电常数、相对介电常数平板电容器真空中的电容量真空介电常数，0=8.8610-14F/cm定义 为介质的相对介电常数。 A极板面积cm2 d极间距cm当电容器极板间插入电介质后，电容量增大： 高电压工程基础电介质极化的形式（1）电子式极化（一切介质） 原子中的电子轨道在外电场作用下相对于原子核发生位移，这就是电子式极化。此时正负电荷中心不再重合。 电

4、子式极化存在于一切介质中，极化所需时间极短，约10-15s ；具有弹性，没有损耗； 中性或弱极性介质的极化主要是电子式极化， r小（22.5）且与温度、频率无关。高电压工程基础（2）离子式极化 固体无机化合物多为离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电 场作用时，正、负电荷作用中心重合，对外不显电性；有外电场时正、负电荷中心偏移，使分子呈现极性。 离子式极化属于弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10-13s，所以可认为离子式极化与频率无关；温度对此极化存在一定影响，r一般具有正的温度系数。 偶极子在电场作用下的定向排列，是非弹性极化；极化所需的时间较长，约10-10s10-2s；因而极化与电源

5、频率有较大关系。 极性介质包括电子式极化和偶极子式极化，r大。 温度对偶极子式极化有较大的影响。温度高时分子热运动剧烈，不利于偶极子的转向，因而极性气体的极化具有负的温度系数 。当极性液体和固体温度过低时，由于分子联系紧密，偶极子难于转动，因而低温时的极性液体和固体具有正的温度系数；当温度较高时具有负的温度系数。（4）夹层极化（多层介质）界面上的自由电荷的移动，有损耗。频率很高时不存在。（3）偶极子极化（极性介质）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2.22.52.22.8 极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性

6、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575.56.5一般气体的介电常数接近于1一般液体和固体的介电常数26之间，强极性液体除外电容器的绝缘材料，r大的电介质可使单位电容的体积减小和重量减轻。 r较小的电介质，可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压、降低介质损耗。高压电气设备常采用组合绝缘，应注意各种材料的r值之间的配合。因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的r成反比。5.1.2 电介质的电导 电介质有微弱的导电性能。 表征电导的参数是电导率，在高电压工程中一般常用电阻率来表征介质的绝缘电阻。高电压工程

7、基础绝缘体导体半导体电介质的导电主要是离子式电导。 当外加场强远小于击穿场强时，液体与固体电介质的电导率与温度T按指数规律上升：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。 注：测量介质的绝缘电阻时必须注意温度体积电阻（液体固体） 体积电阻率为： 体积电导率为： 其中， d 电介质厚度， S 电极表面积。体积电阻与表面电阻的测量电路高电压工程基础表面电阻（固体）表面电阻率为：高电压工程基础表面电导率为：d电极间距l电极长度表面电阻率与空气相对湿度的关系表面电阻的测量电路5.1.3 电介质的能量损耗高电压工程基础 电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电

8、导引起的损耗和由极化引起的损耗。（直流电压作用下无极化损耗，电阻率（或电导率）即可反映其损耗的大小）。 介质损耗为： P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，改用介质损失角的正切tan来判断介质的品质。 介质损失角 对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示。 高电压工程基础 有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等值电路。 R反映电导损耗 C0反映电子式和离子式极化C，r支路反映吸收电流（1）气体介质的损耗高电压工程基础 当电场强度不足以

9、产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（tanCgCb 局部放电的等效电路 含气泡固体介质上加交流电压电极间加上交流电压u时，在气隙发生局部放电前，Cg上的电压瞬时值ug随外加电压u而变化：放电电压熄灭电压当气隙上的电压超过其放电电压时发生放电而使气隙电压急剧下降；当降低到熄灭电压时放电停止；气隙电压再随外加电压而上升，当升高到放电电压时，再次放电；. 。高电压工程基础即气隙真实放电量：不可测量根据 ，气隙放电真实的放电量应该为：气隙两端的等效Cg0CmCgCb 由于 ，则： Ug：气隙的放电电压Ur：气隙的熄灭电压由于真实放电量不可测，一般根据气隙放电时试品两端电压的变化和试品

10、电容来确定放电量。高电压工程基础视在放电量（气隙放电时从试品两端反映的放电量，pC）：视在放电量比真实放电量小的多局部放电的能量：Ui :放电时的试品电压视在放电量与气隙实际放电量的关系：局部放电参数：视在放电量q、放电能量W、放电的重复率N，以及平均放电电流、平均放电功率、局放的起始电压与熄灭电压等。高电压工程基础 直流电压下的局部放电直流电压作用下，当气隙上的电压超过其放电电压时也发生局部放电放电；放电产生的空间电荷运动到气隙壁上而形成与外场强相反的电场，削弱了外加场强；放电可能熄灭。待空间电荷中和后，当气隙场强再提高到放电场强时，才发生第二次放电。气隙的漏导小，离子中和需要时间长（秒级）

11、，因此直流下的局部放电数量大大小于交流下的，其危害也小。Cathode, -Anode, +E0fE0EqCathode, - Anode, +E0固体绝缘中的外电场气隙中空间电荷产生的局部场强的外电场气隙中的外电场高电压工程基础 提高局部放电电压的措施各种材料的耐局部放电的能力不同，陶瓷、云母等无机材料有较强的耐局部放电的性能，而塑料等有机材料耐局部放电的性能较差。在设计时应使绝缘在工作统不发生局部放电。提高绝缘局部放电电压的措施可分为两类：一是尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸，因为气隙的击穿场强随气隙厚度 的减小而明显提高；二是设法提高空穴的击穿场强，可用液体介质或高电气强度的压缩气体填充

12、空穴。油纸绝缘。由于油的介电常数比空气大，因此空穴被油填充后，油隙中场强比原气隙中场强要低。另一方面，油隙的击穿强度高于气隙。因此多层介质用油浸渍可以有效地提高局部放电电压。高电压工程基础5.4 组合绝缘的特性 对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学等性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合。 例如变压器的外绝缘由套管和周围的空气组成，而其内绝缘由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。 理想情况下，若组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其材料能耐受的电气强度成正比

13、，则整个组合绝缘的电气强度最高，各层绝缘材料得到最充分、最合理的利用。直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度与其电导率成反比。 工频交流和冲击电压下：各层所承担的电压和各层电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。5.4.1 油屏障绝缘 油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘结构。其中变压器油作为主要的电介质，油隙中放置若干个屏障以改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高3050。覆盖：紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。漆膜绝缘层：当覆盖的

14、厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度、提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。屏障：放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。 电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。 前面介绍的“油屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度，而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差.5.4.

15、2 油纸绝缘 绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达500600kVcm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的击穿场强约为200kVcm，而干纸只有100150kVcm)。 各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。 油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮)。 因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。高电压工程基础5.4.3 组合绝缘的电场 （1）介质界面与等位面重合的情况 在极间绝缘距离d=d1+ d2不变时，增大2 使E2减小，但却使E1增大。 在电场较均匀的油隙增加屏障使油中

16、场强明显增加，对绝缘不利（2）介质界面与电极表面斜交的情况高电压工程基础介质2介质1在介质2中发生折射：界面上电场的切向分量连续 高电压工程基础P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加以注意！由于超高压电缆绝缘厚度较厚，电场不均匀程度大，绝缘利用不充分，常采用分阶绝缘。高压电缆常为单芯结构，最大场强位于芯线表面：比1大的多，5.4.3 电场调整的方法 电缆采用分阶绝缘高压单芯电缆结构（110kV、630mm2）高电压工程基础若12n，且1r1=2r2=nrn=常数。则各层最大场强基本相同，各层介质得到充分利用，可缩小电缆尺寸。 一般在导体附近采用高介电常数材料

17、，降低此处电场强度。5.5 绝缘的老化电气设备的绝缘在运行中，受到各种因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，导致其物理、化学、电和机械等性能的劣化，如机械强度降低，介质损耗及电导增大。将这种现象称为绝缘老化。绝缘老化的原因很多，主要有热的作用、电的作用、机械的作用以及水分、氧化、射线及微生物的作用。高温下，电介质短时间内就能发生明显的损坏；即使温度比短时允许温度低，但作用时间很长时，绝缘性能也会发生不可逆的变化。绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短。液体介质的热老化主要表现在油的氧化，油温越高，则氧化速度越快。油局部过热会分解出一些能溶于油的微量气体，这是变压器油劣化的主要原因。不同介质材料

18、的耐热性能不同。GB1102189划分几个耐热等级，规定相应的最高允许温度。超过其允许值，介质迅速老化，寿命大大缩短。5.5.1 电介质的热老化A级，温度每升高8 ，寿命缩短一半B级，温度每升高10，寿命缩短一半H级，温度每升高12，寿命缩短一半5.5.2 介质的电老化高场强下的电老化，由介质中的局部放电引起，各种绝缘材料局部放电的性能有很大的差别：云母（电机绝缘）、玻璃纤维等无机材料有很好的耐局部放电能力。有机高分子聚合物等绝缘材料耐局部放电能力比较差，其长时间击穿场强要比短时间击穿场强低很多。设计时应将其工作场强选的比局部放电电压低，以保证其寿命。绝缘油中发生局部放电引起油温升高而导致油的解裂，并伴有微量气体产生。另外油中放电生成物可能是聚合蜡状物，可能附着于固体介质表面影响散热，加速固体绝缘的老化。5.5.3 机械力的影响机械应力对绝缘的老化速度有很大的影响。如：机械应力过大会使固体介质内产生裂纹或气隙，导致局放，运行经验表明：瓷绝缘子的老化常常是由于机械应力造成（悬式绝缘子最易损坏的地