第二章液体固体介质的电气特性-华电科大版

高电压技术中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院Page2第二章液体、固体介质的电气特性各类电介质都有极化、电导和损耗等电气物理现象气体介质的极化、电导和损耗都很微弱，一般均可忽略不计所以真正需要注意的只有液体和固体介质在这些方面的特性。Page3第一节电介质的极化、电导和损耗（1）电介质的极化电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。这时电荷的偏移大都是在原子或分子的范围内作微观位移，并产生电矩（即偶极矩）。电介质极化的强弱可用介电常数ε的大小来表示，它与该电介质分子的极性强弱有关，还受温度外加电场频率等因素的影响。具有极性分子的电介质称为极性电介质，而由中性分子构成的电介质称为中性电介质。前者是即使没有外电场的作用其分子本身也具有电矩的电介质。Page4介质的相对介电常数0rεr综合反映电介质极化的一个物理量。在20℃时工频电压下气体介质εr接近于1，液体和固体介质的大多在2～6之间。最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化和偶极子式极化等三种，另外还有夹层介质界面极化和空间电荷极化等。现简要介绍如下Page5在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道将相对与原子核发生弹性位移，如右图。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。E电子式极化存在于一切电介质中，它有两个特点：①完成极化所需的时间极短约10-15s，故其εr不受外电场频率影响；(在所有的极化类型中，电子式极化时间最短)②它是一种弹性位移，一旦外电场消失，正负电荷作用中心立即重合，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使电介质发热。温度对这种极化影响不大，只是在温度升高时，电介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起εr稍有减小。（一）电子式极化Page6（二）离子式极化固体化合物大多数属离子式结构，如云母、陶瓷等。无外电场时，各个离子对的偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零。出现外电场后正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈极化，这就是离子式极化或称离子位移极化在离子间束缚较强的情况下离子的相对位移是有限的，没有离开晶格，外电场消失后立即还原，所以它也属于弹性位移极化，几乎不引起损耗。所需时间很短，约10-13s，所以其εr也几乎与外电场的频率无关。温度对离子式极化有两种相反的影响，即离子间的结合力会随着温度的升高而减小，从而使极化程度增强；另一方面，离子的密度将随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大一些，所以其εr一般具有正的温度系数。Page7有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质，例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介质对外并不表现出极性出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，因而显出极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。UU电极电介质E（三）偶极子极化Page8它是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需时间也较长在10-10～10-2s范围内。由此可知，极性电介质的εr与电源频率有较大的关系，频率太高时偶极子将来不及转动，因而其εr值变小。温度对极性电介质εr值也有很大的影响。因为温度较低时分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以εr很小。温度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱。所以液体固体的εr在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变的较强烈时，εr又开始随温度的上升而减小。Page9为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15s无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-13s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-10～10-2s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1s～数小时有自由电荷的移动Page10任何电介质都不同程度地具有一定的导电性，只不过其电导率很小而已，表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率γ或其倒数——电阻率ρ。按载流子的不同，电介质的电导可分为两种：离子电导：在电场或外界因素影响下，电介质本身会产生电离，电介质中的正负离子沿电场方向移动，形成电导电流电子电导：电介质中的自由电子是在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电离激发出来的，这些电子在电场作用下移动形成电子电导电流（此时表明电介质已被击穿）前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。在正常情况下，电介质的电导主要是离子电导，这同金属导体的电导主要依靠自由电子有本质的区别。二、电介质的电导Page11理论与实践都已证明：液体和固体的介质电导率γ与温度间有以下关系:即γ=Ae-Φ/KTA为常数，与介质性质有关；T为绝对温度，单位为K；Φ为导电率的活性化能量对矿物油、硅油，Φ=0.41eV；k为波尔兹曼常数由以上分析得出：在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须记录环境温度，以便对测量结果进行分析Page12二、电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有）在直流电压的作用下，电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导所引起，所以用体积电导和表面电导率两个物理量就已能充分说明问题，不必在引入介质损耗这个概念了。（一）电介质损耗的基本概念在交流电压下，流过电介质的电流包含有功分量和无功分量，即IRICICRIIIPage13UU～ICRIIIRICIRCPRICIUδφI在下图中画出了此时的电压、电流相量图，可以看出，此时的介质功率损耗P=UIcosφ=UIR=UICtgδ=U2ωCptgδ(2-2)式中ω——电源角频率；φ——功率因数角；δ——介质损耗角。介质损耗角δ为功率因数角φ的余角，其正切tgδ又可称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。通常均采用介质损耗角正切tgδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量和监控各种电力设备绝缘的tgδ值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要的项目之一。Page14讨论介质损耗的意义：1.在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tgδ值，如果过大而引起严重发热，将使材料容易劣化，故尽可能选择tgδ较小的材料。2.当绝缘受潮或恶化时，tgδ会急剧增大，因此经常监测tgδ值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。3.通过测量tgδ－U的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。介质损耗引起的介质发热有时也可以利用，例如利用介质损耗发热来加速干燥过程。Page15第二节液体介质的击穿目前最常用的液体介质主要是矿物绝缘油，它广泛用于变压器、断路器、套管、电缆及电容器等设备中，分别称为变压器油、电缆油和电容器油液体介质在强电场（高电压）作用下，将出现由介质转变为导体的击穿过程Page16一、纯净液体介质的击穿理论关于纯净液体介质的击穿机理有各种理论，主要可分为两大类，即电子碰撞电离理论和气泡击穿理论，前者亦称电击穿理论。（一）电子碰撞电离理论当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射的电子将被电场加速而具有足够的动能，在碰撞液体分子是可引起电离，使电子数加倍，形成电子崩。与此同时由碰撞电离产生的正离子将在阴极附近集结词性成空间电荷层，增强了阴极附近的电场，使阴极发生的电子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流会急剧增大，从而导致液体介质的击穿。Page17纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中α、γ的作用有些相似。但纯净液体的击穿场强要比气体介质高得多（约高一个数量级）。由电击穿理论知：纯净液体的密度增加时，击穿场强会增大；温度升高时液体膨胀击穿场强会下降；由于电子崩的产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于共频击穿场强（冲击系数β1)。Page18在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的εr成反比的。由于气泡的εr最小（≈1），其电气强度又比液体介质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离近一步发展。电离产生的带电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强（二）气泡击穿理论Page19第三节固体介质的击穿一、概述（1）气体、固体、液体三种电介质中，固体的密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在3~4kV/mm液体的耐电强度一般在10~20kV/mm固体的耐电强度一般在十几~几百kV/mm（2）固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘，属非自恢复绝缘（3）实验研究表明：固体介质击穿场强与电压作用时间有关外，主要由介质本身的微观结构，几何形状，电场均匀化程度，外加电压波形以及环境温度共同确定。因此，它不具备度量绝缘材料的材料常数的意义，而只具有比较参考的意义。（4）固体介质的击穿与电压作用时间有很大关系，并且随着电压作用时间的不同，有电击穿、热击穿、电化学击穿三种不同的形式Page20电击穿热击穿电化学击穿10-610-31061031091t(s)123（腐蚀击穿或缺陷击穿）Eb固体介质的击穿场强与电压作用时间的关系Page21二、固体介质的击穿理论（一）电击穿理论固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。纯电击穿理论从绝缘材料内有自由移动的电子这一前提出发，在直流电压作用下，来自固体介质阴极区的自由电子得到加速，在其向阳极行进的途中发生多次碰撞，同时产生一些新的自由电子，这些二次电子又参与随后的电离过程，引起电子崩；而碰撞产生的正离子，在到达阴极前形成正的空间电荷，它使至阴极区的场强明显提高，碰撞电离越来越强，必将加速击穿过程Page22集体电子击穿理论固体介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子），它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子）不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩，破坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。空间电荷理论在某些绝缘材料内发生击穿是空间电荷的作用增强的结果。前提是一些导电性很弱的如高聚合物绝缘材料具有使载流子长期贮存于其内的能力。Page23杂介质电导（或介质损耗）很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，其击穿场强一般可达105～106kV/m，比热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为103～104kV/m，而作用时间却短得多电击穿的主要特征为：击穿电压几乎与周围环境温度无关除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关系不大；介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。Page24热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散热将在一定条件下达到平衡。固体介质处于热稳定状态，介质温度不会不断上升而导致绝缘的破坏。发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而发生热击穿。（二）热击穿理论Page25如图所示，在三个电压下(U1U2U3)有发热曲线1、2、3，4为散热曲线。Page26①曲线1，Q1Q2，介质一定击穿；②曲线2，与散热曲线4交于k点，它是不稳定的平衡点，ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。③曲线3和曲线4有a、b两个交点，a为稳定的热平衡点，b为不稳定的热平衡点，ttb