第二章 液體、固體電介質(zhì)的電氣性能

1、第二章第二章 液體、固體電介質(zhì)的電氣性能液體、固體電介質(zhì)的電氣性能電介質(zhì)的作用電介質(zhì)的作用電介質(zhì)電介質(zhì) = 絕緣材料絕緣材料電介質(zhì)按化學(xué)結(jié)構(gòu)分電介質(zhì)按化學(xué)結(jié)構(gòu)分非極性及弱極性：如氮氣、聚四氯乙烯等非極性及弱極性：如氮氣、聚四氯乙烯等偶極性：蓖麻油、氯化聯(lián)苯等偶極性：蓖麻油、氯化聯(lián)苯等離子性：石英、電瓷等離子性：石英、電瓷等第二章第二章 液體、固體電介質(zhì)的電氣性能液體、固體電介質(zhì)的電氣性能電介電介質(zhì)的質(zhì)的基本基本電氣電氣性能性能b br r擊擊穿穿電電場場強強度度E E擊擊穿穿介介質(zhì)質(zhì)損損耗耗因因數(shù)數(shù)t tg g損損耗耗電電導(dǎo)導(dǎo)率率電電導(dǎo)導(dǎo)相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)極極化化氣體的極化、電導(dǎo)、損耗都

2、很弱，可不考慮。氣體的極化、電導(dǎo)、損耗都很弱，可不考慮。一、極化現(xiàn)象及相對介電常數(shù)一、極化現(xiàn)象及相對介電常數(shù)1、極化的定義、極化的定義電介質(zhì)在電電介質(zhì)在電場中所發(fā)生場中所發(fā)生的束縛電荷的束縛電荷的彈性位移的彈性位移及偶極子的及偶極子的轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。2-1 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 2 2、相對介電常數(shù)、相對介電常數(shù)r r r相對相對介電常數(shù)，表征電介質(zhì)極化強度的指標(biāo)。0 00 0r rc cc c 20，工頻時：，工頻時： 真空真空r=1，氣體，氣體r1 液體、固體液體、固體r1,一般在一般在210之間。之間。 如如 水：水：81 變壓器油：變壓器油：2.2 云母

3、：云母：57 纖維素纖維素: 6.53 3、極化的基本形式、極化的基本形式（1）電子式）電子式（2）離子式）離子式（3）轉(zhuǎn)向式）轉(zhuǎn)向式（4）夾層式）夾層式（多層電介質(zhì)組成的復(fù)合絕緣）（多層電介質(zhì)組成的復(fù)合絕緣）（1 1）電子式）電子式現(xiàn)象現(xiàn)象:各種物質(zhì)在電場作用下都各種物質(zhì)在電場作用下都會發(fā)生這種極化。會發(fā)生這種極化。極化過程極化過程主要特點：主要特點：極化過程極快，完成。所以任極化過程極快，完成。所以任何何f下的電場都能極化，下的電場都能極化，r與與f無關(guān)。無關(guān)。無損極化，外電場撤離，依靠無損極化，外電場撤離，依靠自身吸引力恢復(fù)，不消耗能量。自身吸引力恢復(fù)，不消耗能量。溫度影響極小。溫度影響

4、極小。（2 2）離子式）離子式離子位移極化現(xiàn)象離子位移極化現(xiàn)象極化過程極化過程主要特點：主要特點：極化過程很快，完成，任何極化過程很快，完成，任何f下的電場都能極化，下的電場都能極化，r與與f無無關(guān)。關(guān)。無損極化。無損極化。r具有微弱的正溫度系數(shù)，具有微弱的正溫度系數(shù)，t，r。一方面，。一方面，t，離子，離子聯(lián)系弱，聯(lián)系弱，r；另；另一方面，一方面，t，密度，密度，r。正。正溫度系數(shù)。溫度系數(shù)。（3）轉(zhuǎn)向式）轉(zhuǎn)向式偶極轉(zhuǎn)向極化現(xiàn)象偶極轉(zhuǎn)向極化現(xiàn)象 極化過程極化過程主要特點：主要特點：極化過程較慢，。所極化過程較慢，。所以以r與與f有關(guān)。有關(guān)。 與溫度有關(guān)。與溫度有關(guān)。 有損極化。轉(zhuǎn)向時克有損極

5、化。轉(zhuǎn)向時克服分子間吸引力和摩擦力服分子間吸引力和摩擦力而消耗能量。而消耗能量。（4 4）夾層式）夾層式夾層極化現(xiàn)象。以兩夾層極化現(xiàn)象。以兩層介質(zhì)在交流電壓作用下層介質(zhì)在交流電壓作用下的極化為例。的極化為例。 介紹吸收過程、吸收介紹吸收過程、吸收電荷。電荷。夾層極化特點：夾層極化特點：極化過程較慢；極化過程較慢；有損極化。有損極化。等值電路等值電路 t=0時：時： 1 12 20 0t t2 21 1C CC CU UU U t時：時： 1 12 2t t2 21 1G GG GU UU U 如果電介質(zhì)不均勻，即如果電介質(zhì)不均勻，即 ， 意味著兩電介質(zhì)之間意味著兩電介質(zhì)之間電壓要重新分布電壓要

6、重新分布吸收電流。吸收電流。吸收過程的快慢決定于電路的時間常數(shù)吸收過程的快慢決定于電路的時間常數(shù)，又，又G很小，很小，很大，很大，極化所需的時間很長。極化所需的時間很長。1 12 2C CC C1 12 2G GG G4、相對介電常數(shù)、相對介電常數(shù)r在工程上的實際意義在工程上的實際意義（1）選擇絕緣材料時，要考慮該指標(biāo)。）選擇絕緣材料時，要考慮該指標(biāo)。對電容器希望對電容器希望r大些，對電纜則希望大些，對電纜則希望r小些。小些。（2）設(shè)計交流絕緣結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮電場的合理分布。）設(shè)計交流絕緣結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮電場的合理分布。 r r1 1r r2 22 21 1E EE E（3）介質(zhì)損耗與極化類型有關(guān)

7、）介質(zhì)損耗與極化類型有關(guān)（4）可用來判斷絕緣狀況）可用來判斷絕緣狀況二、電介質(zhì)的電導(dǎo)二、電介質(zhì)的電導(dǎo)1、定義：、定義：在電場作用下，電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點作定向移動而在電場作用下，電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點作定向移動而現(xiàn)成電流的現(xiàn)象?，F(xiàn)成電流的現(xiàn)象。2、電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的區(qū)別、電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的區(qū)別（1）載流子不同（前者：離子）載流子不同（前者：離子;后者：電子）后者：電子）（2）電導(dǎo)率不同（前者：很小）電導(dǎo)率不同（前者：很小;后者：很大）后者：很大）（3）溫度系數(shù)不同（前者：正的）溫度系數(shù)不同（前者：正的;后者：負(fù)的）后者：負(fù)的） 3、吸收現(xiàn)象、吸收現(xiàn)象電介質(zhì)在電介質(zhì)在DC作用下，通過電介質(zhì)的電

8、流隨時間逐漸衰作用下，通過電介質(zhì)的電流隨時間逐漸衰減，最終達(dá)到某個穩(wěn)定值。減，最終達(dá)到某個穩(wěn)定值。通過電介質(zhì)的電流由三部分組成，即通過電介質(zhì)的電流由三部分組成，即 i=ic+ia+Igg gI IU UR RR絕緣電阻絕緣電阻ic電容電流，無損極化引起，迅速衰減電容電流，無損極化引起，迅速衰減ia吸收電流，有損極化引起，較為緩慢衰吸收電流，有損極化引起，較為緩慢衰減減Ig泄漏電流，電導(dǎo)引起，恒定不變泄漏電流，電導(dǎo)引起，恒定不變4、電介質(zhì)的電導(dǎo)、電介質(zhì)的電導(dǎo)（1）氣體電介質(zhì)電導(dǎo)：游離出來的電子、正離子、）氣體電介質(zhì)電導(dǎo)：游離出來的電子、正離子、負(fù)離子。低于擊穿場強時可忽略。負(fù)離子。低于擊穿場強時

9、可忽略。（2）液體電介質(zhì)的電導(dǎo)：本征離子（在極化電介質(zhì)）液體電介質(zhì)的電導(dǎo)：本征離子（在極化電介質(zhì)中不可忽視）、雜質(zhì)離子（起主要作用）中不可忽視）、雜質(zhì)離子（起主要作用）（3）固體電介質(zhì)：）固體電介質(zhì)：由由體積電導(dǎo)體積電導(dǎo)（雜質(zhì)離子、本征離子）和（雜質(zhì)離子、本征離子）和表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)（取決于（取決于水分水分和和污穢污穢 情況）組成。情況）組成。固體電介質(zhì)的絕緣電阻固體電介質(zhì)的絕緣電阻R是體積絕緣電阻是體積絕緣電阻RV和表面絕緣和表面絕緣RS的并聯(lián)值。的并聯(lián)值。測量時應(yīng)采取措施以減小表面泄漏電流對測測量時應(yīng)采取措施以減小表面泄漏電流對測量的影響量的影響。5 5、影響電介質(zhì)電導(dǎo)的主要因素、影響電介

10、質(zhì)電導(dǎo)的主要因素（1）溫度）溫度（2）雜質(zhì)）雜質(zhì) 要注意防潮要注意防潮 T TB BA Ae e 6、電介質(zhì)電導(dǎo)在工程實際中的應(yīng)用、電介質(zhì)電導(dǎo)在工程實際中的應(yīng)用（1）用來判斷絕緣狀況）用來判斷絕緣狀況 。（2）DC作用下，電介質(zhì)中各層電壓分布規(guī)律。作用下，電介質(zhì)中各層電壓分布規(guī)律。1 12 22 21 1G GG GU UU U（3）表面絕緣電阻的合理應(yīng)用）表面絕緣電阻的合理應(yīng)用a.為了減小表面泄漏電流以提高放電電壓，應(yīng)使表為了減小表面泄漏電流以提高放電電壓，應(yīng)使表面電阻增大面電阻增大;b.為了減小表面局部場強以善電場分布，應(yīng)使表面為了減小表面局部場強以善電場分布，應(yīng)使表面電阻適當(dāng)減小。電阻適

11、當(dāng)減小。三、電介質(zhì)的損耗三、電介質(zhì)的損耗1、介質(zhì)損耗的定義、介質(zhì)損耗的定義在外加電壓作用下，電介質(zhì)在單位時間內(nèi)消耗的在外加電壓作用下，電介質(zhì)在單位時間內(nèi)消耗的能量。能量。電介質(zhì)損耗對絕緣性能的影響：電介質(zhì)損耗對絕緣性能的影響： 介質(zhì)的損耗介質(zhì)的損耗介質(zhì)發(fā)熱介質(zhì)發(fā)熱介質(zhì)溫度升高介質(zhì)溫度升高介質(zhì)電介質(zhì)電導(dǎo)增大導(dǎo)增大泄漏電流增大泄漏電流增大介質(zhì)損耗進(jìn)一步增大介質(zhì)損耗進(jìn)一步增大介質(zhì)溫度進(jìn)一步升高介質(zhì)溫度進(jìn)一步升高絕緣老化加速絕緣老化加速 絕緣絕緣被燒焦破壞。被燒焦破壞。2 2、介質(zhì)損耗的基本形式、介質(zhì)損耗的基本形式（1）電導(dǎo)損耗（）電導(dǎo)損耗（DC、AC下均存在）下均存在）（2）極化損耗（只在）極化損耗

12、（只在AC下存在下存在（3）游離損耗（外加電壓超過一定值時）游離損耗（外加電壓超過一定值時）3、介質(zhì)損耗的計算及指標(biāo)、介質(zhì)損耗的計算及指標(biāo)（1）DC下下用用即可表達(dá)其即可表達(dá)其損耗特性：損耗特性：介質(zhì)的電導(dǎo)介質(zhì)的絕緣電阻;22GRGURUP（2）AC下下式中式中 tg介質(zhì)損耗因數(shù)，介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)表示。常用百分?jǐn)?shù)表示。 功率因數(shù)角功率因數(shù)角介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 （=90- ）tgCUtgUIUIPpC2cos通常采用通常采用tg而不用而不用P表示電介質(zhì)的損耗特性，這表示電介質(zhì)的損耗特性，這是因為是因為P與與U、C、有關(guān)，不便于對不同尺寸的同一有關(guān)，不便于對不同尺寸的同一絕緣材料進(jìn)行比較

13、絕緣材料進(jìn)行比較;tg無量綱，與材料的幾何尺寸無關(guān)，只與材料無量綱，與材料的幾何尺寸無關(guān)，只與材料的品質(zhì)特性有關(guān)。的品質(zhì)特性有關(guān)。4、影響、影響tg的因素的因素（1）跟介質(zhì)種類有關(guān)）跟介質(zhì)種類有關(guān)u氣體電介質(zhì)的氣體電介質(zhì)的tg極小極小u液體和固體電介質(zhì)的損耗特性較為復(fù)雜液體和固體電介質(zhì)的損耗特性較為復(fù)雜 對中性或弱性介質(zhì)的損耗主要由電導(dǎo)引起，對中性或弱性介質(zhì)的損耗主要由電導(dǎo)引起， tg較小。較小。 對極性介質(zhì)的損耗主要由極化引起，對極性介質(zhì)的損耗主要由極化引起， tg較大。較大。（2）跟溫度有關(guān)）跟溫度有關(guān)（3）跟頻率有關(guān)）跟頻率有關(guān)（4）跟電壓有關(guān)）跟電壓有關(guān) 當(dāng)當(dāng)E較小時較小時tg較小，當(dāng)

14、較小，當(dāng)E增大到某一臨界值時，增大到某一臨界值時， tg將急劇增加（將急劇增加（出現(xiàn)了電暈損耗，出現(xiàn)了電暈損耗，可以可以制作制作tg=f(U）關(guān)系曲線來判斷介質(zhì)中是否存）關(guān)系曲線來判斷介質(zhì)中是否存在局部放電）在局部放電） 當(dāng)固體介質(zhì)中含有氣隙時，可能出現(xiàn)局部放電，當(dāng)固體介質(zhì)中含有氣隙時，可能出現(xiàn)局部放電，使絕緣老化加速，因此常采用干燥、浸油或充使絕緣老化加速，因此常采用干燥、浸油或充膠等措施來消除氣隙。膠等措施來消除氣隙。 固體介質(zhì)與金屬電極接觸處的空氣隙，經(jīng)常采固體介質(zhì)與金屬電極接觸處的空氣隙，經(jīng)常采用短路的辦法，使氣隙內(nèi)電場為零。用短路的辦法，使氣隙內(nèi)電場為零。5、 tg在工程實際中的應(yīng)用

15、在工程實際中的應(yīng)用（1）選擇絕緣）選擇絕緣（2）用于判斷絕緣狀況）用于判斷絕緣狀況 受潮、老化受潮、老化 tg急劇上升急劇上升; 制作制作tg =f(u)曲線判斷是否發(fā)生局部放電曲線判斷是否發(fā)生局部放電（3）利用高頻電壓加熱干燥泥坯）利用高頻電壓加熱干燥泥坯三、討論三、討論tgtg在工程實際中的意義在工程實際中的意義1、配制絕緣材料時應(yīng)適當(dāng)選擇配方的比例、配制絕緣材料時應(yīng)適當(dāng)選擇配方的比例2、在絕緣預(yù)防性試驗中判斷絕緣狀況、在絕緣預(yù)防性試驗中判斷絕緣狀況3、利用高頻電壓加熱高的材料。、利用高頻電壓加熱高的材料。一、幾個基本概念一、幾個基本概念1、什么是電介質(zhì)的擊穿？、什么是電介質(zhì)的擊穿？當(dāng)外加

16、電壓達(dá)到某當(dāng)外加電壓達(dá)到某一臨界值后，電介質(zhì)的電導(dǎo)顯著增大，泄漏電流一臨界值后，電介質(zhì)的電導(dǎo)顯著增大，泄漏電流急劇增加，電介質(zhì)突然喪失其原有的絕緣性能，急劇增加，電介質(zhì)突然喪失其原有的絕緣性能，此現(xiàn)象稱之。此現(xiàn)象稱之。2、什么是擊穿電壓？、什么是擊穿電壓？發(fā)生擊穿時的臨界電壓發(fā)生擊穿時的臨界電壓稱之。稱之。3、什么是擊穿場強？、什么是擊穿場強？也稱為絕緣強度，單位也稱為絕緣強度，單位為為kV/cm。2-2 液體電介質(zhì)的擊穿液體電介質(zhì)的擊穿二、研究電介質(zhì)擊穿特性的復(fù)雜性二、研究電介質(zhì)擊穿特性的復(fù)雜性因為介質(zhì)不同，擊穿機理不同。因為介質(zhì)不同，擊穿機理不同。1、不同電壓作用下，擊穿機理不同。、不同電

17、壓作用下，擊穿機理不同。2、影響因素多。、影響因素多。3、隨機性強。、隨機性強。一、液體電介質(zhì)的擊穿機理一、液體電介質(zhì)的擊穿機理1、純凈液體電介質(zhì)的擊穿機理、純凈液體電介質(zhì)的擊穿機理與氣體電介質(zhì)的擊穿機理相似與氣體電介質(zhì)的擊穿機理相似電擊穿理論電擊穿理論（碰撞游離，電子崩）（碰撞游離，電子崩）液液氣氣 液液氣氣 Eb，液，液 Eb，氣，氣純凈油：擊穿過程采用碰撞游離理論，與氣體同。即初始純凈油：擊穿過程采用碰撞游離理論，與氣體同。即初始電子向電極運動過程中，碰撞游離導(dǎo)致?lián)舸ｋ娮酉螂姌O運動過程中，碰撞游離導(dǎo)致?lián)舸?純凈油提煉困難，即使提煉出來，保持也困難。純凈油提煉困難，即使提煉出來，保持也

18、困難。2、工程用液體電介質(zhì)的擊穿機理、工程用液體電介質(zhì)的擊穿機理總含有雜質(zhì)總含有雜質(zhì)小橋擊穿理論小橋擊穿理論水、纖維的相對介電常數(shù)大水、纖維的相對介電常數(shù)大 易極化易極化 沿電場定沿電場定向排列向排列 形成雜質(zhì)小橋形成雜質(zhì)小橋 電導(dǎo)大電導(dǎo)大 泄漏電流泄漏電流增加增加 小橋發(fā)熱小橋發(fā)熱 油、水分汽化油、水分汽化 形成氣形成氣體小橋體小橋 氣體中的氣體中的E比油中高得多（因為與相對比油中高得多（因為與相對常數(shù)成反比）常數(shù)成反比） 氣體小橋擊穿氣體小橋擊穿 液體電介質(zhì)擊液體電介質(zhì)擊穿穿油電氣強度試驗：油電氣強度試驗：標(biāo)準(zhǔn)油杯，注入油，擊穿五次，取平均值，與標(biāo)準(zhǔn)對比。標(biāo)準(zhǔn)油杯，注入油，擊穿五次，取平均

19、值，與標(biāo)準(zhǔn)對比。標(biāo)準(zhǔn)值，合標(biāo)準(zhǔn)值，合格，否則，不合格。格，否則，不合格。電極：一種為球形電極；另電極：一種為球形電極；另一種為球蓋形電極，電極材一種為球蓋形電極，電極材料為黃銅或不銹鋼。料為黃銅或不銹鋼。球形電極由直徑為球形電極由直徑為12.5mm13.0mm。電極間距離為電極間距離為2.5mm；球蓋形電極直徑為球蓋形電極直徑為36mm，電極間距離也為電極間距離也為2.5mm。標(biāo)準(zhǔn)油杯的器壁為透明的有標(biāo)準(zhǔn)油杯的器壁為透明的有機玻璃機玻璃。二、影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素二、影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素1、雜質(zhì)、雜質(zhì)（1）含水量（懸浮態(tài)的影響大）含水量（懸浮態(tài)的影響大）:含水量增加，明顯下降。但

20、當(dāng)含水量含水量增加，明顯下降。但當(dāng)含水量超過超過0.02%后，多余的水分沉入油低，不再下降。后，多余的水分沉入油低，不再下降。（2）含纖維量）含纖維量:纖維會構(gòu)成雜質(zhì)小橋，使纖維會構(gòu)成雜質(zhì)小橋，使Ub。 (3)含氣量含氣量:易局部放電，使油氧化，酸價增大，加速油的老化，使易局部放電，使油氧化，酸價增大，加速油的老化，使Ub。（4）含碳量）含碳量: 碳粒附著在固體介質(zhì)表面，易產(chǎn)生沿面放電，使碳粒附著在固體介質(zhì)表面，易產(chǎn)生沿面放電，使Ub2、溫度、溫度3、電壓作用時間、電壓作用時間4、電場均勻程度、電場均勻程度5、壓力、壓力三、提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法三、提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的方法1、提高并

21、保持油品質(zhì)（減少雜質(zhì)）、提高并保持油品質(zhì)（減少雜質(zhì)）（1）祛氣：對油加熱）祛氣：對油加熱,霧化，后抽真空；霧化，后抽真空；（2）過濾：把油壓過幾層濾紙）過濾：把油壓過幾層濾紙.把纖維、雜質(zhì)、水把纖維、雜質(zhì)、水分、過濾掉；分、過濾掉；（3）防潮：如變壓器中的硅膠。）防潮：如變壓器中的硅膠。2、采用、采用“油油屏障屏障”式絕緣（阻止雜質(zhì)小橋的形式絕緣（阻止雜質(zhì)小橋的形成）成）（1）覆蓋層（）覆蓋層（2）絕緣層（）絕緣層（3）屏障）屏障覆蓋層：只有覆蓋層：只有0.幾幾mm厚的絕緣層（漆膜、黃臘布、漆布），厚的絕緣層（漆膜、黃臘布、漆布），覆蓋于電極上。用于不均勻的電場中。覆蓋于電極上。用于不均勻的電

22、場中。作用：作用：a阻止雜質(zhì)小橋；阻止雜質(zhì)小橋；b減小泄露電流。減小泄露電流。采用覆蓋層后，擊穿電壓可提高采用覆蓋層后，擊穿電壓可提高100%絕緣層：絕緣層可達(dá)幾十絕緣層：絕緣層可達(dá)幾十mm厚。包裹于極不均勻電場中曲率厚。包裹于極不均勻電場中曲率半徑小的電極上。半徑小的電極上。作用：作用：a阻止雜質(zhì)小橋；阻止雜質(zhì)小橋；b減少油中最大電場強度；減少油中最大電場強度；c減少泄漏電流。減少泄漏電流。屏障：和電極尺寸差不多。屏障：和電極尺寸差不多。作用：作用：a阻止雜質(zhì)小橋；阻止雜質(zhì)小橋；b把間隙分割成小間隙，改善電場分布。把間隙分割成小間隙，改善電場分布。多重屏障多重屏障2-3 固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿一、擊穿的形式一、擊穿的形式1電擊穿電擊穿當(dāng)外加電壓升高到一定的程度，初始電子在電場作用下加速運動，當(dāng)外加電壓升高到一定的程度，初始電子在電場作用下加速運動，碰撞游離，產(chǎn)生電子崩，帶電質(zhì)點數(shù)目劇增，最終導(dǎo)致介質(zhì)絕緣性能碰撞游離，產(chǎn)生電子崩，帶電質(zhì)點數(shù)目劇增，最終導(dǎo)致介質(zhì)絕緣性能的喪失。的喪失。主要特點：（主要特點：（1）擊穿電壓高；）擊穿電壓高；（2）擊穿電壓大小與溫度無關(guān)；）擊穿電壓大小與溫度無關(guān)；（3）擊穿后介質(zhì)溫升不高。）擊穿后介質(zhì)溫升不高。2熱擊穿熱