2014-第5章-液体和固体介质的电气特性解析

《高电压工程根底》华南理工大学电力学院

液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘(internalisulation)，常用的液体和固体介质为：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶

电介质电气特性的表征参数：电介质的电气特性表现在电场作用下的：介电特性:介电常数介质损耗角正切传导特性:电导率(绝缘电阻率)击穿特性/电气强度:击穿场强高电压工程根底第5章液体和固体介质的电气特性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根底5.1电介质的极化、电导与损耗5.1.1电介质的极化高电压工程根底平板真空电容器电容量：插入固体电解质后电容量：相对介电常数：相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量—由电介质极化引起的

束缚电荷高电压工程根底极化概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质外表消逝了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。电子式极化离子式极化偶极子极化界面极化无损极化有损极化极化的根本形式极化机理：电子偏离轨道介质类型：全部介质建立极化时间：极短，10-1410-15s极化程度影响因素： 电场强度〔有关〕 电源频率〔无关〕 温度〔无关〕极化弹性：弹性消耗能量：无1.电子式极化高电压工程根底极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12~10-13s极化程度影响因素： 电场强度〔有关〕 电源频率〔无关〕 温度〔随温度上升而增加，离子结合力〕极化弹性：弹性消耗能量：无2.离子式极化高电压工程根底极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-1010-2s极化程度影响因素：电场强度〔有关〕电源频率〔有关，频率上升，极化减弱〕温度〔低温段增加，高温段降低〔热运动〕〕极化弹性：非弹性消耗能量：有3.偶极子极化高电压工程根底4.夹层式〔界面〕极化当t=0:

当t=∞:高电压工程根底

一般状况下：电荷从t=0到t=∞时会重新安排，在介质的交界面处积存电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式〔界面〕极化。极化的时间常数：

高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。消逝在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器等复合绝缘中。高电压工程根底4.夹层式〔界面〕极化接地杆高电压工程根底极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积存介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素： 电场强度〔有关〕 电源频率〔低频下存在〕 温度〔有关〕极化弹性：非弹性消耗能量：有 4.夹层式〔界面〕极化高电压工程根底高电压工程根底高电压工程根底材料类别名称εr（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2.2~2.52.2~2.8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2.0～2.52.25～2.35极性聚氯乙烯3.2～4离子性云母电瓷5～75.5～6.5可见，气体接近于1，液体和固体大多在2～6之间。高电压工程根底争论电介质极化的意义1、选择绝缘：电容器大电容器单位容量体积和重可削减电缆小可使电缆工作时充电电流减小电机定子线圈槽出口和套管小,可提高沿面放电电压2、多层介质的合理协作：电场分布与成反比组合绝缘承受适当的材料可使电场分布合理3、争论介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘劣化和热击穿的主要缘由4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸取电流可以反映夹层极化现象，能够推断绝缘受潮状况。吸取电荷将对人身构成威逼5、研发新型绝缘材料平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(

r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。电介质极化应用实例高电压工程根底

解：设空气电介质常数为

1，设聚乙烯板电介质常数为

2

(1)插入电介质前：E1=U0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入电介质后：

1E1=

2E2

U1/U2=

2/

1，得U1=2.3U2 U0=U1+U2=3.3U2 U2=U0/3.3=55/3.3=16.7(kV) E2=16.7kV/cm U1=U0-U2=55-16.7=38.3(kV) E1=38.3kV/cm>30kV/cm的空气击穿场强

所以,插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿。高电压工程根底5.1.2电介质的电导电介质不是抱负的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。电子电导电介质的电导离子电导〔主要〕表征电导的参数是电导率γ，在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的绝缘电阻。与导体的电导相比，电介质电导的特点：1〕主要载流子是离子2〕电导率随温度上升而指数上升高电压工程根底电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+igic:瞬时充电电流，无损极化ia：吸取电流，有损极化ig：电导电流，或泄漏电流高电压工程根底1.吸取现象高电压工程根底电介质的绝缘电阻定义：电介质中的绝缘电阻一般为M特点：1〕负温度系数2〕随外施电压上升而下降。3〕随加压时间延长而增大。2.体积电阻RV=U/ig体积电阻率为：

体积电导率为：

其中，d〔cm〕为电介质厚度，S〔cm2〕为电极外表积。体积电阻的测量电路高电压工程根底3.外表电阻固体介质除了体积电阻外，还存在外表电导。枯燥清洁的固体介质的外表电导很小，外表电导主要由外表吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的力气与自身构造有关，所以介质外表电导也是介质本身固有的性质

外表电阻率为：

外表电导率为：

外表电阻的测量电路高电压工程根底体积电导和外表电导：外表电导通常远大于体积电导，受环境影响很大，如受潮、脏污。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排解外表电导的影响，应去除外表污秽、烘干水分、并在测量电极上实行确定的措施。高电压工程根底高电压工程根底争论电介质电导的意义电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸取比推断设备的绝缘状况直流电压作用下，分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择适宜的电阻率，就可以实现各层之间的合理分压留意环境湿度对固体绝缘外表电阻的影响，留意亲水性材料的外表防水处理5.1.3电介质的能量损耗高电压工程根底损耗极化损耗〔DC下无〕电导损耗〔DC、AC都有〕

电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。

5.1.3电介质的能量损耗高电压工程根底介质损耗为：P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于相互比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来推断介质的品质。介质损耗正切角〔tg〕〔并联模型〕介损：损耗功率：高电压工程根底介质损耗正切角〔tg〕〔串联模型〕介损：损耗功率：高电压工程根底对于有损介质，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。

高电压工程根底有损介质可用电阻、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

C′，r支路反映吸取电流C0反映电子式和离子式极化〔1〕气体介质的损耗高电压工程根底当电场强度缺乏以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗微小〔tanδ<10-8〕，所以可以做电容器介质。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，如以以下图。线路电晕损耗高电压工程根底〔2〕液体介质的损耗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：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。

电导损耗占主要局部，tanδ重新随温度上升而增加T上升，液体粘度减小，偶极子极化增加，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

f2>f1高电压工程根底〔3〕固体介质的损耗分子式构造介质：中性：主要电导损耗，损耗微小，如石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相像，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等，离子式构造介质：主要电导损耗，损耗微小，如云母等；不均匀构造介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等；强极性电介质：在高压设备中极少使用。高电压工程根底高电压工程根底争论电介质损耗的意义选择绝缘材料。tanδ过大会引起绝缘介质发热，甚至导致热击穿。如蓖麻油因tanδ过大而仅限于DC或脉冲电压下，不能用于AC在预防性试验中推断绝缘状况。假设绝缘材料受潮或劣化，tanδ将急剧上升，预防性试验中可通过tanδ与U的关系曲线来推断是否发生局部放电当tanδ大的材料需要加热时，可加沟通电压利用本身介质发热损耗发热，而且发热特殊均匀高电压工程根底5.2液体介质的击穿纯洁的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相像，但其击穿场强高〔很小的均匀场间隙中可到达1MV/cm〕工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般在200kV/cm~250kV/cm的范围内〔以上击穿场强值均指在标准试油杯中所得数据〕缘由：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”，引起击穿，即“小桥理论”。高电压工程根底绝缘外壳黄铜电极标准试油杯〔图中尺寸均为mm〕油间隙距离2.5mm〔1〕杂质的影响水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。均匀场中影响较大高电压工程根底标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系

W为1×10-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大

5.2.1影响液体介质击穿的因素〔2〕温度的影响高电压工程根底枯燥的油受潮的油标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系

枯燥油的击穿强度与温度没有多大关系0～80℃，Ub提高〔水分溶解度增加〕温度再上升，Ub下降〔水分汽化〕；低于0℃，Ub提高〔水滴冻结成冰粒〕高电压工程根底〔3〕油体积的影响变压器油中水分含量为31×10-6时的Ub与d的关系稍不均匀电场T=100℃稍不均匀电场T=20℃极不均匀电场T=20℃随着间隙长度的增加变压器油的击穿场强下降

高电压工程根底均匀电场中油〔T=90℃〕的冲击击穿场强与油体积的关系规律：油的击穿强度随油体积的增加而明显下降。缘由：间隙中缺陷(即杂质)消逝的概率随油体积的增加而增大。不能将试验室中对小体积油的测试结果，直接用于高压电气设备绝缘的设计高电压工程根底〔4〕电压形式的影响杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因此油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。极不均匀电场中冲击系数约为1.4~l.5，均匀场中可达2或更高。-1.2/50μs波

+1.2/50μs波

工频电压

稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系高电压工程根底5.2.2减小杂质影响的措施〔1〕过滤使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大局部水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。〔2〕防潮绝缘件在浸油前必需烘干，必要时可用真空枯燥法去除水分。〔3〕祛气将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以到达去除油中水分和气体的目的。〔4〕用固体介质减小油中杂质的影响常用措施为掩盖层、绝缘层和屏障。高电压工程根底5.3固体介质的击穿固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其击穿的特点是：击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。

高电压工程根底5.3.1电击穿固体介质的电击穿过程与气体相像，碰撞电离形成电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格构造导致击穿。固体介质在冲击电压屡次作用下，其击穿电压有可能低于单次冲击作用时的值。由于固体介质为非自恢复绝缘，如每次冲击电压下介质发生局部损伤，则屡次作用下局部损伤会扩大而导致击穿。这种现象为累积效应。有累积效应根本无累积效应高电压工程根底5.3.2热击穿概念：绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的上升而急剧增大，因此介质的发热因温度的上升而增加。假设介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏而导致击穿。特点：〔1〕击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟。〔2〕在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿。高电压工程根底介质发热〔曲线1，2，3〕及散热〔曲线4〕与介质温度的关系U1>U2>U3发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc。Ta稳定，Tc不稳定

曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定。U2是临界热击穿电压，Tc则是热击穿的临界温度

根本不存在热平衡点，必定发生热击穿高电压工程根底5.3.3电化学击穿对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的主要缘由往往是介质内气隙的局部放电造成的。介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产生的活性气体如O3，NO，NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用，此外由于带电粒子对介质外表的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。高电压工程根底空气隙的电容

与气隙串联的介质电容绝缘完好局部的电容Cm>>Cg>>Cb

局部放电的等效电路

高电压工程根底电极间加上瞬时值为u的沟通电压时，Cg上的电压瞬时值ug为:气隙的放电电压

气隙的放电熄灭电压直流作用下局部放电的危害性较小高电压工程根底真实放电量：视在放电量：不行测量真实放电量与视在放电量关系：单次局部放电的能量：〔Ui为气泡放电时试品上的电压〕沟通电压下每半周至少发生两次局部放电，所以电压频率越高，则单位时间内局部放电次数越多，即局部放电对绝缘的危害越严峻。直流电压下局部放电的状况不同。当气隙中场强大于放电起始场强时，虽然也发生局部放电，但由此生成的正、负离子在电场作用下运动到气隙壁上形成于外施电场相反的空间电场。空间电荷电场使气隙中的合成场强下降，放电可能熄灭。待气隙中的离子经过气隙外表的电导相互中和后，气隙中的场强又提高到放电起始场强，才发生其次次放电。由于气隙外表的漏导很小，离子的中和需要较长的时间〔常以秒计〕，因此直流电压作用下局部放电的危害性较沟通时要小。高电压工程根底提高绝缘局部放电电压的措施1.尽量消退气隙或设法减小气息的尺寸；2.设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质或高电气强度的压缩气体填充空穴。 例如：用于电容器、电缆、互感器及电容套管中的油纸绝缘高电压工程根底高电压工程根底5.4组合绝缘的特性组合绝缘中的介电常数和介质损耗高电压工程根底高电压工程根底组合绝缘中的电场直流电压作用下——电压与电阻成正比，电场与电导率成反比〔与电阻率成正比〕高电压工程根底沟通电压作用下沟通电压作用下——电压与电容成反比，电场与介电常数成反比分阶绝缘在r0<r<r1内在r1<r<r2内高电压工程根底5.4.1油－屏障绝缘与油纸绝缘的特点

油:主要绝缘介质，由于有很好的冷却作用。