绝缘电气特性

2019/8/51电气安全技术发电1131、供电1131、电气1131班2012年7月教材：《电力安全技术》，杨文学、任红等编，中国电力出版社出版2019/8/52第一章电气设备绝缘的电气特性一、认识电力安全生产的重要性（一）重要性认识1.电力安全生产影响各行各业和社会稳定。2.电力安全生产影响电力企业本身。3.电力生产的特点需要安全生产。4.电力生产环境潜在危险因素多。2019/8/53（二）我国电气安全现状1、电力安全生产任重而道远安全用电水平高的国家20亿KWH触电死亡一人。我国每耗电1亿KWH触电死亡一人，是发达国家的20~30倍。2、用电安全水平近年来有较大提高重视程度、管理水平、设备质量以及双重绝缘、电气隔离、漏电保护等防触电新技术的应用，取得明显效果。第一章电气设备绝缘的电气特性2019/8/54（三）电力生产安全目标我国电力系统安全生产总体目标是防止两大类事故；对社会造成重大影响和对资产造成重大损失的事故。第一章电气设备绝缘的电气特性2019/8/55二、电气设备绝缘状况1.电介质定义：把导电能力很差的物质叫做绝缘材料，也称电介质。2.电介质分类：气体、液体和固体绝缘材料。3.绝缘缺陷的产生原因：制造、运输、运行、试验等4.绝缘缺陷的分类：集中性(或局部性)缺陷和分布性(或整体性)缺陷2019/8/565.绝缘预防性试验作用及分类绝缘出现缺陷后，其各种特性就会发生变化，绝缘预防性试验就是通过各种方法测量表征绝缘性能的各种参数的变化或趋势，来判断绝缘的状况，从而及时发现隐患，加以消除，避免事故。一般分为非破坏性试验和破坏性试验（耐压试验）两类。6.两类试验方法有各自的特点，不能互相替代二、电气设备绝缘状况2019/8/57三、电介质的极化1.极化的定义：在电场作用下，电介质中的正负电荷质点在电场方向上产生有限位移的现象。介质极化后对外呈现极性。2.介电常数：其值由电介质材料性质决定，它描述了介质的极化现象。2019/8/583.极化形式⑴电子式极化特点：①形成极化的时间极短；②电子式极化具有弹性，没有能量损耗；③温度对电子式极化的影响极小。具有很小的负温度系数。三、电介质的极化2019/8/59⑵离子式极化特点：①极化的过程很短；②它也具有弹性，几乎没有能量损耗；③具有正的温度系数。三、电介质的极化2019/8/510⑶偶极子式极化特点：①是极化属于非弹性极化；②极化过程中需要消耗能量，极化所需的时间也较长；③极性介质的极化受频率和温度的影响。三、电介质的极化2019/8/511⑷夹层极化合闸以后，要有一电压重新分配过程，亦即C1、C2上电荷重新分配，在此过程中，分界面上将集聚起多余的电荷，从而显出极性来。特点：存在吸收现象；极化时间长；有能耗、具负温度系数。三、电介质的极化2019/8/512四、电介质的电导（一）电导的定义及特点1.定义：在电场作用下，电介质中带电粒子电场方向作有规则的运动，形成电流，这种物理现象称为电介质的电导。电导决定介质的导电性能；其倒数即是绝缘电阻，表征介质的绝缘性能。2.带电粒子的构成：①介质本身离解出的带电离子；②杂质离解的带电离子。3.特点：电介质的电导是离子电导，随温度升高按指数规律上升，电阻具有负的温度系数；金属的电导是自由电子电导，电阻具有正的温度系数。2019/8/513iii2i1It图1—6直流电压下流过介质中的电流i1：①其他电容②快极化(电子式和离子式)i2：慢极化：由夹层极化和偶极子极化等有损极化过程所引起的电流，称为吸收电流I：电导电流又称泄漏电流：介质中少量弱带电离子在电场作用下定向运动产生。Iiii21与这个稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的绝缘电阻IUR（二）直流电压下通过电介质的电流影响绝缘电阻的因素：①杂质②温度③电场强度四、电介质的电导2019/8/514五、介质的损耗（一）介质损耗的基本概念电介质单位时间内消耗的能量称为电介质功率损耗，简称介质损耗。电介质在电压作用下有能量损耗：极化现象引起的极化损耗和电导引起的电导损耗。在交流电压下二者皆存在；在直流电压下只有电导损耗。2019/8/515如图所示，电介质功率损耗为tgCUtgUIUIPXC2五、介质的损耗2019/8/516五、介质的损耗介质功率损耗P与试验电压、频率、被试品材料尺寸等有关，表示介质损耗不太方便。而只与介质本身的特性有关，便于比较不同介质的损耗特性，所以就用tgδ来表示电介质损耗的大小，tgδ称为介质损耗角正切，δ称为介质损耗角。则XXCRXRCIICUPtg122019/8/517五、介质的损耗（二）各种介质的介质损耗及其影响因素1.气体介质气体介质除电导、极化损耗外，还有游离产生的损耗（电导损耗）U＜U0，仅电导、极化损耗，基本与U无关；U＞U0，局放、电晕损耗大增。2019/8/5182.液体介质中性或弱极性液体介质主要是电导损耗，损耗较小，与温度的关系也和电导相似。极性液体具有电导、极化损耗，与温度和频率有关，如图所示。五、介质的损耗2019/8/5193.固体介质通常将固体介质分为分子式结构、离子式结构、不均匀结构和强极性介质四类。分子式结构：有中性和极性两种。中性的如聚乙烯等主要是电导损耗，电导极小，损耗也很小，高频下可使用；极性的如纸、聚氯乙烯、有机玻璃等介质的与温度、频率的关系同极性液体相似，较大，高频下更严重。五、介质的损耗2019/8/520五、介质的损耗离子式结构：其与结构特性有关。结构紧密的离子晶体且不含使晶格畸变的杂质时，主要是电导损耗，极小，如云母，它是优良的绝缘材料，高频下也可使用。结构不紧密的离子结构中，有离子松弛式极化现象，较大，如玻璃、陶瓷等，且随成分和结构的不同，也相差很大。不均匀结构：在工程上较常见，如广泛使用的油浸纸等，其损耗与组成成分的性能和数量有关。在高压电气设备中不采用强极性介质。2019/8/521六、电介质的击穿（一）击穿的概念在强电场作用下，当电场强度超过某一临界值时，电介质就丧失其绝缘性能，形成导电通道，这种现象称为电介质击穿。击穿时加在介质两端的电压称为击穿电压。电介质击穿时的电场强度就称为击穿场强；在不均匀电场中常使用平均击穿场强。2019/8/522（二）气体介质的击穿1.气体中带电质点的产生与消失⑴带电质点的产生——游离中性原子在由外界获得足够的能量，使原子中的一个或多个电子脱离原子核的束缚成为自由电子和正离子，这就是原子的游离。游离的形式有碰撞游离、光游离、热游离、表面游离等。⑵带电质点的消失——去游离扩散和复合2019/8/523（二）气体介质的击穿2.气体放电的基本过程⑴自持放电与非自持放电仅由电场就能维持的放电称自持放电。由非自持放电转入自持放电的电压称起始放电电压。2019/8/524⑵汤逊放电理论适用于低气压、小间隙均匀电场中的气体放电。在放电时间、阴极材料影响、放电通道上与实际有偏差。碰撞游离形成电子崩表面游离一个有效自由电子2019/8/525⑶巴申定律当气体和电极材料一定时，气体间隙的击穿电压Ub是气压P与间隙距离d乘积的函数，即：dPfUbPd(mmHg·cm)Ubmax(KV)空气的击穿电压与Pd的关系示意图2019/8/526⑷流注放电理论汤逊放电理论的局限性，按汤逊放电理论：气隙放电时间至少应等于正离子经过间隙距离所需时间，但实际上放电时间要小得多。阴极材料对气体击穿过程有影响，但大气压下气隙的击穿电压与阴极无关。气体放电应在整个间隙均匀连续发展，但大气压下的空气击穿会出现带分枝的明亮细通道。流注放电理论考虑了碰撞游离形成的空间电荷对电场的畸变作用以及光游离的影响，能很好地解释大气压力下气体放电现象。2019/8/527气体间隙中流注的发展过程2019/8/5283.极不均匀电场的气体放电⑴出现电晕放电现象在不均匀电场中，当间隙上外施电压达一定值时，大曲率电极附近区域出现强烈游离，出现象月亮晕光样的淡紫色发光层，并伴随有咝咝声和臭氧气味，这就是电晕放电现象。电晕放电是极不均匀电场中所特有的一种自持放电形式，放电区域仅局限在大曲率电极附近的强电场范围内，而整个间隙没有击穿。2019/8/5293.极不均匀电场的气体放电1.出现电晕放电现象开始出现电晕放电时的电压称为电晕起始电压。它小于间隙的击穿电压，电场越不均匀，电晕起始电压与击穿电压的差别越大。电晕放电过程不但有损耗，还会造成通信干扰、腐蚀金属和有机绝缘物等危害。2019/8/5303.极不均匀电场的气体放电⑵存在极性效应在极不均匀场中，气体间隙的击穿电压与曲率大的电极极性有很大关系，这就是极性效应。出现极性效应的原因是当大曲率电极的极性不同时，碰撞游离产生的空间电荷所起的作用不同造成的。下面以棒——板间隙为例进行简要说明2019/8/531正棒——负板间隙空间电荷加强了棒极前方朝向板极方向的电场，削弱了紧靠棒极附近的电场，促使其电晕起始电压较高，但流注向前发展更容易，击穿更易实现，故其击穿电压较棒极为负时低。2019/8/532负棒——正板间隙空间电荷削弱了棒极前方朝向板极方向的电场，加强了紧靠棒极附近的电场，促使其电晕起始电压较低，但流注向前发展受到抑制，整个间隙击穿较困难，故其击穿电压比棒极为正时高得多。2019/8/5333.极不均匀电场的气体放电⑶极不均匀电场气隙放电特点无论棒极的极性如何，放电总是从棒极开始。棒极极性不同时，空间电荷对电场的畸变作用不同。工频电压下，棒——板间隙的击穿总是在棒极为正、电压达到幅值时发生。2019/8/5344.冲击电压作用下气体的放电特性⑴标准雷电冲击波标准雷电冲击波形：波前/波长=τ1/τ2为1.2±0.3/50±0.2(µs)2019/8/535⑵伏秒特性气隙在雷电冲击电压作用下的击穿存在放电时延，即：fsldtttttt00放电时延统计时延放电形成时延2019/8/536⑵伏秒特性通常把作用在间隙上的电压最大值与放电时间的关系曲线称为伏秒特性形曲线。由于放电时间的分散性，伏秒特性曲线是一个带状区域。2019/8/537⑵伏秒特性间隙的伏秒特性与极间电场均匀程度有关，电场越均匀，伏秒特性越平坦，反之则越陡峭。伏秒特性广泛应用于绝缘配合。2019/8/538⑶50%冲击放电电压气隙在冲击电压作用下，导致气隙击穿概率为50％的冲击电压幅值称为50%冲击放电电压。工程上用50%冲击放电电压来表示气隙在冲击电压下的基本耐电特性。2019/8/5395.提高气体击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的途径有两个：一个是改善电场分布使其尽量均匀；另一个是采取措施尽可能地削弱气体间隙中的游离过程。A.改善电极形状及表面状态。B.在极不均匀电场中采用极间障。C.采用高气压气体。D.采用高真空气体。E.采用高电气强度气体（SF6）。2019/8/5406.沿面放电定义：沿着固体介质表面的气体放电称为沿面放电，俗称闪络。沿面闪络电压通常比相同距离的纯空气间隙的击穿电压低，且受固体绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等因素影响很大。不同绝缘结构对闪络电压的影响绝缘子的污闪及其预防（绝缘表面状态与环境条件对沿面闪络的影响）2019/8/541绝缘子的污闪及其预防被污染的绝缘子在电压作用下发生沿面闪络称为污秽闪络，简称污闪，其闪络电压称为污闪电压。在雾、露、雪、毛毛雨等气候条件下，绝缘子最可能发生污闪，有时甚至在工作电压下就会发生污闪。污闪事故的特点是时间长，一般不能用自动重合闸消除，造成停电，检修恢复的时间较长。2019/8/542绝缘子的污闪及其预防污闪发展过程：绝缘表面的污秽层受潮→泄漏电流↑→发热局部烘干→局部放电→干燥区域扩大→出现两种可能：当污秽较轻或绝缘子的泄漏距离（简称爬距）较长，其串联湿润部分的电阻还比较大，干燥区域扩大将使泄漏电流减小，其承担的电压不足以维持这样长的局部放电时，放电熄灭；当承担的电压、