第2章液體和固體介質(zhì)的絕緣強度

1、1第2 2章 液體和固體介質(zhì)的絕緣強度 2.1 介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗2.2 液體介質(zhì)的擊穿液體介質(zhì)的擊穿2.3 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿 2.4 絕緣介質(zhì)的其他特性絕緣介質(zhì)的其他特性2液體和固體強度極 化電 導(dǎo)損 耗電子位移極化離子位移極化偶極子極化夾層極化泄漏電流絕緣電阻及吸收比介質(zhì)損耗角tantan與電壓、溫度的關(guān)系液體介質(zhì)擊穿機理固體介質(zhì)擊穿機理其他特性熱性能機械性能吸潮性生化性能32.1.1介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗1.介質(zhì)的極化和相對介電常數(shù)介質(zhì)的極化和相對介電常數(shù) 平行平板電容器在真空中的電容量為當(dāng)極板間插入固體介質(zhì)后，電容量為式中 A

2、極板面積，cm2； d極間距離，cm；介質(zhì)的介電常數(shù) 0真空的介電常數(shù)，0=8.8610-14F/cm定義 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 000QACUd0()QQQACUUd000()rCQQCQ42.極化的形式極化的形式 1)電子式位移極化電子式位移極化 電子式極化電子式極化 存在于一切物質(zhì)中；極化所需的時間極短，約存在于一切物質(zhì)中；極化所需的時間極短，約10-15s ；具有彈性，沒有損耗；溫度對電子式極化影響不大。具有彈性，沒有損耗；溫度對電子式極化影響不大。52)離子式位移極化離子式位移極化 離子式極化離子式極化 彈性極化；極化過程所需的時間很短，約彈性極化；極化過程所需的時間很短，約10-

3、13s；溫度；溫度對此極化存在一定影響，對此極化存在一定影響，r一般具有正的溫度系數(shù)。一般具有正的溫度系數(shù)。63)偶極子極化偶極子極化 偶極子極化偶極子極化 (a)無外電場時；無外電場時；(b)有外電場時有外電場時 轉(zhuǎn)向極化，非彈性；極化所需的時間較長，約轉(zhuǎn)向極化，非彈性；極化所需的時間較長，約10-10s10-2s；r在低溫下先隨溫度的升高而增加，以后當(dāng)熱在低溫下先隨溫度的升高而增加，以后當(dāng)熱運動變得強烈時，運動變得強烈時，r又隨溫度上升而減小。又隨溫度上升而減小。 74)夾層極化夾層極化 夾層極化夾層極化 8電子式極化離子式極化偶極子極化夾層極化無損極化無損極化有損極化有損極化9材料類別名

4、稱r（工頻，20）氣體介質(zhì) 空氣（大氣壓）1.00059液體介質(zhì)弱極性 變壓器油硅有機液體2.22.52.22.8 極性蓖麻油4.5強極性丙酮酒精水223381固體介質(zhì)中性或弱極性石蠟聚乙烯2.02.52.252.35極性聚氯乙烯3.24離子性云母電瓷575.56.5102.1.2 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)1泄漏電流和絕緣電阻泄漏電流和絕緣電阻URI絕緣電阻 表面絕緣電阻 1212R RRRR一般所指泄漏電流是流過介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，一般所指泄漏電流是流過介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，相應(yīng)的絕緣電阻是體積絕緣電阻相應(yīng)的絕緣電阻是體積絕緣電阻 。11電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，表征

5、電導(dǎo)的參數(shù)是電導(dǎo)電導(dǎo)率率，在高電壓工程中一般常用電阻率電阻率來表征介質(zhì)的絕緣電阻。液體與固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度有下述關(guān)系：式中 A常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)； T熱力學(xué)溫度，單位為K； 電導(dǎo)活化能； k波爾茲曼常數(shù)。 ekTA12 電介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度上升而增大 0titRR e132電介質(zhì)的電導(dǎo)電流電介質(zhì)的電導(dǎo)電流電介質(zhì)中的電流及其等效電路電介質(zhì)中的電流及其等效電路(a)在電荷介質(zhì)上施加直流電壓；在電荷介質(zhì)上施加直流電壓；(b)流過電介質(zhì)中的電流；流過電介質(zhì)中的電流；(c)介質(zhì)等值電路介質(zhì)等值電路14 i1電容電流分量電容電流分量i2由介質(zhì)的有損極化過程所決定由介質(zhì)的有損極化過程所決定 i3泄

6、漏電流，又稱為電導(dǎo)電流泄漏電流，又稱為電導(dǎo)電流123iiii總電流總電流 153工程介質(zhì)電導(dǎo)的性質(zhì)工程介質(zhì)電導(dǎo)的性質(zhì)1)氣體介質(zhì)電導(dǎo)氣體介質(zhì)電導(dǎo)（光游離、碰撞游離）（光游離、碰撞游離）2)液體介質(zhì)電導(dǎo)液體介質(zhì)電導(dǎo) （離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo)）（離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo)）3)固體介質(zhì)電導(dǎo)固體介質(zhì)電導(dǎo) （離子電導(dǎo)（離子電導(dǎo) 、電子電導(dǎo)、電子電導(dǎo) ）4討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義162.1.3電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的損耗 1.電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角正切電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角正切 介質(zhì)在交流電壓作用時的電流相量圖及功率三角形介質(zhì)在交流電壓作用時的電流相量圖及功率三角形 (a)接線圖；接線圖；(b)相量圖；

7、相量圖；(e)功率三角形功率三角形 17crIII電流 I有功有功無功無功視在功率 S P jQ jU Ic 介質(zhì)損耗 2tantanPQUC18介質(zhì)損失角正切值介質(zhì)損失角正切值 同同 一樣，取決于材料一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)。的特性，而與材料尺寸無關(guān)。所以用介質(zhì)損失角的正切所以用介質(zhì)損失角的正切tan來判斷介質(zhì)的品質(zhì)來判斷介質(zhì)的品質(zhì)。 tanrr19有損介質(zhì)可以用一個無損耗的理想電容和一個有效電阻并聯(lián)或串聯(lián)來表示 有損介質(zhì)的等值電路和相量圖有損介質(zhì)的等值電路和相量圖 (a)并聯(lián)等值電路；并聯(lián)等值電路；(b)串聯(lián)等值電路串聯(lián)等值電路 201tanRcPpUIRIU CC R（a

8、）圖）圖（b）圖）圖tanrrscsUIC rIUC2222222222tan(1)1 ()1 tanssssUC rUCU rPI rrCC r如果損耗主要是由電導(dǎo)引起的，常使用并聯(lián)等值電路；如果損耗主要是由電導(dǎo)引起的，常使用并聯(lián)等值電路；如果損耗主要是由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線引起的，則常應(yīng)用串如果損耗主要是由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線引起的，則常應(yīng)用串聯(lián)等值電路聯(lián)等值電路 。22tanpUPUC QR21經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為2tanPUC22 2.影響介質(zhì)損耗的因素影響介質(zhì)損耗的因素 溫度溫度 頻率頻率 電壓電壓 氣體中的氣體中的 tan與電壓的關(guān)系與電壓的關(guān)系 當(dāng)外施電壓超過起始放電電壓當(dāng)外施電壓超

9、過起始放電電壓U0時，將發(fā)生局部時，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加。放電，損耗急劇增加。（1）氣體介質(zhì)的損耗）氣體介質(zhì)的損耗23 當(dāng)電場強度不足以產(chǎn)生碰撞電離時，氣體中的損耗是由電導(dǎo)引起的，損耗極小（tan10-8）。 但當(dāng)外施電壓U超過電暈起始電壓U0時，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加，如圖所示。 氣體的介損和電壓的關(guān)系氣體的介損和電壓的關(guān)系（2）液體介質(zhì)的損耗）液體介質(zhì)的損耗24 中性或弱極性液體介質(zhì)中性或弱極性液體介質(zhì)：電導(dǎo)損耗，損耗較小。極性液體及極性和中性液體的混合油極性液體及極性和中性液體的混合油：電導(dǎo)和極化損耗，所以損耗較大，而且和溫度、頻率都有關(guān)系，如圖。 電導(dǎo)損耗占主要部分，ta

10、n重新隨溫度上升而增加 T升高，液體粘度減小，偶極子極化增強，極化損耗增加 分子熱運動加快，極化強度減弱，極化損耗減小 ,下降速度快于電導(dǎo)損耗極性液體介質(zhì)介損和溫度的關(guān)系極性液體介質(zhì)介損和溫度的關(guān)系 f1頻率頻率 U2 U3 發(fā)熱曲線發(fā)熱曲線3與散熱曲與散熱曲線有兩個交點，即線有兩個交點，即熱熱平衡點平衡點Ta和和Tc。 Ta穩(wěn)穩(wěn)定，定， Tc不穩(wěn)定不穩(wěn)定 曲線曲線2與曲線與曲線4相切，只有一相切，只有一個熱平衡點個熱平衡點Tb，但不穩(wěn)定。，但不穩(wěn)定。U2是臨界熱擊穿電壓，是臨界熱擊穿電壓，Tb則是熱擊穿的臨界溫度則是熱擊穿的臨界溫度 根本不存在熱根本不存在熱平衡點，必然平衡點，必然發(fā)生熱擊穿

11、發(fā)生熱擊穿 473.電化學(xué)擊穿電化學(xué)擊穿電氣設(shè)備在運行了很長時間后電氣設(shè)備在運行了很長時間后(數(shù)十小時甚至數(shù)年數(shù)十小時甚至數(shù)年)，運，運行中絕緣受到電、熱、化學(xué)、機械力作用，絕緣性能逐行中絕緣受到電、熱、化學(xué)、機械力作用，絕緣性能逐漸變壞，這一過程是不可逆轉(zhuǎn)的，稱此過程為老化。漸變壞，這一過程是不可逆轉(zhuǎn)的，稱此過程為老化。由于介質(zhì)逐步老化，導(dǎo)致絕緣性能下降，以致絕緣在工由于介質(zhì)逐步老化，導(dǎo)致絕緣性能下降，以致絕緣在工作電壓下或短時過電壓下發(fā)生擊穿，稱此擊穿為作電壓下或短時過電壓下發(fā)生擊穿，稱此擊穿為電化學(xué)電化學(xué)擊穿擊穿。482.3.2影響固體介質(zhì)擊穿的因素和改進措施影響固體介質(zhì)擊穿的因素和改進

12、措施 1.電壓作用時間電壓作用時間 電工紙板的伏秒特性電工紙板的伏秒特性 外施電壓作用外施電壓作用時間對擊穿電時間對擊穿電壓的影響很大壓的影響很大 A-電擊穿電擊穿B-熱擊穿熱擊穿492.溫度溫度工頻下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系工頻下電瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系 應(yīng)改善絕緣的應(yīng)改善絕緣的工作條件，加工作條件，加強散熱冷卻，強散熱冷卻，防止臭氧及有防止臭氧及有害氣體與絕緣害氣體與絕緣介質(zhì)接觸等。介質(zhì)接觸等。 tt0,熱擊穿。熱擊穿。503.電場均勻程度電場均勻程度 均勻致密的介質(zhì)，在均勻電場中的擊穿電均勻致密的介質(zhì)，在均勻電場中的擊穿電壓較高，且與介質(zhì)厚度有直線關(guān)系；壓較高，且與介質(zhì)厚度有直線關(guān)系

13、；在不均勻電場下，擊穿電壓隨介質(zhì)厚度增在不均勻電場下，擊穿電壓隨介質(zhì)厚度增加而下降，當(dāng)厚度增加時，散熱困難，可能加而下降，當(dāng)厚度增加時，散熱困難，可能出現(xiàn)熱擊穿，故增加厚度的意義更小。出現(xiàn)熱擊穿，故增加厚度的意義更小。 4.受潮受潮 介質(zhì)受潮后擊穿電壓迅速下降，對易吸潮的纖維介質(zhì)受潮后擊穿電壓迅速下降，對易吸潮的纖維影響特別大。影響特別大。 51基本無累積效應(yīng)基本無累積效應(yīng)有累積效應(yīng)有累積效應(yīng)5.累積效應(yīng)累積效應(yīng)在多次沖擊或工頻試驗電壓下，一系列的不完在多次沖擊或工頻試驗電壓下，一系列的不完全擊穿將導(dǎo)致介質(zhì)的完全擊穿，反映出隨著施全擊穿將導(dǎo)致介質(zhì)的完全擊穿，反映出隨著施加沖擊或工頻試驗電壓次數(shù)

14、增多，固體介質(zhì)的加沖擊或工頻試驗電壓次數(shù)增多，固體介質(zhì)的擊穿電壓將下降的現(xiàn)象，稱為擊穿電壓將下降的現(xiàn)象，稱為累積效應(yīng)累積效應(yīng) 526.機械負荷機械負荷 介質(zhì)在機械負荷作用下發(fā)生裂縫，其擊穿電介質(zhì)在機械負荷作用下發(fā)生裂縫，其擊穿電壓顯著降低；壓顯著降低；有機固體介質(zhì)在運行中因熱、化學(xué)等作用，有機固體介質(zhì)在運行中因熱、化學(xué)等作用，可能變脆、開裂或松散，失去彈性，擊穿電可能變脆、開裂或松散，失去彈性，擊穿電壓、機械強度都要下降很多。壓、機械強度都要下降很多。532.4 絕緣介質(zhì)的其他特性絕緣介質(zhì)的其他特性2.4.1 熱性能熱性能所謂電介質(zhì)的所謂電介質(zhì)的耐熱性耐熱性能是保證運行可靠而能是保證運行可靠而

15、不產(chǎn)生熱損壞的最高允許溫度不產(chǎn)生熱損壞的最高允許溫度 溫度過高，會引起熱擊穿；有機材料在高溫度過高，會引起熱擊穿；有機材料在高溫下易氧化、分解，性能劣化溫下易氧化、分解，性能劣化 。54耐熱耐熱等級等級允許長期使用的允許長期使用的最高溫度（最高溫度（）絕絕 緣緣 材材 料料O90木材、紙、天然絲、聚乙烯、聚氯乙稀、天然橡膠等木材、紙、天然絲、聚乙烯、聚氯乙稀、天然橡膠等A105油性樹脂漆及其漆包線、礦物油和浸入其中的纖維材料油性樹脂漆及其漆包線、礦物油和浸入其中的纖維材料等等E120酚醛樹脂塑料、膠紙板、聚酯薄膜、聚乙烯醇縮甲醛漆酚醛樹脂塑料、膠紙板、聚酯薄膜、聚乙烯醇縮甲醛漆等等B130瀝青油漆制成的云母帶、聚酯漆、環(huán)氧樹脂玻璃漆布等瀝青油漆制成的云母帶、聚酯漆、環(huán)氧樹脂玻璃漆布等F155聚酯亞胺漆及其漆包線、改性硅有機漆及其云母制品等聚酯亞胺漆及其漆包線、改性硅有機漆及其云母制品等H180聚酰胺亞胺漆及其漆包線、硅有機漆及其制品等