高電壓技術(shù) 第1章 電介質(zhì)的極化、電導與損耗_XL

1、高電壓技術(shù)廣東工業(yè)大學廣東工業(yè)大學 自動化學院自動化學院徐亮徐email:第一篇第一篇 高電壓絕緣與試驗高電壓絕緣與試驗教學目標教學目標了解電介質(zhì)介電常數(shù)的物理意義；掌握電介質(zhì)極化的基本形式和極化特性；掌握電介質(zhì)極化的等值電路；了解相對介電常數(shù)在工程應用上的意義。教學重點教學重點 四種基本極化形式，各自的特點和影響因素。教學難點教學難點 溫度和頻率對偶極子極化的影響。第一章 電介質(zhì)的極化、電導和損耗1-1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化 （a）電極間無介質(zhì) （b） 電極間有介質(zhì) 實驗如圖所示。平行平扳電容器放在密閉容器內(nèi)，抽成真空，然后在極板上施加直流電壓U。這時極板上積聚

2、有正、負電荷，其電荷量為Q0，然后把一塊固體介質(zhì)（厚度與極間距離相等）放在極板之間，施加同樣的電壓，就可發(fā)現(xiàn)極板上的電荷量增加到Q0+Q。這是由介質(zhì)極化現(xiàn)象造成的：即在外施電場作用下，此固體介質(zhì)中原來彼此中和的正、負電荷產(chǎn)生了位移，形成電矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷，相應地便在極板上另外吸住了一部分電荷Q，所以極板上電荷增多，并造成電容量亦增大。 平行平板電容器在真空中的電容量為 式中 A - 極板面積，cm2； d - 極板距離，cm； 0 - 真空的介電常數(shù)，8.8610-14Fcm - 介質(zhì)的介電常數(shù)顯然，C C0。定義： 為相對介電常數(shù)。它是充滿介質(zhì)時的幾何電容和真空時的靜電電容的比值

3、。各種氣體的r均接近于1，而常用的液體、固體介質(zhì)的r則各不相同，多在26之間，且和溫度、電源頻率不同而各不相同，并和各種極化形式有關(guān)。 dAUQQUQC00000/rQQCA dCQA d極化的形式極化的形式 極化的類型很多，基本形式有以下四種： 電子式位移極化 任何介質(zhì)都是由原子組成，原子為帶正電荷的原子核和帶負電荷的外層電子組成，其電荷量相等，且正負電荷作用中心重合，對外不顯電性。而在外電場作用下，原子外層電子軌軌道對于原子核產(chǎn)生位移，其正、負電荷作用中心不再重合，對外呈現(xiàn)出一個電偶極子的狀態(tài)。這就是電子式位移極化。 電子式位移極化存在于一切介質(zhì)中。它有以下特點： 1.形成極化所需時間很短

4、，在各種頻率下都可能發(fā)生，故r與外加電源頻率無關(guān)； 2.它具有彈性，當外施電壓去掉后，正、負電荷的相互吸引力又可使極化原子恢復到原有狀態(tài)，因是彈性的，故無能量損耗； 3.溫度對電子式極化的影響極小，r隨溫度上升略有降低，但工程上可忽略溫度的影響。 離子式位移極化 固體有機化合物多屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在無外電場時，正、負離子對稱排列，各離子對的偶極矩互相抵消，故平均偶極矩為零。在外電場的作用下，正、負離子將發(fā)生相反方向的偏移，使平均偶極矩不再為零，而形成電矩，對外呈現(xiàn)出電性。特點有： 離子式極化與電子式極化一樣，也屬彈性極化，幾乎無損耗； 極化過程的時間較電子式極化稍長，在一

5、般使用的頻率范圍內(nèi)，r與頻率無關(guān)。 溫度對離子式極化的影響，存在著相反的兩種因素：即離子的結(jié)合力隨溫升升高而降，使極化程度增強；但溫度升高，離子的密度減小，極化程度降低。其中以第一種因素影響較大，所以其r一般具有正的溫度系數(shù)。轉(zhuǎn)向極化/偶極子極化 偶極子是正、負電荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正電荷，另一端呈負電荷，分子本身就是一個永久性的偶極矩。由這種永久性的偶極子構(gòu)成的介質(zhì)叫極性介質(zhì)。例如蓖麻油、氯化聯(lián)苯、橡膠、膠木、纖維素等均是常用的極性絕緣材料。單個偶極子雖具有極性，但無電場時，整個介質(zhì)分子處于不停的熱運動狀態(tài)，宏觀上是正負電荷是平衡的，對外不顯電性。在外電場的作用下，原來混亂分

6、布的極性分子沿電場方向作定向排列，因而呈現(xiàn)出極性。偶極子極化的特點： 1.偶極子極化是非彈性的，因為極化時極性分子旋轉(zhuǎn)時克服分子間的吸引力而消耗的電場能量在復原時不可能收回； 2.極化所需時間較長，為10-1010-2 s。因此，極性介質(zhì)的r與電源頻率有較大的關(guān)系，隨頻率的增高而上升，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)向，因而其r減小。 3.溫度對極性介質(zhì)的r有很大影響。溫度升高時，分子間聯(lián)系減弱，轉(zhuǎn)向容易，極化加強；但分子熱運動加劇，妨礙它們有規(guī)律地運動，這又使極化減弱。所以極性電介質(zhì)的r最初隨溫度或高而增加，以后當熱運動變得較強烈時，r又隨溫度升高而減小。夾層極化夾層極化 以上是單一介質(zhì)的情況。在

7、高壓設(shè)備中常應用多種介質(zhì)絕緣，如電纜、電容器、電機和變壓器繞組等，兩層介質(zhì)中常夾有油層、膠層等，這時在介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生“夾層極化”現(xiàn)象。這種極化過程特別緩慢，且有能量損耗，屬有損極化。 以平板電極間的雙層介質(zhì)為例說明夾 層極化，如圖所示。在圖中，每層介質(zhì) 的面積及厚度均相等，外電壓為直流電 壓U0。在合閘瞬間，兩層之間的電壓U 與各層的電容成反比（突然合閘的瞬間 相當于很高頻率的電壓。 到達穩(wěn)定時，各層電壓與電阻成正比，即與電導成反比。 如介質(zhì)是單一均勻的，則r1 = r2，C1 = C2，G1 = G2，則合閘后，兩層介質(zhì)之間不會產(chǎn)生電壓重新分配過程。 如介質(zhì)不均勻，合閘后，兩層介質(zhì)之間有

8、一個電壓重新分配的過程。也即C1、C2上電荷要重新分配。隨時間t的增大，U1逐漸增大而U2逐漸下降。也即C2上一群分電荷要通過G2放掉，而C1要從電源再吸收一部分電荷，這一部分電荷稱為吸收電荷。由于夾層的存在，使得在介質(zhì)分界面上出現(xiàn)吸收電荷，整個介質(zhì)的等值電容增大，這一過程稱為吸收過程。 吸收過程完畢，極化過程結(jié)束，因而該極化稱為夾層極化。吸收過程要經(jīng)過C1、C2和G1、G2進行，其放電時間常數(shù)為 =(C1+C2)(G1+G2)。由于電導G的數(shù)值很小，因而時間常數(shù) 很大，極化速度非常緩慢。當介質(zhì)受潮，電導增大， 將大大降低，極化速度加快。假如外加電壓頻率高，因電荷來不及動作而無此極化。 同樣道

9、理，去掉外加電壓之后，介質(zhì)內(nèi)部電荷釋放也是十分緩慢的。因此，對使用過的大電容量設(shè)備，應將兩極短接充分放電，以免過一定時間后吸收電荷陸續(xù)釋放出來，危及人身安全。 夾層極化特點： 1.夾層極化是是非彈性的，且有能量損耗的。 2.極化過程很緩慢，它的形成時間從幾十分之一秒到幾分鐘，甚至有長達幾小時。因此，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時才有意義。1-2 電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)氣體介質(zhì)的介電常數(shù)由于密度很小，也即單位體積內(nèi)所含分子的數(shù)目很少，所以不論是非極性氣體還是極性氣體，其r 均很小，在工程上可近似地認為其等r=1。液體介質(zhì)的介電常數(shù)可分為非極性、極性與強極性三種。非極性(或弱極性)液體的r在

10、1.82.5，變壓器油等礦物油屬此類。極性液體的r，在26，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯即屬此類。強極性液體的r很大（r10），如酒精、水等，但這類液體介質(zhì)的電導也很大，所以不能用做絕緣材料。固體介質(zhì)的的介電常數(shù)非極性介質(zhì)：此類電介質(zhì)的種類很多，聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、石蠟、石棉、無機玻璃等。介電常數(shù)不大，通常在2.02.7范圍。極性介質(zhì)：用作高壓設(shè)備絕緣材料，如酚醛樹脂、纖維、橡膠、有機玻璃、聚氯乙烯等，這類電介質(zhì)的相對介電常數(shù)較大，一般為36，還可能更大。離子介質(zhì)：如云母、陶瓷等，其r約在58左右，還有一些r很大的固體介質(zhì)，如鈦酸鋇等，r1000，不能用做絕緣材料。 選擇電容器中的絕緣材料時，

11、在相同耐電強度的情況下，要選擇r大的材料，以使電容器單位容量的體積、重量減?。辉谄渌^緣結(jié)構(gòu)里，希望材料的r要小些，如電纜，以減少工作時的充電電流，如電機定子繞組出口槽和套管情況，以提高交流下沿面放電電壓。 在使用組合絕緣時，要注意各種材料的r的適當配合，否則會降低整體絕緣的絕緣能力。 雙層串聯(lián)介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電場強度是不相同的，與絕緣材料的介電常數(shù)成反比，即在介電常數(shù)小的材料中承受較大的電場強度。如果絕緣中存在氣泡，由于氣體的r是最小的，所以氣泡將承受較大的電場強度，首先在氣泡處發(fā)生游離，引起局部放電，使整體材料的絕緣能力降低。利用式所示特性，可以改善電纜中的電場分布。在電纜芯處使用r較大的材料

12、，可減小電纜芯處場強，電纜中電場分布均勻一些，從而提高整體的耐電強度。 材料的介質(zhì)損耗與極化形式有關(guān)，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個重要因數(shù)。 在絕緣預防性試驗中，夾層極化現(xiàn)象可用來判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等大電容量設(shè)備時，須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅。1-3 電介質(zhì)的電導電介質(zhì)的電導 1. 電介質(zhì)的電導 任何電介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在它們內(nèi)部總有一些聯(lián)系較弱的帶電質(zhì)點存在。在外電場作用下，這些帶電質(zhì)點作定向運動，形成電流。因而任何電介質(zhì)都具有電導。 1.1 漏導電流和絕緣電阻 在電介質(zhì)上加上直流電壓，初始瞬時由于各種極化的存在，流過電介質(zhì)的電流很大，之后隨時間而變化。經(jīng)

13、過一定時間后，極化過程結(jié)束，流過介質(zhì)的電流趨于一定值I，這一穩(wěn)定電流稱為漏導電流，與之相應的電阻稱為電介質(zhì)的絕緣電阻R。 IUR 這個電阻值包括了絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻。 式中 R1體積絕緣電阻； R2表面絕緣電阻。 介質(zhì)的絕緣電阻或介質(zhì)電導決定了介質(zhì)中的泄漏電流。泄漏電流大，將引起介質(zhì)發(fā)熱，加快絕緣介質(zhì)的老化。因此，一般所指泄漏電流是流過介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，相應的絕緣電阻是體積絕緣電阻，以此來反映介質(zhì)內(nèi)部的情況，由于表面電阻受外界的影響很大，因此在工程上測量絕緣電阻時，應在測量回路中加以輔助電極，使表面泄漏電流不通過測量表。以后如不加以特殊說明，絕緣電阻均指體積絕緣電阻。212

14、1RRRRR 介質(zhì)電導是離子電導，比金屬電導小得多。這種電導一般包括兩個方面：一是介質(zhì)分子中的帶電質(zhì)點在熱運動和電場作用下離解成自由質(zhì)點，沿電場方向作定向運動而形成電導；二是介質(zhì)中的雜質(zhì)在電場作用下離解成沿電場方向運動而形成的電導。 介質(zhì)電導的大小與帶電質(zhì)點的密度、速度、電荷量、外施電場有關(guān)。溫度越高，參與漏導的離子越多，即電導電流越大。因此，介質(zhì)電阻具有負的溫度系數(shù)，與金屬電阻相反。當介質(zhì)中出現(xiàn)自由電子構(gòu)成的電子電流時，表明介質(zhì)即將擊穿或已擊穿，此時介質(zhì)不能再作絕緣體，這時絕緣電阻值將急劇下降。工程介質(zhì)電導的性質(zhì)氣體介質(zhì)電導在工程中使用得最多的是空氣，其帶電質(zhì)點來源主要有兩方面：一是外界紫外

15、線、宇宙射線等照射，產(chǎn)生游離,離子濃度約為5001000對/cm3；二是在強電場作用下，氣體中電子的碰撞游離。當電場強度很小（EE1），外電離因素產(chǎn)生的離子克服與氣體分子碰撞的阻力而移動，遷移率接近常數(shù)，電流密度與電場強度成正比，如圖(b)中區(qū)所示。當電場強度進一步增大，外界因數(shù)所造成的離子接近全部趨向電極時，電流密度即趨于飽和，如圖(b)3中區(qū)所示。在該兩區(qū)內(nèi)氣體的電導是極微小的。標準狀態(tài)下的空氣說，E1510-3V/cm和E2104V/cm.。場強超過E2位時，氣體介質(zhì)中將發(fā)生撞擊游腐，從而使電流密度迅速增大，最后使氣隙擊穿，如圖(b)中區(qū)所示。 當外加電壓小于擊穿場強時，空氣的電導率是很

16、小的，為10-1510-16（-1cm-1），故是良好的絕緣體。氣體電導主要是電子電導。 液體介質(zhì)電導 液體介質(zhì)中形成電導電流的帶電質(zhì)點主要有兩種：一是構(gòu)成液體的基本分子或雜質(zhì)離解而成帶電質(zhì)點，構(gòu)成離子電導。二是由于相當大的帶有電荷的膠體質(zhì)點構(gòu)成電泳電導。 中性和弱極性液體，在純凈時，電導很小，而當含有雜質(zhì)和水分時，其電導顯著增加，絕緣性能下降，其電導主要由雜質(zhì)離子構(gòu)成。 極性和強極性液體介質(zhì)，其分解作用很強，離子數(shù)多，電導很大；一般情況下，不能作絕緣材料。 液體的分子結(jié)構(gòu)、極性強弱、純凈程度、介質(zhì)溫度等對電導影響很大，各種液體電介質(zhì)的電導可能相差懸殊，工程上常用的變壓器油、漆和樹脂等都屬于弱

17、極性。 固體介質(zhì)電導 固體介質(zhì)電導分為離子電導和電子電導兩部分。離子電導很大程度取決于介質(zhì)中所含雜質(zhì)，特別是對中性及弱極性介質(zhì)，雜質(zhì)離子起主要作用。當電場很高時，由于碰撞游離和陰極電子發(fā)射，電子電導急增，預示絕緣接近擊穿。 固體介質(zhì)的表面在干燥、清潔時，其電導很小，故其表面電導主要是由于附著于介質(zhì)表面吸附一些水分、塵?；?qū)щ娦缘幕瘜W沉淀物而引起的，其中水分起著特別重要的作用。與介質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)。對中性和弱極性介質(zhì)（如石蠟、聚苯乙烯、硅有機物等），水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很小，水分不易在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面電阻較高，電導較小，稱這類介質(zhì)為僧水性介質(zhì)。 極性介質(zhì)（如

18、云母、玻璃等）及離子性介質(zhì)，水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很強，在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，表面電導較大，且與濕度有關(guān)。稱這類介質(zhì)為親水性介質(zhì)。對多孔性介質(zhì)，其表面、體積電阻均小，如纖維材料就屬于這類。采取使介質(zhì)表面洗凈、光潔、烘干、或表面涂以石蠟、絕緣漆、有機硅等措施，可以降低介質(zhì)表面電導。 討論電介質(zhì)電導的意義在絕緣預防性試驗中，以絕緣電阻值判斷絕緣是否受潮或有其他劣化現(xiàn)象。測量絕緣電阻，實際上就是測量介質(zhì)在直流電壓作用下的電流。 某變壓器的絕緣電阻與時間關(guān)系曲線 1-受潮時；2-經(jīng)干燥后如前所述，一般電介質(zhì)都可以用圖所示 的等效電路來代表。圖中，串聯(lián)支路 Rp-Cp代表電介質(zhì)的吸收特性。如絕緣

19、良 好，則Rlk和Rp的值都比較大，這就不僅 使穩(wěn)定的絕緣電阻值（就是Rp的值）較高 ，而且要經(jīng)過校長的時間才能達到此穩(wěn)定 值（因中間串聯(lián)支路的時間常數(shù)較大)。 反之，如絕緣受湘，或存在穿透性的導電 通道，則不僅最后穩(wěn)定的絕緣電阻值Rp 很低，而且還會很快達到穩(wěn)定值。因此，可以用絕緣電阻隨時間變化的關(guān)系來反映絕緣的狀況。 通常用加壓60s測量的絕緣電阻與加壓15s測量的絕緣電阻的比值（稱為吸收比）可以有效地判斷絕緣的好壞，即如良好、干燥的絕緣，吸收電流較大（較?。?，K值較大（應大于某一定值）；受潮或有缺陷的絕緣，吸收比較小。 多層介質(zhì)在直流電壓下，電壓分布與電導成反比，故設(shè)計用于直流的設(shè)備要注

20、意所用介質(zhì)的電導，應使材料使用合理。 設(shè)計時要考慮絕緣的使用環(huán)境，特別是濕度的影響。有時需要作表面防潮處理，如在膠布（或紙）筒外表面刷環(huán)氧漆，絕緣子表面涂硅有機物或地蠟等。 不是所有的情況下均要求絕緣電阻值高，有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。如在高壓套管法蘭附近涂半導體釉，高壓電機定子繞組出槽口部分涂半導體釉等，都是為了改善電壓分布，消除電暈。1-4 電介質(zhì)中的能量損耗電介質(zhì)中的能量損耗 電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角正切 介質(zhì)在電壓作用下有能量損耗。一種是電導引起的損耗；另一種是由有損極化引起的損耗。 在直流電壓下，由于無周期性極化過程，因此，當外施電壓低于發(fā)生局部放電電壓時，介質(zhì)中損耗仍由電導引起

21、，此時用絕緣電阻這一物理量就足以表達。 而在交流電壓下，除了電導損耗外，還由于存在周期性極化引起的能量損耗，因此，引入介質(zhì)損耗這一新的物理量來表示。定義為：在交流電壓下，介質(zhì)的有功功率損耗為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗為： 用介質(zhì)損耗P來表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的，因為從上式中可以看出，P值與試驗電壓的平方和電源頻率成正比，與試品尺寸、放置位置有關(guān)，不同試品之間難以進行比較。而當外加電壓和頻率一定時，P與介質(zhì)的物理電容C成正比，對一定結(jié)構(gòu)的試品而言，電容C是定值，P與tg 成正比，故對同類試品絕緣的優(yōu)劣，可直接用tg 來代替P值，對絕緣進行判斷。因此，定義 為介質(zhì)損失角，它是功率因數(shù)角 的余角。介質(zhì)損失

22、角正切值tg ，如同r 一樣，仍取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)。CtgUQtgP2 氣體電介質(zhì)中的損耗 氣體電介質(zhì)的極化率是極小的。當電場強度小于使氣體分子游離所需的值時，氣體介質(zhì)的電導也是極小的。所以，此時氣體介質(zhì)中的損耗也將是極?。╰g 10-8)，工程中可以略去不計。所以常用氣體(如空氣，N2；C02，SF6等）作為標準電容器的介質(zhì)。當外施電壓U超過起始放電電壓U0時，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加，這種現(xiàn)象在高壓輸電線上表現(xiàn)得極為突出，稱為電暈放電。 在固體介質(zhì)中含有氣泡時，氣泡在高壓下會發(fā)生游離，并使固體介質(zhì)逐漸劣化。所以常用浸油、充膠等措施來消除固體介質(zhì)

23、中的氣泡。對于固體介質(zhì)與金屬電極接觸處的空氣隙，則經(jīng)常用適中的方法，使氣隙內(nèi)場強為零。如35kV瓷套內(nèi)壁上涂半導體釉。通過彈性銅片與導電桿相連；高壓電機定子線圈槽內(nèi)絕緣外包半導體層后，再嵌入槽內(nèi)等。 液體電介質(zhì)中的損耗 中性液體固體電介質(zhì)中的極化主要是電子位移極化和離子位移極化，它們是無損的或幾乎是無損的。于是，這類介質(zhì)中的損耗便主要漏導決定。介質(zhì)損耗與溫度、電場強度等因素的關(guān)系也就決定于電導與這些因素之間的關(guān)系。 極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導式損耗和電偶式損耗兩部分，所以，它與溫度、頻率等因素有較復雜的關(guān)系。 固體電介質(zhì)中的損耗 固體介質(zhì)的情況比較復雜。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可分為分子式結(jié)構(gòu)、離子式結(jié)構(gòu)、不均勻結(jié)構(gòu)和強極性介質(zhì)4類。 強極性介質(zhì)在高壓