第5章 液体和固体介质的电气特性

《高电压工程基础》华南理工大学电力学院郝艳捧第5章液体和固体介质的电气特性5.1电介质的极化、电导与损耗5.2液体介质的击穿5.3固体介质的击穿5.4组合绝缘的特性5.5绝缘的老化高电压工程基础5.1电介质的极化、电导与损耗5.1.1电介质的极化1.介电常数、相对介电常数平行平板电容器在真空中的电容量为当极板间插入固体介质后，电容量为式中A－极板面积，cm2；d－极间距离，cm；ε－介质的介电常数ε0－真空的介电常数，ε0=8.86×10-14F/cm定义为介质的相对介电常数。00ACdACdr00CC高电压工程基础2.极化概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。分类：高电压工程基础电子式极化离子式极化偶极子极化界面极化无损极化有损极化（1）电子式极化存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s；具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。（2）离子式极化弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10-13s；温度对此极化存在一定影响，εr一般具有正的温度系数。（3）偶极子极化转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s～10-2s；εr在低温下先随温度的升高而增加，以后当热运动变得强烈时，εr又随温度上升而减小。高电压工程基础（4）夹层介质界面极化存在多层不同材料组成的不均匀电介质中，有介质损耗。（5）空间电荷极化电极附近的空间电荷。高电压工程基础材料类别名称εr（工频，20℃）气体介质空气（大气压）1.00059液体介质弱极性变压器油硅有机液体2.2~2.52.2~2.8极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚乙烯2.0～2.52.25～2.35极性聚氯乙烯3.2～4离子性云母电瓷5～75.5～6.55.1.2电介质的电导电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导率γ，在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关系：式中A－常数，与介质性质有关；T－热力学温度，单位为K；ф－电导活化能；k－波尔兹曼常数。高电压工程基础ekTA1.体积电阻体积电阻率为：体积电导率为：其中，d（cm）为电介质厚度，S（cm2）为电极表面积。体积电阻的测量电路高电压工程基础vvSRdvvvv11ddGRSS2.表面电阻表面电阻率为：表面电导率为：其中，d（cm）为电介质厚度，l（cm）为电极长度。sslRdssss11ddGRll表面电阻的测量电路高电压工程基础5.1.3电介质的能量损耗高电压工程基础电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。介质损耗为：2tantanPQUCP值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来判断介质的品质。对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示。高电压工程基础有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等值电路。R反映电导损耗C0反映电子式和离子式极化C′，r支路反映吸收电流（1）气体介质的损耗高电压工程基础当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ10-8）。但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加，如图所示。高电压工程基础（2）液体介质的损耗中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。电导损耗占主要部分，tanδ重新随温度上升而增加T升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，极化损耗增加分子热运动加快，极化强度减弱，极化损耗减小高电压工程基础（3）固体介质的损耗分子式结构介质：中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等，离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等；不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等；强极性电介质：在高压设备中极少使用。高电压工程基础5.2液体介质的击穿纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm）工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在标准试油杯中所得数据）原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”，引起击穿，即“小桥理论”。高电压工程基础绝缘外壳黄铜电极标准试油杯（图中尺寸均为mm）油间隙距离2.5mm（1）杂质的影响水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。高电压工程基础标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系W为1×10-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大5.2.1影响液体介质击穿的因素（2）温度的影响高电压工程基础干燥的油受潮的油标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系干燥油的击穿强度与温度没有多大关系0～80℃，Ub提高（水分溶解度增加）温度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0℃，Ub提高（水滴冻结成冰粒）高电压工程基础（3）油体积的影响变压器油中水分含量为31×10-6时的Ub与d的关系稍不均匀电场T=100℃稍不均匀电场T=20℃极不均匀电场T=20℃随着间隙长度的增加变压器油的击穿场强下降高电压工程基础均匀电场中油（T=90℃）的冲击击穿场强与油体积的关系规律：油的击穿强度随油体积的增加而明显下降。原因：间隙中缺陷(即杂质)出现的概率随油体积的增加而增大。不能将实验室中对小体积油的测试结果，直接用于高压电气设备绝缘的设计高电压工程基础（4）电压形式的影响杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因此油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。极不均匀电场中冲击系数约为1.4~l.5，均匀场中可达2或更高。-1.2/50μs波+1.2/50μs波工频电压稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系高电压工程基础5.2.2减小杂质影响的措施（1）过滤使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。（2）防潮绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。（3）祛气将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到去除油中水分和气体的目的。（4）用固体介质减小油中杂质的影响常用措施为覆盖层、绝缘层和屏障。高电压工程基础5.3固体介质的击穿固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。高电压工程基础5.3.1电击穿固体介质的电击穿过程与气体相似，碰撞电离形成电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压有可能低于单次冲击作用时的值。因为固体介质为非自恢复绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分损伤，则多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象为累积效应。有累积效应基本无累积效应高电压工程基础5.3.2热击穿概念：绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏而导致击穿。特点：（1）击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟。（2）在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿。高电压工程基础介质发热（曲线1，2，3）及散热（曲线4）与介质温度的关系U1U2U3发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc。Ta稳定，Tc不稳定曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定。U2是临界热击穿电压，Tc则是热击穿的临界温度根本不存在热平衡点，必然发生热击穿高电压工程基础5.3.3电化学击穿对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产生的活性气体如O3，NO，NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。高电压工程基础空气隙的电容与气隙串联的介质电容绝缘完好部分的电容CmCgCb局部放电的等效电路高电压工程基础电极间加上瞬时值为u的交流电压时，Cg上的电压瞬时值ug为:bggbCuuCC气隙的放电电压气隙的放电熄灭电压高电压工程基础真实放电量：mbrggrgbgrmb()()()CCqCUUCCUUCC视在放电量：bgmbgCCqUCCC不可测量brgbCqqCC真实放电量与视在放电量关系：单次局部放电的能量：i12WqU（Ui为气泡放电时试品上的电压）高电压工程基础5.4组合绝缘的特性5.4.1油－屏障绝缘与油纸绝缘的特点油:主要绝缘介质，因为有很好的冷却作用。屏障:改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成。粘浸渍电缆充油电缆油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多因为直流电压作用下油与纸的场强分配比交流时合理高电压工程基础5.4.2油－屏障绝缘与油纸绝缘的特点（1）介质界面与等位面重合的情况在极间绝缘距离d=d1+d2不变的情况下，增大ε2时使E2减小，但却使E1增大。（2）介质界面与电极表面斜交的情况高电压工程基础介质2介质1在介质2中发生折射t11n1n21t22n12n2tantanEEEEEE高电压工程基础P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加以注意！高电压工程基础5.4.3电场调整的方法采用分阶绝缘的电力电缆ε1ε2…εn，且ε1r1=ε2r2=…=εnrn=常数。离缆芯较远的介质层也能得到充分的利用，因此可使电缆尺寸缩小。GIS中的环氧盘形支撑绝缘子高电压工程基础采用等厚度的盘形支撑绝缘子时，沿面电位分布不均匀改变绝缘子形状使电力线发生折射，可以使介质界面上电位分布变均匀高电压工程基础5.5绝缘的老化绝缘的老化固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化。绝缘老化的原因热老化、电老化、机械力的影响、环境的影响高电压工程基础主要内容（1）电介质的能量损耗，介质损耗角正切，为什么用介质损耗角正切不用能量损耗判断介质的好坏。（2）影响液体击穿的因素（3）固体介质的电击穿、热击穿、电化学击穿（4）局部放电的示意图和等效电路，真实放电量，视在放电量，大小，放电能量，提高局部放电电压的措施高电压工程基础作业5.5