您好,欢迎访问三七文档
第二章液体、固体介质的电气特性中国石油大学信控学院薛永端主要内容第一节电介质的极化、电导和损耗介电常数、电导率、介质损耗角正切、击穿场强第二节液体介质的击穿液体介质击穿的概念影响液体介质击穿电压的因素减少杂质影响的办法第三节固体介质的击穿固体介质的电击穿理论固体介质的热击穿理论固体介质的电化学击穿理论第四节组合绝缘的电气强度介质的组合原则组合绝缘中电场绝缘的老化2.1电介质的极化、电导和损耗关于介质极化、电导、损耗电场强度远小于击穿场强时,各类介质均有极化、电导和损耗现象。气体介质很微弱,可忽略。可只考虑液体和固体。电介质极化的概念和分类电介质极化的概念:在电场力作用下,介质原子正负电荷中心沿电场方向产生有限位移的现象。电介质极化的分类:电子式极化离子式极化偶极子式极化夹层介质界面极化空间电荷极化电子式极化原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子云组成不存在外电场时,电子云的中心与原子核重合,感应电矩为零电子式位移极化的过程外加电场时,电场力将使原子核向电场方向位移,电子云向电场反方向位移当电场力与原子核对电子云的引力平衡时,达到稳定外电场消失时,恢复正常所有电介质内均存在电子位移极化电子式极化是弹性的,不损耗能量完成时间极短,10-14~10-15S,和可见光周期接近离子式极化针对由离子组成的介质。没有外电场时,各正负离子对构成的偶极矩彼此抵消,合成电矩为零外电场的作用首先促使离子内部产生电子位移极化离子式极化过程外电场作用下,正离子朝电场方向位移、负离子反向位移电场力和离子引力平衡时稳定形成一定的合成电矩有极微量的能量损耗完成时间短,10-12~10-13S,和红外光周期接近极化率随温度升高而增加升温后,离子间距增大,作用力减弱偶极子式极化针对于极性电介质没有外加电场时,分子中的正、负电荷中心也不重合对于单个分子而言,具有偶极矩大量分子不规则热运动,宏观上不呈现合成电矩偶极子式极化过程外电场作用下,每个分子的固有偶极矩就转向电场方向,顺电场方向作定向排列,呈现宏观电矩。受分子热运动的干扰,定向排列只能达到某种程度定向排列的程度,随场强和温度变化。外电场越强,定向排列越充分,极化越强。外电场消失,分子热运动使排列重回无序状态完成时间较长,10-6~10-2S。频率提高时,转向跟不上电场变化,极化率减小有能量损耗空间电荷极化电子式、离子式、偶极子式极化的机理:都是由带电质点的弹性位移或转向形成空间电荷极化的机理:由带电质点(电子或正负离子)的位移形成的。空间电荷极化的过程:多数绝缘结构中,电介质往往呈层式结构电场作用下,带电质点位移时,可能被晶格缺陷捕获,或在两层介质界面上堆积形成电荷在介质空间的新分布,从而产生电矩。夹层介质界面极化一种典型的空间电荷极化电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大电荷的堆积是通过介质电导完成的完成时间很长,几十秒~几分钟。只有在低频下才有意义有能量损耗介电常数(1)真空中的介电常数E为场强矢量,V/mD为电位移矢量,即电通量密度矢量,C/m2介质中的介电常数:极化电矩产生的反向场强,减弱了合成场强E。若要保持合成场强E不变,则D值要增加到原来的倍为相对介电常数:特性:与温度、电源频率有关,具体关系取决于极化形式)/(10*854.8120mFED'0EDrrr介电常数(2)UUrdAdAUCCUQQQ000000εr的物理意义:电极间加入电介质后,电极化引起的电容量比真空时的电容量加大的倍数。可用来表征介质极化的强弱。综合反映电介质极性特性的一个物理量极化类型产生场合极化时间/S极化原因能耗介电常数和频率关系介电常数和温度关系电子式任何电介质10-15束缚电荷的位移无无不大离子式离子式结构电介质10-13离子的相对偏移几乎无无有正温度系数偶极子式极性电介质10-10~10-2偶极子的定向排列有有倒U型很大气体:负温度系数液体固体:倒U型夹层介质界面多层介质交界面10-1~数小时自由电荷的移动有有频率高时,无极化空间电荷电极附近各种极化类型的比较常用介质的介电常数温度变化对εr的影响,主要是通过介质体积变化体现的εr和频率无关的相对性:电源周期极化时间多层介质动态电位分布:先按介电常数分布,再过渡到按电导分布因此,必须说明εr对应的极化条件:电源频率、温度常用电介质的介电常数值,见P39表2-2环境条件:20oC,工频电压气体εr很小,接近于1液体和固体介质的εr大多在2~6之间介电常数在工程上的意义几种绝缘材料组合使用时,应注意配合,使电场分布较为合理对于直流或低频交流电压,最初的电场强度分布与介电常数成反比应注意:电场分布还与电导有关有些绝缘结构设计中希望小如电缆,可减小分布电容电流有些绝缘结构设计中希望大如电容器,可减小体积和重量预防性实验中,利用材料的极化性质有助于判断电气设备的绝缘状态。电介质的电导电介质电导的分类:离子电导和电子电导离子电导:电介质在电场或外界因素影响下(紫外线辐射)本身产生电离,正负离子沿电场方向移动,形成电导电流——即离子电导。电子电导:在高电场作用下,离子与电介质分子碰撞电离激发出来自由电子,电子在电场作用下移动形成电子电导电流——即电子电导。当电子电导电流出现时→电介质已被击穿。原因?电介质的电导一般指离子电导。液体介质的电导(1)按电离程度,可分为中性、弱极性、强极性。中性和弱极性介质,分子电离度小,电导率小工程上常用的有:变压器油、漆、树脂等纯净状况下,电导率很小工程用液体中难免有杂质,则电导率增加。强极性介质,则分子电离度大,电导率大水、醇类(乙醇)等,一般不能用作绝缘材料常用液体介质的电导率液体介质的电导(2)液体介质电导率与温度T的关系为:A为与介质有关的常数;为导电率的活性化能量对矿物油、硅油等φ≈0.41eVK为玻尔兹曼常数温度越高,电导率越大推论:测量电介质电导或绝缘电阻时,必须记录环境温度,以便分析、比较kTAe/固体介质的电导固体电导率与温度的关系和液体相同固体电导电流密度J与电场强度E的关系图中I,II区为离子电导区。I区中成线性,II区中成指数关系很大程度上取决于介质中所含杂质离子对中性和弱极性介质,杂质离子起主要作用III区为电子电导,J-E指数关系:IIIIIIEJ机理:E更高,碰撞电离、阴极发射产生大量自由电子固体介质的表面电导:取决于表面吸附电杂质(水、污染物等)的能力和分布状态对应概念:体积电导有时,表面电导远大于体积电导:表面的杂质膜电导很大推论:测量泄漏电流和绝缘电阻时,须排除表面电导影响介质电导在工程上的意义多层介质中,需注意其绝缘配合,使电场分布合理电压的稳态分布与电导成反比暂态过程与介电常数有关对于能量小的电源,要减少表面电导(表面泄漏)保证高电压,如静电发生器有些情况下需要增大电导,改善电场、消除电晕如高压套管法兰附近涂半导体釉,预防性试验中,测试介质的绝缘电阻(电导)、泄漏电流,以判断绝缘是否受潮或劣化电介质的损耗电介质的损耗包括:电导损耗、极化损耗。电导损耗:直流电压、交流电压均存在极化损耗:由有损极化引起,如极性介质中周期性的偶极子极化、夹层极化仅交流电压存在。施加直流电压:仅有电导损耗可用体积电导率和表面电导率描述施加交流电压:电导损耗和极化损耗同时存在。直流电压交流电压极化损耗√电导损耗√√电介质损耗的测量测量电路和交流电流的相量图介质损耗公式:介质损耗P不适合作为评价介质品质好坏的标准。P和电压U、频率,以及试品电容量(除试品品质,还取决于结构)有关而介质损耗角的正切,适合仅取决于材料的损耗特性,与电压U、频率,以及试品电容量等外因无关tgCUtgUIUIUIPPCR2cos:频率:介质损耗角;功率因素角;:tg介质损耗的等值电路(1)三个并联支路等值电路C1代表无损极化C2-R2代表有损极化R3代表电导损耗适用三个因素均有作用,或损耗主要由电导引起的场合交流电压时电压和电流相量如图施介质损耗的等值电路(2)三个并联支路等值电路(续)加直流电压时,C1中的电容电流迅速衰减为0;C2-R2中的吸收电流衰减较慢;R3中的传导电流恒流。气体介质的损耗电场较小、未发生碰撞电离时,仅存在很小的电导损耗常用气体作为标准电容器的介质空气,N2,CO2,SF6等电场超过放电起始电场后,发生局部放电,损耗急剧增加一般发生在固体、液体介质中有气泡的场合固体、液体介电常数大于气体,气体电场高导致局部放电电晕放电位于棒极附近,气泡局放可能远离电极810tgE0tgOE液体介质的损耗中性、弱极性液体介质:主要是电导损耗损耗较小损耗和温度关系和电导相似损耗和频率无关强极性液体介质:电导损耗+极化损耗损耗较大和温度、电源频率关系复杂(非线性、非单调)电导损耗随温度升高而增加极化损耗随温度升高先增加再减小kTAe/固体介质的损耗(1)固体介质的分类:有机绝缘材料(极性、非极性)、无机绝缘材料极性有机固体介质:tgδ与温度、频率的关系和极性液体介质相似。如:聚氯乙烯、纤维素等,从0.1%~1.0%或更大非极性有机固体介质:损耗主要为电导损耗。如聚乙烯(0.01%~0.02%)、聚苯乙烯无极性杂质时,极化只有电子式,无损耗tgδ与温度关系由电导决定,和频率无关无机绝缘材料:云母、陶瓷、玻璃,均为离子式结构云母不含杂质时,没有明显极化过程,主要为电导损耗,在高温下也很低电工陶瓷:电导损耗+极化损耗,常温下电导率很小玻璃:电导损耗+极化损耗,tgδ和成分有关kTAe/固体介质的损耗(2)常用液体和固体电介质的值tg2.2液体介质的击穿矿物绝缘油-最常用的液体介质最常用的液体介质:矿物绝缘油作用:变压器油矿物绝缘油电缆油电容器油冷却媒质(变压器中)绝缘媒质+灭弧(油断路器中)贮能(电容器中)液体介质击穿的概念(1)液体击穿的因素:外部因素:电压类型、持续时间、幅值,电极形状、材料、表面特性内部因素:油中的水、气、其它杂质的含量油的击穿,实质上是杂质的击穿。缺乏统一的击穿机理。可按某因素占主导或诱导地位进行分类分析被掩盖的气体放电液体分子间存在“空穴”油中易挥发的成分(自身蒸气)+溶于油中外来气体+碰撞分解物空穴(气穴)油分解和碰撞电离→离子浓度上升→离子电导电流上升→发热→形成气泡气泡电场强度大→气泡电离→电导率↑→电场分布畸变→气泡电子崩→崩头场强大→电、热作用下使油隙击穿本质:油中气泡诱发,液体自身很难直接电离击穿液体介质击穿的概念(2)纤维桥接击穿绝缘液体事先经过过滤、干燥和脱气处理运行中,设备分离出固体杂质(纤维或其它不溶物),或水分进入纤维受潮,介电常数↑,发生极化,游动到E较高区域纤维相互连接→达成导电桥纤维桥导电率高→发热较大→附近的潮气或液体蒸发→气泡→气泡击穿→电离增强→最终出现被掩盖的气体放电本质:纤维桥发热诱发被掩盖的气体放电,再诱发液体击穿纤维桥接击穿、被掩盖的气体放电两者的关系是什么?影响液体介质击穿电压的因素(1)液体电气强度不是材料常数。影响液体介质电气强度的因素:外部因素:电压类型、持续时间、幅值,电极形状液体自身因素:油中的水、气、其它杂质的含量,油体积,温度工程中检验油的质量最重要的方法:用标准油杯测量油的工频击穿电压标准油杯:影响液体介质击穿电压的因素(2)电压形式的影响油的冲击击穿场强比空气高的多:被掩盖的气体放电和纤维桥击穿所需时间长电压作用时间增加,则击穿电压下降:促进击穿的各种条件同时出现的概率增加升压速度越大,击穿电压也越大:冲击击穿电压显著高于工频击穿电压冲击系数大于空气间隙影响液体介质击穿电压的因素(3)温度、含水量、含气量的影响油的击穿电压与温度的关系复杂,和含水量、含气量有很大关系从工程应用角度,主要考虑温度、含水量二者共同影响,以及含汽量的影响油的相对湿度Wrel:实际含水量与该温度下的饱和浓度之比。相对湿度增加,击穿场强下降。Wrel100%后,击穿场强不再改变影响液体介质击穿电压的因素(4)温度、含水量、含气量的影响(续)与含水量、温度关系:含水量较低时,击穿场强与温
本文标题:高电压技术第二章.
链接地址:https://www.777doc.com/doc-1951899 .html