第一篇电介质的电气强度

第一篇高电压绝缘及试验唐小波2010.9电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是电介质。电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：气体介质液体介质固体介质在电气设备中：外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两类：弱电场－电场强度比击穿场强小得多极化、电导、介质损耗等强电场－电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强放电、闪络、击穿等高电压绝缘及试验电介质的基本电气特性气体放电的基本理论气体电介质的击穿特性固体电介质和液体电介质的击穿特性电气设备绝缘特性的测试电气设备绝缘的耐压试验及高电压测量第一章电介质的基本电气特性电介质的极化电介质的电导电介质的损耗电介质的击穿一、介质的极化构成电介质分子的分类（1）中性分子（原子）：分子（或原子）中正负电荷的作用重心是重合的，对外不显电性。（如固体无机化合物云母、陶瓷、玻璃等）（2）极性分子：分子中正、负电荷的作用重心不重合，而保持一定的距离，单个分子对外显电性，由于热运动的原因，各分子的排列杂乱无章，不同分子对外电性相互抵消，故对外不显电性。（偶极分子）（如变压器油、松香、橡胶、胶木、聚氯乙烯、纤维素等）一、介质的极化电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化电子位移极化+-+E=0电子云原子核负电荷中心感应偶极矩E图1-1-1电子位移极化（a）极化前；（b）极化后原子核（a）（b）弹性的，不引起能量损耗；完成时间极短，约10-14～10-15s；单元粒子的电子位移极化与温度无关离子位移极化完成时间约10-12～10-13s；极微量的能量损耗；离子位移极化率随温度的升高略有增加+++---+-+++---+-E=0E离子式极化转向极化固有偶极矩：极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中心不重合，就单个分子而言，就已具有偶极矩。由于分子不规则热运动，分子偶极矩的排列无序，不能体现合成电矩。转向极化：电场作用下，定向排列。伴有能量损耗；需要较长时间，约10-6～10-2s，甚至更长；外电场越强，极性分子的转向定向就越充分，转向极化就越强+-+-+-+-+--++-+-+-+-+--++-+-+-+-+-+-+-+-E=0E空间电荷极化极化机理电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化带电质点的弹性位移或转向带电质点的移动空间电荷极化G1G2C1C2UBA图1-1-3双层介质极化模型设C1=1,C2=2,G1=2,G2=1,U=3注意：夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G来完成的。由于高压绝缘介质的电导通常都很小，所以极化过程缓慢，几十分之一秒～几分钟。伴有能量损耗。这种极化只有在低频时才有意义空间电荷极化C1C2+2+2－2－2Uc1=2Uc2=1U=3C1C2+1+4－1－4Uc1=1Uc2=2U=3图1-1-4双层介质中电荷和电位分布（a）初瞬时；（b）稳态时（a）（b）注意1当两层不同电介质串联构成的复合绝缘时，刚开始加压时，各层介质的极化程度不一样，各层电介质中极化产生的电荷量也不一样，于是分界面显示出电的极性来，称为夹层极化。极化结束后，电荷要重新分配，就在两层介质的交界面形成一定的吸收电流。这种过程非常缓慢，那么在去掉电压后介质内部的吸收电荷要释放出来也非常缓慢。因此对于使用过的大电容设备，应将两极短接，彻底放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来危及人生安全。注意2（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）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。二、电介质的介电常数介电常数的物理意义气体介质的相对介电常数液体介质的相对介电常数固体介质的相对介电常数介电常数的物理意义真空0QQ-+----++++++++----+----++++-插入电介质后QQQ0dSQQQUQcdSUQc00000介电常数的物理意义相对介电常数以该物质为介质的电容器的电容与以真空中为介质的同样大小电容器电容量的比值，称为相对介电常数，简称介电系数。它表征电介质在电场的作用下极化程度的物理量。相对介电常数的物理意义：相对真空时感应电荷（电容量）变化的倍数。0000CCQQQr介电常数在工程应用中的意义（1）越大，电介质极化作用越强，其绝缘性能越差。故要合理选用。例如电容器：要求大些，这样电容器单位容量的体积和质量就会减小。电力电缆：要求小些，则工作时的充电电流和极化损耗就会降低。（2）几种串联电介质组合在一起使用时，有如下公式rrr2211EE介电常数在工程应用中的意义即串联电介质的场强分布与成反比。越小其介质中的场强越大，越大其介质中的场强越小。故在串联介质中要合理考虑电场的分布，尽量使电场分布均匀。（3）通过测量可以判断电介质是否受潮或所含气体的多少。当电介质受潮及老化分解气体时，会明显增大。2211EErrrrr气体介质的相对介电常数气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响程度都很小。气体物质分子距离相对很大，即气体密度很小气体极化率很小一切气体的相对介电常数都接近于1液体介质的相对介电常数1.中性液体介质相对介电常数一般在1.8～2.8之间。相对介电常数与温度的关系与介质分子密度与温度的关系接近一致。举例：石油、苯、四氯化碳、硅油液体介质的相对介电常数2.极性液体介质(1)介电常数与温度的关系低温时，分子间的黏附力强，转向较难，转向极化对的贡献较小；温度升高，分子间的黏附力减弱，转向极化对的贡献较大，随之增大；温度进一步升高，分子热运动加强，对极性分子定向排列的干扰也随之增强，阻碍转向极化的完成，反而减小。液体介质的相对介电常数(2)介电常数与电场频率的关系电场频率对极性液体介电常数的影响很大频率相当低时，偶极分子来得及跟随电场交变转向，介电常数较大，接近于直流电压下的；频率超过f0时，极性分子转向跟不上电场的变化，介电常数开始减小；随着频率的增高，介电常数最终接近于仅有电子位移极化所引起的介电常数值。d固体介质的相对介电常数2.极性固体介质由于分子具有极性，相对介电常数都较大，一般为3-6。极性固体介质的相对介电常数与温度和频率的关系类似极性液体所呈现的规律。举例：树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃等固体介质的相对介电常数1.中性或弱极性固体介质只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。举例：石蜡、硫磺、聚乙烯云母、石棉、无机玻璃等三、电介质的电导•电介质中的电流介质加直流电压后测得电流为Ia－－夹层极化的吸收电流Ig－－泄漏电流Ic－－位移极化电流吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用。cgaIIII三、电介质的电导电介质的电导与金属的电导的本质区别电介质电导是离子式，即电解式电导气体介质：电离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动而造成的；液体和固体：介质的基本物质（包括杂质）分子发生化学分解或热离解的带电质点沿电场方向移动造成的。电介质的电导与金属的电导的本质区别（2）数量级不同：电介质的电导率γ小，泄漏电流小；金属电导的电流很大。（3）电导电流的受影响因素不同：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。三、电介质的电导气体介质的电导液体介质的电导固体介质的电导气体介质的电导无电场时，离子的产生与复合达到平衡；存在电场时，离子在电场力作用下，克服与气体介质分子碰撞的阻力而移动，得到速度v离子的迁移率b=v/EE——电场强度气体介质的电导•电场强度很小时，b接近于常数，即电流密度与电场强度几乎成正比•电场强度增大，外界因素造成的离子全部趋向于电极时，电流密度饱和，但其值仍很小•场强超过E2时，气体介质中将发生撞击电离，从而使电流密度迅速增大液体介质的电导中性液体介质的电导主要由离解性的杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子所引起的极性液体介质的电导不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有关。极性液体介质的介电常数越大，则其电导也越大。液体介质的电导1.温度温度升高，液体介质的黏度降低，离子移动所受阻力减小，离子迁移率增大，电导增大温度升高，液体介质分子的离解度增大，电导增大)/exp(TBA液体介质的电导率与温度的关系可以近似地以下式表示式中A、B——常数T——绝对温度——电导率液体介质的电导当温度变化不大时，液体介质的电导与温度的关系也可以写成00exp式中——常数——液体介质的温度，℃——时的电导率00液体介质的电导2.电场强度在极纯净的液体介质中，电导与电场强度的关系与气体介质相近一般工业用纯净液体介质饱和电流这一段通常是观察不到的电场强度小于某定值时，电导接近一常数；电场强度超过某定值时，电场将使离解出来的离子数量迅速增加，电导也就迅速增加，电流密度随场强呈指数规律增长固体介质的电导中性分子的固体介质的电导主要是由杂质离子引起的离子式结构的固体介质的电导主要是由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的，杂质在离子式结构的固体介质中也是造成电导的原因之一固体介质的电导1.温度与液体介质相似2.电场强度与液体介质相似，可以近似地以下式表示00expEEb式中——电导率与电场强度尚无关范围内的电导率——电导率与电场强度尚无关范围时的最大电场强度b——常数，由材料特性所决定00E固体介质的电导3.杂质表面电导：由于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物而形成的，其中水分起着特别重要的作用。因此，亲水性介质的表面电导要比憎水性介质的表面电导大得多。一般，中性介质的表面电导最小，极性介质次之，离子性介质最大。相当于固体介质中加入了强极性的杂质电介质电导在工程上的意义1、电介质电导的倒数即为介质的绝缘电阻。通过测量绝缘电阻可以判断绝缘是否受潮或有其它劣化现象。2、多层介质串联时在直流电压下各层的稳态电压分布与各层的电导成反比，故对直流设备应注意电导率的合理配合。3、电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导产生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升高，有时必须降低设备的工作电流。在一定的条件下，电导损耗还可能导致介质发生热击穿。四、电介质中的能量损耗介质损耗的基本概念气体介质中的损耗液体和固体介质中的损耗介质损耗的基本概念电场的交变速度远低于极化建立速度时，介电常数可视为一实数，接近于静态介电常数。电场的交变速度与极化建立速度相近时，极化就跟不上电场的变化，电通量密度就滞后于电场强度一个相位角。DE介质损耗的基本概念介电常数将是一个复数ED/*jj)exp(*介质中的电流密度（不计漏导）JJEjtEJ/*0电容性电流密度，超前场强90°有功电流密度，与场强同相位，形成有功损耗实际上，还存在漏导，在电场作用下，形成与交变电场同相位的漏导电流密度，它是纯有功损耗电流密度。lkJrJpJprJpcJlkJgJcJJE图1-4-1电介质中的电流密度和场强相量介质损耗的基本概念有损极化所引起的电流密度pJ真空和无损极化引起的电流密度，纯容性gJ漏感引起的电流密度，纯阻性lkJ通常用来表征介质中损耗的大小crJJtg/直流电压下的介质损耗ic：无损极化造成的电流（电子式极化+离子式极化）衰减时间短。ia：有损极化所造成的电流（偶极式极化+夹层式极化）衰减时间较长。ig：电导电流。（恒定电流即泄露电流）iiiaicig吸收现象与吸收比•由前面等值电路的分析可知，电介质在直流电压作用下泄露电流是逐渐衰