高电压技术第四章

极化特性：介电常数ε损耗特性：介损tgδ电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传导机理等，电导G或电阻R电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压--时间特性曲线（V–t）等，击穿电压UC或击穿场强EC电介质电气性能的划分􀂄电介质物质结构的基本形式􀂄极化(polarization)与电介质(dielectrics)􀂄电介质极化的基本类型􀂄电介质的介电常数􀂄讨论极化的意义第1节电介质的极化及介电常数电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关离子键：强极性键，离子结构电介质玻璃、陶瓷共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子非极性电介质聚四氟乙烯、氮气极性共价键（电负性不同），极性分子极性电介质环氧树脂、三氯联苯弱极性电介质聚苯乙烯存在分子异构或支链1、电介质物质结构的基本形式平板真空电容器电容：插入固体电解质后电容：电容量增大的原因在于电介质的极化现象，Q’是由电介质极化引起的束缚电荷2、极化与电介质UQC00UQQC'0极化现象：电场中有电介质时，由于电场的作用在沿电场方向表面出现束缚电荷，形成电偶极矩的现象极化与电介质用极化强度P来表征极化的强度，定义为单位体积的电极矩，与外加电场强度有关极化强度P与介电常数ε的关系：3、电介质极化基本类型电介质的极化有五种基本形式：电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化夹层介质界面极化（归到空间电荷极化）液体电介质的介电常数非极性和弱极性电介质如石油、苯、四氯化碳、硅油等，εr数值不大，在1.8∼2.5范围内,εr和温度的关系相似单位体积中的分子数与温度的关系极性电介质如蓖麻油、氯化联苯等，εr数值在2∼6范围内。还能用作绝缘介质强极性电介质如酒精、水等,εr10，其电导也很大，不能用做绝缘材料。用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）根据转向极化的特点，对介电常数随温度及频变化的趋势作出解释：T不变f增大，εr减小f不变T升高，εr先增后减粘度（分子间联系）分子热运动固体电介质的介电常数非极性和弱极性固体电介质如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等电介质只有电子式极化和离子式极化，εr在2.0∼2.7范围εr与温度的关系相似单位体积内的分子数与温度的关系固体电介质的介电常数极性固体电介质树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等εr较大，一般为3~6，εr和T及f的关系和极性液体的相似离子性电介质如陶瓷，云母等，相对介电常数εr一般在5~8左右􀂄5、讨论极化的意义选择绝缘在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常数εr对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择εr较大的介质,对于电缆，为减小电容电流，要选择εr较小的介质5、讨论极化的意义多层介质的合理配合对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层场强分布与其εr成反比，要注意选择εr，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用如果固体绝缘中存在气泡，由于气体的εr是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生电离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。如采用油浸方式能改善电场分布在电缆芯处使用εr较大的材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的耐电强度电介质极化应用实例一平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(εr=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm(2)插入后：Vs/Va=εa/εs，得Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV)Es=16.7kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV)Ea=38.3kV/cm30kV/cm的空气击穿场强故插入聚乙烯板后空气间隙击穿电介质电气性能的划分􀂄极化特性􀂄电气传导特性􀂄损耗特性􀂄电气击穿特性1、电介质中的传导电流电气传导电流概念表征单位时间内通过某一截面的电量传导电流的组成电介质中的传导电流含漏导电流和位移电流两个分量漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的，又称泄漏电流位移电流：由电介质极化造成的吸收电流2、电介质中传导电流的测量三电极法测量介质中电流的电路图介质中的电流与时间的关系ic：快速极化造成的充电电流ia：空间电荷极化等缓慢极化形成的，又称吸收电流ig：趋向稳定值的漏导电流，又称泄漏电流在温度高于室温附近,要达到稳定的泄漏电流需要几个小时的时间，在更低的温度下(20℃)，电流很难趋向稳定的漏导电流通常的1min绝缘电阻测量仅仅是为了工程上的方便，实际上并没有物理意义，关于这一点必须注意。例：聚乙烯的电流-时间特性三电极法测量介质的体积电阻率ρV为单位Ω.cm式中S为测量电极的面积，d为介质厚度RV由测量的漏导电流ig及电压值u决定，RV=U/ig介质的体积电导率γv为3、介质的体积电导和表面电导dSRvvvv1实际测量时，因平行电极存在极间场强不均匀的问题需加保护电极，或者用三电极法上的同心圆环测量􀂄介质的表面电阻率和电导率lbRssss1单位Ω气体电介质的电导气体中无吸收电流气体离子的浓度约为500~1000对/cm34、电介质的电导分成三个区域区域1：E1≈5×10-3V/cm，电流密度j随着E增加而增加区域2：场强进一步增大，j趋向饱和以上两者的电阻率约10-22/Ω•cm量级区域3：场强超过E2≈103V/cm时，气体电介质将发生碰撞电离，从而使气体电介质电导急剧增大气体电介质中的电流密度—场强特性液体中极化发展快，吸收电流衰减快电导构成：离子电导、电泳电导离子电导：由液体本身的分子和杂质的分子解离为离子电泳电导：液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点构成液体电介质的电导非极性电介质电导率：10-18/Ω•cm弱极性电介质电导率：10-15/Ω•cm极性电介质的电导率：10-10~10-12/Ω•cm如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，由于损耗太大，不能用作绝缘材料分成三个区域区域Ι：电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律区域ΙΙ：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域区域ΙΙΙ：场强继续增大超过某一极限，因Shottky效应电极发射电子引起电流激增，最终击穿离子性电导与电场强度的关系极纯净液体电介质中电压－电流特性分成两个区域区域1：在电场强度小于某定值时，电导基本上为一常数区域2：在电场强度超过某定值，离子数剧增，电导迅速增加，电流密度随场强呈指数规律增长饱和电流段观察不到离子性电导与电场强度的关系工程用纯净液体电介质中电压－电流特性离子性电导随温度的升高而增加中性分子电介质的电导主要是杂质离子引起的，高温时，中性分子可能发生分解产生自由离子，形成电导纯净介质的电导率可达10-17~10-19/Ω•cm极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电导较大，较大的可达10-15~10-16/Ω•cm􀂄固体电介质的电导离子式电介质的电导主要是由离子脱离晶格而移动，电导的大小和离子本身的性质有关，也与杂质离子有关固体电介质的电导与材料的宏观结构有关，如纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻率较小固体介质中电流的吸收现象比较明显固体电介质的电导区域1：符合欧姆定律，也称低场强领域区域2：电流随场强非线性增加区域3：出现破坏先导电流区域2、3也称高场强领域和液体、气体不同，固体中的电压－电流特性没有饱和状态固体电介质的电压－电流特性表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，干燥清洁的固体介质的表面电导很小介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质固体介质的表面电导亲水性介质：玻璃、陶瓷憎水性介质：石蜡、聚四氟乙烯、硅有机物绝缘预防性试验的理论依据预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理5、讨论电导的意义主要内容􀂄固体电介质的击穿过程􀂄有机绝缘材料的电树老化􀂄影响固体电介质击穿电压的主要因素􀂄电介质的其它性能固体电介质的击穿气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在3~4kV/mm左右液体的耐电强度在10~20kV/mm固体的耐电强度在十几至几百kV/mm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普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性概述􀂄固体电介质击穿特性的划分􀂄电击穿􀂄热击穿􀂄电化学击穿（电老化一、固体电介质的击穿过程固体电介质击穿特性的划分区域A：击穿时间小于10μs的区域，击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性区域B：击穿时间在10∼0.2μs范围的区域，击穿电压恒定击穿都具有电击穿的性质一、固体电介质的击穿过程区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点区域D：C区以外，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年，介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化A、B区：电击穿C区：热击穿D区：电化学击穿电老化击穿固体电介质中发生碰撞电离-----固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电离的理论固有击穿理论电子崩击穿理论电击穿A(E,α,T0)=B(α,T0)A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量E：电场，a：标志电子的状态因子，T0：晶格温度固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成立，获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引起破坏，称之为固有击穿理论电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论作用时间电压作用时间短，击穿电压高介质特性介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导致介质击穿电压降低电场均匀：电场的均匀程度影响极大累积效应在极不均匀电场中、冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关􀂄电击穿的特点A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程热击穿电介质不断发热升温过程：介质损耗-----介质逐渐发热升温-----介质电阻的下降，使电流进一步增大-----损耗发热也随之增大电介质向外不断散热的过程：通过电极及其它介质向外散热同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称电介质的热击穿过程热击穿的概念热击穿的理论分析曲线1,2,3：电介质发出热量Q与介质中最高温度tm的关系直线4：介质中最高温度大于周围环境温度t0时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系曲线1：发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1下最终必定发生热击穿曲线2：与直线4相切U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度曲线3：两个热平衡点ttb时：情况类似曲线1，最终发生热击穿t=tb时：发热等于散热，但因扰动使