第1章-高电压绝缘1分解.ppt

1、第1章 高电压绝缘,1.1 概 述,自然界的物质根据其物理导电性能可分为三类： 导体：常温下电阻率10-610-2 .cm 绝缘体：常温下电阻率1091022 .cm 半导体：常温下电阻率10-3109 .cm 在电力系统中，普遍使用气体、液体、固体绝缘材料。这些绝缘材料在外电场的作用下，会产生极化、电导、电离、损耗和击穿放电等现象。,一、电介质（绝缘材料） 1、定义：电介质是指通常条件下导电性能极差的物质。 2、绝缘材料的类型： （1）按其形态分为：气体如空气、SF6 等。液体如变压器油。固体如橡胶、瓷瓶、玻璃等。 （2）按绝缘材料的耐热等级分为七级： Y A E B F H C 90 10

2、5 120 130 155 180 180度以上 3、绝缘材料的性能： 电气性能、机械性能、耐热性能、吸潮性能、生化性能。,电介质的分类：根据化学结构分为4类,非极性电介质：分子由共价键结合，由非极性分子组成的电介质称非极性电介质。如N2、PTFE（聚四氟乙烯）。,弱极性电介质：有些非极性电介质由于存在分子异构或支链，多少有些极性，称弱极性电介质。如PS（聚苯乙烯）、石蜡、变压器油。,偶极性电介质：由极性分子组成的电介质。如PVC（聚氯乙烯）、有机玻璃、胶水等。 离子性电介质：离子性电介质没有个别的分子，只以固体的形式存在。分为晶体和无定形体两类。如石英、云母、NaCl2、陶瓷。,二、电介质的

3、极化,1、极化电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象。,未加外电场时电介质中的粒子,在电介质中各粒子的正、负电荷中心重合 或者各分子的原子(或离子)处在各自的平衡位 置，均无感应偶极矩,或者极性分子(偶极子)混乱分布，在各个方向的 合成偶极矩为零,施加外电场后电介质中粒子极化,或由于正、负电荷的相对位移位移极化 或由于偶极子的转向偶极转向极化 均在电场方向产生偶极矩,按电介质分子电结构不同，可分为： 无极分子（如 CH 4）和有极分子（如 H2O ）。 解释：1 ）是束缚电荷而不是自由电子 。 2）是有限位移而不是电荷流通，不产生电流 。 3

4、）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用对外显现电场力 。,2、介质的相对介电常数r 表示电介质极化的程度。,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：, 由电介质极化引起的 束缚电荷,3、电介质极化的基本类型,1）电子位移极化 2）离子位移极化 3）偶极子极化 4）夹层极化 前三种极化都是由于带电质点的弹性位移或转向而形成的 ，夹层极化是由自由电荷（通常为离子）在电场中的运动所形成的。,中性电介质,极性电介质,电子位移极化：,电介质：一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕核的带负电电子构成。,感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩

5、为零，对外不显现极性。,感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者 重合，感应电矩也随之消失。,电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电 子向反方向移动，达到平衡后，感应力矩也稳定， 这个过程叫电子位移极化。,离子位移极化：,由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。,偶极子极化：,极性电介质：即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作用中 心的不重合，就单个分子而言，就已具有偶极矩， 称为固有偶极矩。,由于分子的不规则热运动，使各分子偶极矩排列无序，对外不呈现合成电矩。,有外电场时，每

6、个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋势，顺电场方向作定向排列，它在不同程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。,外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。,四、夹层极化,高电压设备的绝 缘由几种不同的材料组成，或介质不均匀，这种情况 会出现“夹层介质界面 极化”现象。,合闸时： 稳态时：,当： 则：,存在电压从新分配，电荷在介质空间从新分布，夹层界面有电荷堆积的过程，从而产生电矩,极化机理：,4、讨论电介质极化现象在工程中的实际意义,1）不同应用场合，对r 大小的要求不同。 中性电介质：r小，热损耗小用作高压电气设备的绝缘结构、电缆绝缘等； 极性电介

7、质：r大，在相同的耐电强度下，可使单位电容器的体积和重量减小用作极板间的的绝缘物质等。 2）在交流及冲击电压作用下，多层介质的合理配合： 电场分布与 成反比 ，组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理。,三、电介质的电导,1、绝缘电阻R的定义 电介质的电阻很大，达到几百几千M。称为：绝缘电阻。 电导：绝缘电阻的倒数。 对于固体介质，R包括绝缘的体积电阻和表面电阻。表面电阻受外界环境的影响大。,2、电导,任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的带电质点存在，在电场作用下，带电质点作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征电导大小的物理量是电导率 （或电阻率 ）。,电介质电导与

8、金属电导的本质区别 带电质点不同：电介质为带电离子（固有离子，杂质离子）；金属为自由电子 。 数量级不同：电介质的小，泄漏电流小；金属电导的电流很大。 电导电流的受影响因素不同：电介质中的电导电流由离子数目决定，与外加电压、温度、频率、杂质等有关；而金属中的电导电流主要由外加电压决定。,3、电流, 几何电流, 吸收电流（数分钟以上）, 泄漏电流,测量介质中电流的电路图,固体介质中的电流与时间的关系,电介质中的电导是由于电介质的基本物质及其中所含杂质分子的化学分解或热离解形成带电质点(电子、正离子、负离子)，沿电场方向移动而造成的。它是离子式的电导，也就是电解式的电导。,3、电流,介质加直流电压

9、后测得电流为 ： a gc a 偶极子极化、夹层极化的吸收电流 （存在的时间 较长，衰减较慢） g离子位移极化的泄漏电流 （不随时间变化） c电子极化、离子极化的几何电流 （存在的时间很 短，很快衰减到零）,4、吸收比,吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用。 在实际应用中，通常是用兆欧表测量 60s 和 15s 时电介质的绝缘电阻值 R60 和 R15 ，R60/R15 的比值 越大，则绝缘越干燥。这个比值成为：吸收比。,四、介质损耗,直流电压下的损耗 损失类型：在直流电压作用下介质的损失仅有漏导损失（纯电阻性的）。 表征方式：可用体积电阻率 V 或表面电导率 S 表征。 交流电压下的损耗

10、 损失类型：在交流电压作用下介质的损失除了漏导损失外，还有极化损失（电容性的）。 表征方式：仅有 V 或 S 不够。 需要另外的特征量来表示介质在交流电压作用下的能量损耗。 12,四、介质损耗,定义： 在交流电压作用下，电介质中会产生电导电流和位移电流，电介质的部分电能将转变为热能，这部分能量损耗称为介质的损耗。,电介质的等效电路：,电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性。 阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无功两部分。 纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。,计算用等值电路：,单位体积介质的损耗功率,电介质的损耗角,介质损耗因数,工程上常用 表征介质的品质,讨论电介质损

11、耗在工程中的实际意义,在设计绝缘结构时，要注意材料的tg。 tg的大小可以判断绝缘受潮或劣化的程度。 tg能量损耗大绝缘电阻判断绝缘材料有受潮、劣化、气泡现象 用做绝缘材料的介质，希望 tg 小。在其他场合，可利用 tg 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干。 在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。,1.2 气体的绝缘性能一、气体中带电粒子的产生和消失,1、气体中带电粒子的产生（游离过程） 1）碰撞电离 气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。 条件： 撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能 动能、位能,2） 光电离 短波射线的光子具有很大的能量，它以光的速度运动，当它射到中性介

12、质的分子或原子上时，所产生的游离称为光游离。 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能。 紫外线，X射线，是引起光游离的主要因素。 3）热电离 在高温下，气体的质点热运动加剧，相互碰撞而产生的游离称为热游离。 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 。 只有在500010000K的高温下才能产生热游离。,4）表面电离,金属表面的电子受外界能量的作用后逸出金属 表面而成为自由电子的现象称为表面电离。 游离需要能量，称逸出功，小于电离能。 获得逸出功的途径： 热电子发射：金属电极加热，分子动能 强场发射或冷发射：电极加上强电场 二次发射：高能量粒子撞击金属电极表面,2、气体中带电粒子的消失,中和

13、受电场力作用流入电极，中和电量 。 扩散 带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。由热运动造成 。 复合 带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。 复合时异号粒子的静电力起重要作用 。,3、游离和复合的关系,游离过程吸收能量产生电子等带电质点，不利于绝缘；复合过程放出能量，使带电质点减少消失，有利于绝缘。 两种过程在气体中同时存在，条件不同，强弱程度不同。游离主要发生在强电场区、高能量区；复合发生在低电场、低能量区。,二、气体放电过程的一般描述,十九世纪九十年代，英国物理学家汤逊（Townsend）采用图1 的实验装置测出了气体小间隙的伏安

14、特性曲线如图2所示。,二、气体放电过程的一般描述,1、 外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。（A段） 随电压，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。(B 段） 场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，向雪崩似的增长，称电子崩。电流大增 。(C段）,外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子,继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。,2、 cr （临界场

15、强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。 cr 时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展，为自持放电。,3、此后的发展随电场情况不同： 均匀电场气隙击穿 不均匀电场：自持放电形成电晕 火花击穿（小） 刷形放电（大）， 火花击穿 当电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧。,三、均匀电场中气隙的击穿,1、汤逊放电理论 （适用范围：低气压、短间隙、均匀电场） 解释：由天然辐射作用产生电离生成正离子和电子，在高电场作用下，电子加速碰撞气体分子，产生新的电子和离子，形成电子崩。正离子撞击阴极又会产生新的电子崩。即使外界不供给起始电子，放电过程也能持续下去，这种放电现象称

16、为自持放电。 汤逊放电理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因。,2、巴森定律 -U = f ( p*d ),分析： *曲线有一极小值点，当p*d=10-2bar.mm，其击穿电压最低； *当p*d 由大变小时，击穿电压变低； *当p*d 太小时，击穿电压较高。,实际意义：将气隙抽真空（减小p）或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（U）,3、流注理论,（适用范围：高气压、短间隙、不均匀、均匀电场中。） 解释：正离子的运动速度太小，正离子在阳极的密度很大，p*d 越大，浓度越大，使二次电子崩与初始电子崩汇合，电子和正离子混合，形成等离子通道，生成流注。 流注理论的实质是： 电子的碰撞游离

17、和光电离是气体放电的主要原因，并强调空间电荷畸变电场的作用。,当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子 光子引起空间光电离，其中的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩,二次电子崩,1主电子崩 2二次电子崩,正流注的形成,二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注。 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,正流注向阴

18、极推进,流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道。 流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快。 流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压 。（返程票）,电离室中的放电过程照片,在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱， E=10.5 kV/cm,初始电子崩转变为 流注瞬间照片 p273毫米汞柱 E=12 kV/cm,电子崩在空气中的发展速度约为1.25107 cm/s,在电离室中得到的阳极流

19、注发展过程的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s,负流注的形成,当外施电压高于击穿电压时，则电子崩发展无需到达阴极，其头部电离（引发二次电子崩）就可直接形成流注。 (单程票) 发展速度： 正流注负流注电子崩,4.长间隙的放电机理,不能用汤逊放电理论和流注放电理论 进行解释。 以棒对平板的长间隙进行分析：在棒电极头部电场高的地方发生多个局部流注放电，即先导；先导到达平板电极时，将两电极跨接起来；电源供给很大能量，先导转为主放电，即绝缘被击穿。,雷电现象中的先导放电阶段,三、不均匀电场中气隙的击穿,1、局部放电（电晕放电） 在极不均匀电场中电极曲率半径小的附近空间的局部场强很大，造成

20、局部放电。 电晕放电的现象。,2、气体放电的几种形式,辉光放电（低气压，小功率） 火花或电弧放电（高气压） 电晕放电（极不均匀电场中的局部放电） 沿面放电（沿固体介质表面的气体放电）,辉光放电,电晕放电,3、影响气体间隙击穿的主要因素,电极的几何形状（均匀、极不均匀电场） 电压的类型（直流、工频交流、冲击电压） 极间距离 持续时间,大电流母线,1.3 液体的绝缘性能,液体绝缘，主要是从石油中提炼出来的矿物油。其击穿理论与气体和固体不同，是至今仍在进行研究的领域。 主要有电击穿、气泡击穿和悬浮粒子产生的击穿。,一、电击穿 主要是电子起主要作用的击穿。 液体绝缘在电场作用下，阴极上由于强电场发射或

21、热电子发射出来的电子被加速后，引起电子崩。由于液体的分子密度高，不需要气体击穿时的自持放电的条件，仅当电子密度达到一定值时就发生击穿。 液体中同样存在流注和先导。,二、气泡击穿,液体中出现气泡,交流电压下串联介质中电场强度的分布与介质的r成反比,气泡r 最小，将承担高场强，且电气强度比液体介质低很多,气泡先发生电离,气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小,电离进一步发展,电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大,许多的气泡在电场中排列成气体小桥贯穿两极,击穿在通道中完成,击穿过程,气泡产生的原因： 电极表面的微小突起使电流集中而引起液体加热。 液体中的杂质使电流增大而将

22、液体加热。 电极和流入电荷之间的或同电极注入电荷之间的排斥力抵消了液体表面张力。 电子崩引起的液体分子离解。 电极表面吸附的气泡脱离出来。,三、悬浮粒子产生的击穿,液体中悬浮着杂质粒子，使电场畸变，在电极间搭成导电小桥，使液体介质的抗电场度下降，导致击穿。 以变压器油为例： 当变压器油中含有杂质时（水分和纤维），水被纤维吸收后，在电场作用下，沿电场分析排列形成导电的杂质小桥，当小桥连通电极时，泄漏电流增加，最后造成介质击穿。,可使用滤油机将油过滤，提高击穿电压。,四、影响液体介质击穿电压的因素,水分：造成击穿电压U下降 纤维和其它杂质：造成U下降 电压作用的时间：时间越长，U下降 电场的均匀程

23、度：电场越均匀，U越高。,电力变压器,判断变压器油的质量，主要依靠测量其电气强度、 tg 和含水量。其中最重要的实验项目就是用标准油杯测量油的工频击穿电压。,米,我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为2.5mm的半圆以减弱边缘效应，保证了极间电场极板上是均匀的。 用来灌注高压电力变压器等的变压器油，其工频击穿电压在2540kV以上 灌注高压电缆和电容器的用油，其工频击穿电压在50kV或60kV以上,五、提高液体介质击穿电压的措施,1、对液体介质进行过滤、干燥、脱气等。 2、提高并保持油的品质 。 提高：去杂质、水分、有机酸过滤 保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化 3、覆盖 。 即在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥 。 油本身品质越差，电场越均匀，电压作用时间越长，