絕緣電氣特性

2023/2/31電氣安全技術(shù)發(fā)電1131、供電1131、電氣1131班2012年7月教材：《電力安全技術(shù)》，楊文學(xué)、任紅等編，中國電力出版社出版2023/2/32第一章電氣設(shè)備絕緣的電氣特性一、認(rèn)識(shí)電力安全生產(chǎn)的重要性（一）重要性認(rèn)識(shí)1.電力安全生產(chǎn)影響各行各業(yè)和社會(huì)穩(wěn)定。2.電力安全生產(chǎn)影響電力企業(yè)本身。3.電力生產(chǎn)的特點(diǎn)需要安全生產(chǎn)。4.電力生產(chǎn)環(huán)境潛在危險(xiǎn)因素多。2023/2/33（二）我國電氣安全現(xiàn)狀1、電力安全生產(chǎn)任重而道遠(yuǎn)安全用電水平高的國家20億KWH觸電死亡一人。我國每耗電1億KWH觸電死亡一人，是發(fā)達(dá)國家的20~30倍。2、用電安全水平近年來有較大提高重視程度、管理水平、設(shè)備質(zhì)量以及雙重絕緣、電氣隔離、漏電保護(hù)等防觸電新技術(shù)的應(yīng)用，取得明顯效果。第一章電氣設(shè)備絕緣的電氣特性2023/2/34（三）電力生產(chǎn)安全目標(biāo)我國電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)總體目標(biāo)是防止兩大類事故；對(duì)社會(huì)造成重大影響和對(duì)資產(chǎn)造成重大損失的事故。第一章電氣設(shè)備絕緣的電氣特性2023/2/35二、電氣設(shè)備絕緣狀況1.電介質(zhì)定義：把導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)叫做絕緣材料，也稱電介質(zhì)。2.電介質(zhì)分類：氣體、液體和固體絕緣材料。3.

絕緣缺陷的產(chǎn)生原因：制造、運(yùn)輸、運(yùn)行、試驗(yàn)等4.絕緣缺陷的分類：集中性(或局部性)缺陷和分布性(或整體性)缺陷2023/2/365.絕緣預(yù)防性試驗(yàn)作用及分類絕緣出現(xiàn)缺陷后，其各種特性就會(huì)發(fā)生變化，絕緣預(yù)防性試驗(yàn)就是通過各種方法測(cè)量表征絕緣性能的各種參數(shù)的變化或趨勢(shì)，來判斷絕緣的狀況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，加以消除，避免事故。一般分為非破壞性試驗(yàn)和破壞性試驗(yàn)（耐壓試驗(yàn)）兩類。6.兩類試驗(yàn)方法有各自的特點(diǎn)，不能互相替代二、電氣設(shè)備絕緣狀況2023/2/37三、電介質(zhì)的極化1.極化的定義：在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的正負(fù)電荷質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)方向上產(chǎn)生有限位移的現(xiàn)象。介質(zhì)極化后對(duì)外呈現(xiàn)極性。2.介電常數(shù)：其值由電介質(zhì)材料性質(zhì)決定，它描述了介質(zhì)的極化現(xiàn)象。2023/2/383.極化形式⑴電子式極化特點(diǎn)：①形成極化的時(shí)間極短；②電子式極化具有彈性，沒有能量損耗；③溫度對(duì)電子式極化的影響極小。具有很小的負(fù)溫度系數(shù)。三、電介質(zhì)的極化2023/2/39⑵離子式極化特點(diǎn)：①極化的過程很短；②它也具有彈性，幾乎沒有能量損耗；③具有正的溫度系數(shù)。三、電介質(zhì)的極化2023/2/310⑶偶極子式極化特點(diǎn)：①是極化屬于非彈性極化；②極化過程中需要消耗能量，極化所需的時(shí)間也較長；③極性介質(zhì)的極化受頻率和溫度的影響。三、電介質(zhì)的極化2023/2/311⑷夾層極化合閘以后，要有一電壓重新分配過程，亦即C1、C2上電荷重新分配，在此過程中，分界面上將集聚起多余的電荷，從而顯出極性來。特點(diǎn)：存在吸收現(xiàn)象；極化時(shí)間長；有能耗、具負(fù)溫度系數(shù)。三、電介質(zhì)的極化2023/2/312四、電介質(zhì)的電導(dǎo)（一）電導(dǎo)的定義及特點(diǎn)1.定義：在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中帶電粒子電場(chǎng)方向作有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，形成電流，這種物理現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的電導(dǎo)。電導(dǎo)決定介質(zhì)的導(dǎo)電性能；其倒數(shù)即是絕緣電阻，表征介質(zhì)的絕緣性能。2.帶電粒子的構(gòu)成：①介質(zhì)本身離解出的帶電離子；②雜質(zhì)離解的帶電離子。3.特點(diǎn)：電介質(zhì)的電導(dǎo)是離子電導(dǎo)，隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律上升，電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)；金屬的電導(dǎo)是自由電子電導(dǎo)，電阻具有正的溫度系數(shù)。2023/2/313iii2i1It圖1—6直流電壓下流過介質(zhì)中的電流i1：①其他電容②快極化(電子式和離子式)i2：慢極化：由夾層極化和偶極子極化等有損極化過程所引起的電流，稱為吸收電流I：電導(dǎo)電流又稱泄漏電流：介質(zhì)中少量弱帶電離子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。與這個(gè)穩(wěn)定電流值相對(duì)應(yīng)的電阻值稱為電介質(zhì)的絕緣電阻（二）直流電壓下通過電介質(zhì)的電流影響絕緣電阻的因素：①雜質(zhì)②溫度③電場(chǎng)強(qiáng)度四、電介質(zhì)的電導(dǎo)2023/2/314五、介質(zhì)的損耗（一）介質(zhì)損耗的基本概念電介質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量稱為電介質(zhì)功率損耗，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。電介質(zhì)在電壓作用下有能量損耗：極化現(xiàn)象引起的極化損耗和電導(dǎo)引起的電導(dǎo)損耗。在交流電壓下二者皆存在；在直流電壓下只有電導(dǎo)損耗。2023/2/315如圖所示，電介質(zhì)功率損耗為五、介質(zhì)的損耗2023/2/316五、介質(zhì)的損耗

介質(zhì)功率損耗P與試驗(yàn)電壓、頻率、被試品材料尺寸等有關(guān)，表示介質(zhì)損耗不太方便。而只與介質(zhì)本身的特性有關(guān)，便于比較不同介質(zhì)的損耗特性，所以就用tgδ來表示電介質(zhì)損耗的大小，tgδ稱為介質(zhì)損耗角正切，δ稱為介質(zhì)損耗角。則2023/2/317五、介質(zhì)的損耗（二）各種介質(zhì)的介質(zhì)損耗及其影響因素1.氣體介質(zhì)氣體介質(zhì)除電導(dǎo)、極化損耗外，還有游離產(chǎn)生的損耗（電導(dǎo)損耗）U＜U0，僅電導(dǎo)、極化損耗，基本與U無關(guān)；U＞U0，局放、電暈損耗大增。2023/2/3182.液體介質(zhì)中性或弱極性液體介質(zhì)主要是電導(dǎo)損耗，損耗較小，與溫度的關(guān)系也和電導(dǎo)相似。極性液體具有電導(dǎo)、極化損耗，與溫度和頻率有關(guān)，如圖所示。五、介質(zhì)的損耗2023/2/3193.固體介質(zhì)

通常將固體介質(zhì)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(qiáng)極性介質(zhì)四類。分子式結(jié)構(gòu)：有中性和極性兩種。中性的如聚乙烯等主要是電導(dǎo)損耗，電導(dǎo)極小，損耗也很小，高頻下可使用；極性的如紙、聚氯乙烯、有機(jī)玻璃等介質(zhì)的與溫度、頻率的關(guān)系同極性液體相似，較大，高頻下更嚴(yán)重。五、介質(zhì)的損耗2023/2/320五、介質(zhì)的損耗離子式結(jié)構(gòu)：其與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體且不含使晶格畸變的雜質(zhì)時(shí)，主要是電導(dǎo)損耗，極小，如云母，它是優(yōu)良的絕緣材料，高頻下也可使用。結(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu)中，有離子松弛式極化現(xiàn)象，較大，如玻璃、陶瓷等，且隨成分和結(jié)構(gòu)的不同，也相差很大。不均勻結(jié)構(gòu)：在工程上較常見，如廣泛使用的油浸紙等，其損耗與組成成分的性能和數(shù)量有關(guān)。在高壓電氣設(shè)備中不采用強(qiáng)極性介質(zhì)。2023/2/321六、電介質(zhì)的擊穿（一）擊穿的概念在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，電介質(zhì)就喪失其絕緣性能，形成導(dǎo)電通道，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)擊穿。擊穿時(shí)加在介質(zhì)兩端的電壓稱為擊穿電壓。電介質(zhì)擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度就稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)；在不均勻電場(chǎng)中常使用平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。2023/2/322（二）氣體介質(zhì)的擊穿1.氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失⑴帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生——游離中性原子在由外界獲得足夠的能量，使原子中的一個(gè)或多個(gè)電子脫離原子核的束縛成為自由電子和正離子，這就是原子的游離。游離的形式有碰撞游離、光游離、熱游離、表面游離等。⑵帶電質(zhì)點(diǎn)的消失——去游離擴(kuò)散和復(fù)合2023/2/323（二）氣體介質(zhì)的擊穿2.氣體放電的基本過程⑴自持放電與非自持放電僅由電場(chǎng)就能維持的放電稱自持放電。由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱起始放電電壓。2023/2/324⑵湯遜放電理論適用于低氣壓、小間隙均勻電場(chǎng)中的氣體放電。在放電時(shí)間、陰極材料影響、放電通道上與實(shí)際有偏差。碰撞游離形成電子崩表面游離一個(gè)有效自由電子2023/2/325⑶巴申定律當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣體間隙的擊穿電壓Ub是氣壓P與間隙距離d乘積的函數(shù)，即：Pd(mmHg·cm)Ubmax(KV)空氣的擊穿電壓與Pd的關(guān)系示意圖2023/2/326⑷流注放電理論湯遜放電理論的局限性，按湯遜放電理論：氣隙放電時(shí)間至少應(yīng)等于正離子經(jīng)過間隙距離所需時(shí)間，但實(shí)際上放電時(shí)間要小得多。陰極材料對(duì)氣體擊穿過程有影響，但大氣壓下氣隙的擊穿電壓與陰極無關(guān)。氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙均勻連續(xù)發(fā)展，但大氣壓下的空氣擊穿會(huì)出現(xiàn)帶分枝的明亮細(xì)通道。流注放電理論考慮了碰撞游離形成的空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用以及光游離的影響，能很好地解釋大氣壓力下氣體放電現(xiàn)象。2023/2/327氣體間隙中流注的發(fā)展過程2023/2/3283.極不均勻電場(chǎng)的氣體放電 ⑴出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象在不均勻電場(chǎng)中，當(dāng)間隙上外施電壓達(dá)一定值時(shí)，大曲率電極附近區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈游離，出現(xiàn)象月亮?xí)灩鈽拥牡仙l(fā)光層，并伴隨有咝咝聲和臭氧氣味，這就是電暈放電現(xiàn)象。電暈放電是極不均勻電場(chǎng)中所特有的一種自持放電形式，放電區(qū)域僅局限在大曲率電極附近的強(qiáng)電場(chǎng)范圍內(nèi)，而整個(gè)間隙沒有擊穿。2023/2/3293.極不均勻電場(chǎng)的氣體放電

1.出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象開始出現(xiàn)電暈放電時(shí)的電壓稱為電暈起始電壓。它小于間隙的擊穿電壓，電場(chǎng)越不均勻，電暈起始電壓與擊穿電壓的差別越大。電暈放電過程不但有損耗，還會(huì)造成通信干擾、腐蝕金屬和有機(jī)絕緣物等危害。2023/2/3303.極不均勻電場(chǎng)的氣體放電

⑵存在極性效應(yīng)在極不均勻場(chǎng)中，氣體間隙的擊穿電壓與曲率大的電極極性有很大關(guān)系，這就是極性效應(yīng)。出現(xiàn)極性效應(yīng)的原因是當(dāng)大曲率電極的極性不同時(shí)，碰撞游離產(chǎn)生的空間電荷所起的作用不同造成的。下面以棒——板間隙為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說明2023/2/331正棒——負(fù)板間隙空間電荷加強(qiáng)了棒極前方朝向板極方向的電場(chǎng)，削弱了緊靠棒極附近的電場(chǎng)，促使其電暈起始電壓較高，但流注向前發(fā)展更容易，擊穿更易實(shí)現(xiàn)，故其擊穿電壓較棒極為負(fù)時(shí)低。2023/2/332負(fù)棒——正板間隙空間電荷削弱了棒極前方朝向板極方向的電場(chǎng)，加強(qiáng)了緊靠棒極附近的電場(chǎng)，促使其電暈起始電壓較低，但流注向前發(fā)展受到抑制，整個(gè)間隙擊穿較困難，故其擊穿電壓比棒極為正時(shí)高得多。2023/2/3333.極不均勻電場(chǎng)的氣體放電⑶極不均勻電場(chǎng)氣隙放電特點(diǎn)無論棒極的極性如何，放電總是從棒極開始。棒極極性不同時(shí)，空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用不同。工頻電壓下，棒——板間隙的擊穿總是在棒極為正、電壓達(dá)到幅值時(shí)發(fā)生。2023/2/3344.沖擊電壓作用下氣體的放電特性⑴標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形：波前/波長=τ1/τ2為1.2±0.3/50±0.2(μs)

2023/2/335⑵伏秒特性氣隙在雷電沖擊電壓作用下的擊穿存在放電時(shí)延，即：放電時(shí)延統(tǒng)計(jì)時(shí)延放電形成時(shí)延2023/2/336⑵伏秒特性通常把作用在間隙上的電壓最大值與放電時(shí)間的關(guān)系曲線稱為伏秒特性形曲線。由于放電時(shí)間的分散性，伏秒特性曲線是一個(gè)帶狀區(qū)域。2023/2/337⑵伏秒特性間隙的伏秒特性與極間電場(chǎng)均勻程度有關(guān)，電場(chǎng)越均勻，伏秒特性越平坦，反之則越陡峭。伏秒特性廣泛應(yīng)用于絕緣配合。2023/2/338⑶50%沖擊放電電壓氣隙在沖擊電壓作用下，導(dǎo)致氣隙擊穿概率為50％的沖擊電壓幅值稱為50%沖擊放電電壓。工程上用50%沖擊放電電壓來表示氣隙在沖擊電壓下的基本耐電特性。2023/2/3395.提高氣體擊穿電壓的措施提高氣體間隙擊穿電壓的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是改善電場(chǎng)分布使其盡量均勻；另一個(gè)是采取措施盡可能地削弱氣體間隙中的游離過程。A.改善電極形狀及表面狀態(tài)。B.在極不均勻電場(chǎng)中采用極間障。C.采用高氣壓氣體。D.采用高真空氣體。E.采用高電氣強(qiáng)度氣體（SF6）。2023/2/3406.沿面放電定義：沿著固體介質(zhì)表面的氣體放電稱為沿面放電，俗稱閃絡(luò)。沿面閃絡(luò)電壓通常比相同距離的純空氣間隙的擊穿電壓低，且受固體絕緣表面狀態(tài)、污穢程度、氣候條件等因素影響很大。不同絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)閃絡(luò)電壓的影響絕緣子的污閃及其預(yù)防（絕緣表面狀態(tài)與環(huán)境條件對(duì)沿面閃絡(luò)的影響）2023/2/341絕緣子的污閃及其預(yù)防被污染的絕緣子在電壓作用下發(fā)生沿面閃絡(luò)稱為污穢閃絡(luò)，簡(jiǎn)稱污閃，其閃絡(luò)電壓稱為污閃電壓。在霧、露、雪、毛毛雨等氣候條件下，絕緣子最可能發(fā)生污閃，有時(shí)甚至在工作電壓下就會(huì)發(fā)生污閃。污閃事故的特點(diǎn)是時(shí)間長，一般不能用自動(dòng)重合閘消除，造成停電，檢修恢復(fù)的時(shí)間較長。2023/2/342絕緣子的污閃及其預(yù)防污閃發(fā)展過程：絕緣表面的污穢層受潮→泄漏電流↑→發(fā)熱局部烘干→局部放電→干燥區(qū)域擴(kuò)大→出現(xiàn)兩種可能：當(dāng)污穢較輕或絕緣子的泄漏距離（簡(jiǎn)稱爬距）較長，其串聯(lián)濕潤部分的電阻還比較大，干燥區(qū)域擴(kuò)大將使泄漏電流減小，其承擔(dān)的電壓不足以維持這樣長的局部放電時(shí)，放電熄滅；當(dāng)承擔(dān)的電壓、電弧電流能維持不斷增長的局部放電電弧時(shí)，可發(fā)展為閃絡(luò)，否則，局部電弧熄滅。2023/2/343絕緣子的污閃及其預(yù)防防止絕緣子污閃的措施：采用防污型絕緣子或增加絕緣子數(shù)目來增加泄漏比距；對(duì)污穢絕緣子定期進(jìn)行清掃保持絕緣子表面清潔；在絕緣子表面涂憎水性材料，如有機(jī)硅脂、地蠟等；采用半導(dǎo)體釉絕緣子。2023/2/344（三）液體介質(zhì)的擊穿1.變壓器油的擊穿過程——“小橋”理論變壓器油中的雜質(zhì)包括水、氣泡、纖維、碳粒等雜質(zhì)“小橋”的形成：雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下，極化、定向排列、形成雜質(zhì)“小橋”。泄漏電流↑→發(fā)熱→使油分解、水分汽化→形成氣泡→沿“小橋”擊穿。2023/2/345（三）液體介質(zhì)的擊穿2.影響變壓器油擊穿電壓的因素⑴雜質(zhì)：影響很大，且油純凈度越高和電場(chǎng)越均勻，影響越大。⑵溫度：溫度對(duì)含有水分的油有影響。參見Page27圖1-27。⑶電場(chǎng)均勻程度：⑷電壓作用時(shí)間：對(duì)含有雜質(zhì)的油影響較大。2023/2/346（三）液體介質(zhì)的擊穿3.提高變壓器油擊穿電壓的措施途徑有