第2章--液体和固体介质的绝缘强度...ppt

1、1,第2章 液体和固体介质的绝缘强度,2.1 介质的极化、电导和损耗 2.2 液体介质的击穿 2.3 固体介质的击穿 2.4 绝缘介质的其他特性,2,3,2.1.1介质的极化、电导和损耗,1.介质的极化和相对介电常数,平行平板电容器在真空中的电容量为 当极板间插入固体介质后，电容量为 式中 A极板面积，cm2； d极间距离，cm；介质的介电常数 0真空的介电常数，0=8.8610-14F/cm 定义 为介质的相对介电常数。,4,2.极化的形式,1)电子式位移极化,电子式极化,存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s ； 具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。,5,2)离子式

2、位移极化,离子式极化,弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10-13s；温度 对此极化存在一定影响，r一般具有正的温度系数。,6,3)偶极子极化,偶极子极化 (a)无外电场时；(b)有外电场时,转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s 10-2s；r在低温下先随温度的升高而增加，以后当热 运动变得强烈时，r又随温度上升而减小。,7,4)夹层极化,夹层极化,8,9,10,2.1.2 电介质的电导,1泄漏电流和绝缘电阻,绝缘电阻,表面绝缘电阻,一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻 。,11,电介质的电导 电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导

3、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。液体与固体电介质的电导率与温度有下述关 系： 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。,12,电介质的绝缘电阻随温度上升而增大,13,2电介质的电导电流,电介质中的电流及其等效电路 (a)在电荷介质上施加直流电压；(b)流过电介质中的电流； (c)介质等值电路,14,i1电容电流分量 i2由介质的有损极化过程所决定 i3泄漏电流，又称为电导电流,总电流,15,3工程介质电导的性质,1)气体介质电导（光游离、碰撞游离） 2)液体介质电导 （离子电导、电泳电导） 3)固体介质电导 （离子电导 、

4、电子电导 ）,4讨论电介质电导的意义,16,2.1.3电介质的损耗,1.电介质损耗及介质损失角正切,介质在交流电压作用时的电流相量图及功率三角形 (a)接线图；(b)相量图；(e)功率三角形,17,电流 I,有功,无功,视在功率,介质损耗,18,介质损失角正切值 同 一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关。 所以用介质损失角的正切tan来判断介质的品质。,19,有损介质可以用一个无损耗的理想电容和一个有效电阻并联或串联来表示,有损介质的等值电路和相量图 (a)并联等值电路；(b)串联等值电路,20,（a）图,（b）图,如果损耗主要是由电导引起的，常使用并联等值电路； 如果损耗主要是由介质极化

5、及连接导线引起的，则常应用串联等值电路 。,21,经推导,介质损耗P为,22,2.影响介质损耗的因素,温度 频率 电压,气体中的 tan与电压的关系,当外施电压超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加。,（1）气体介质的损耗,23,当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的 损耗是由电导引起的，损耗极小（tan10-8）。,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，如图所示。,气体的介损和电压的关系,（2）液体介质的损耗,24,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

6、系，如图。,极性液体介质介损和温度的关系 f1频率 f2频率,25,电压频率对tan的影响很大，且与绝缘材料性质有关。总体体现在：随着频率增加，介质中离子往复运动的速度增加，损耗加大，但频率过高偶极子转向来不及跟随电压的变化，损耗反而下降。要使极化充分，必须升高温度以减小粘度。 电力系统中电源频率固定为50Hz，一般频率只有很小变化，可视为对 tan无影响 .,（3）固体介质的损耗 分子式结构介质： 中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等； 极性：tan值较大，与温度、频率的关系和极性液体相 似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等， 离子式结构介质：主

7、要电导损耗，损耗极小，如云母等； 不均匀结构介质：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。,26,27,2.2 液体介质的击穿,2.2.1 液体介质的击穿机理,纯净的液体介质电击穿理论和气泡击穿理论 工程纯液体 小桥理论 纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm250kV/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） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引

8、 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”。,28,电击穿理论：液体分子由电子碰撞而发生游离 气泡击穿理论：液体分子由电子碰撞发生气泡，或在电场下因其他原因发生气泡，气泡内气体放电引起液体介质热击穿。,29,小桥理论：油中主要杂质是水分和纤维，他们的介电常数非常大，电场下易极化，沿电场方向被拉伸，排列成杂质小桥。当小桥贯通两极时，则由于水分和纤维电导大，引起杂质小桥的泄漏电流增大，发热增多，促使水分气化，形成气泡。即使杂质小桥未联通两极，由于纤维的存在，其端部油中场强显著提高，高场强下油发生游离分解出气体形成气泡，气泡处发生游离放电，带点质点撞击油分子，使

9、油分解出气体，气体中进一步游离出带点质点，最终使得游离气泡不断增大，在电场作用下容易排列成连接两极的气体小桥，可能在气泡通过中形成击穿。,30,变压器油样品,31,2.2.2影响液体介质击穿的因素和改进措施,1.油品质的影响,液体中所含杂质成分及数量对液体介质中的击穿电压有显著影响,在标准油杯中变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,水分、杂质对变压器油击穿电压的影响,W为110-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大,32,油中最主要的杂质是水分，水的介电常数远大于液体介质，水滴在电场方向被拉长，具有伸长椭圆形的形状，极化了的水滴或受潮的纤维向高场强处运动，逐渐形成导电的小桥，

10、导致液体的击穿。 放电所产生的碳粒和氧化所生成的残渣等，使使电场变的不均匀，还可以附着于固体表面，降低沿面放电电压。,33,油中溶解的气体受热或搅动时易释放形成气泡，这些气泡在较低电压下可能游离，游离气泡的温度升高而蒸发，沿电场方向也易形成小桥，导致击穿电压下降。 电场越均匀，击穿电压分散性越大。 不均匀电场中，因为场强高处发生了局部放电，液体扰动，杂质不易形成小桥，影响较小。,34,2.温度的影响（下左图） 3.电压作用时间的影响,变压器油工频击穿电压与 温度的关系 l干燥的油；2潮湿的油,变压器油的击穿电压与电压作用时间的关系,35,电压作用时间长，油中杂质有足够时间形成杂质小桥，击穿电压

11、低； 电压作用时间短，杂质来不及形成小桥，击穿电压提高，电压作用时间越短，击穿电压越高。,36,4.电场均匀程度的影响,油纯度较高时，改善电场的均匀程度能有效地提高工频或直流击穿电压，但在较脏的油中，杂质的积聚和排列已使电场畸变，电场均匀的好处不明显；冲击电压作用时，小桥不易形成，改善电场均匀程度能提高冲击击穿电压。 极不均匀电场中，击穿前的高场强区会出现局部放电，引起液体介质的扰动，使小桥不易在极间排成； 油浸式绝缘结构中，如在运行中能保持油的清洁，或绝缘主要承受冲击电压，则应使用均匀电场；如绝缘结构长期承受运行电压，或运行中易老化劣化，则使用不均匀电场。,37,5.压力的影响,变压器工频击

12、穿电压与压力的关系,对液体介质的击穿电压影响最大的是杂质,38,对工程液体电解质，击穿电压随压力的增加而提高。随着压力的增加，气体在油中的溶解度增加，气泡的局部放电起始电压也提高，这两个因素都将使液体的击穿电压提高。 对于较纯净的液体或在冲击电压下，压力对击穿电压基本无影响。,39,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,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，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。 （2）防潮 绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。 （3）祛气 将油加热，喷成雾状，并

13、抽真空，可以达到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 常用措施为覆盖层、绝缘层和屏障。,41,2.3 固体介质的击穿,2.3.1 固体介质的击穿机理,特点： 固体介质的击穿电压与外施电压作用时间长 短有密切关系 非自恢复绝缘,42,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。,43,击穿形式： 1.电击穿 在强电场作用下，介质内的少量自由电子得到加速，产生碰撞游离，使介质中带电质点数目增多，导致击穿。 特点 ： 击穿过程极短；击穿电压高，介质温度不高；击穿场强与电场均匀程度关系密切，与周围环境温度无关。,44,电击穿的

14、体积效应和累积效应 体积效应：固体介质击穿场强数据分散性很大，这与材料不不均匀性有关。加大试样的面积或体积使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低。 累积效应：固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压Un有可能低于单次冲击作用时的击穿电压U1.,45,2.热击穿 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升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果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： 击穿与环境有关，与电压作用时间有关，与电源频率有关，还与周围媒质的热导、散热条件及介质本身导热系数、损耗、厚

15、度等有关。击穿需要较长时间，击穿电压较低。,46,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，Tb则是热击穿的临界温度,根本不存在热平衡点，必然发生热击穿,47,3.电化学击穿 电气设备在运行了很长时间后(数十小时甚至数年)，运行中绝缘受到电、热、化学、机械力作用，绝缘性能逐渐变坏，这一过程是不可逆转的，称此过程为老化。 由于介质逐步老化，导致绝缘性能下降，以致绝缘在工作电压下或短时过电压下发生击穿，称此击穿

16、为电化学击穿。,48,2.3.2影响固体介质击穿的因素和改进措施,1.电压作用时间,电工纸板的伏秒特性,外施电压作用时间对击穿电压的影响很大,A-电击穿 B-热击穿,49,2.温度,工频下电瓷的击穿电压与温度的关系,应改善绝缘的工作条件，加强散热冷却，防止臭氧及有害气体与绝缘介质接触等。,tt0,热击穿。,50,3.电场均匀程度,均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电压较高，且与介质厚度有直线关系； 在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度增加而下降，当厚度增加时，散热困难，可能出现热击穿，故增加厚度的意义更小。,4.受潮,介质受潮后击穿电压迅速下降，对易吸潮的纤维影响特别大。,51,基本无累积效应,有累积效应,5.累积效应 在多次冲击或工频试验电压下，一系列的不完全击穿将导致介质的完全击穿，反映出随着施加冲击或工频试验电压次数增多，固体介质的击穿电压将下降的现象，称为累积效应,52,6.机械负荷 介质在机械负荷作用下发生裂缝，其