第三章 液體和固體介質(zhì)的電氣特性

液體和固體介質(zhì)的電氣特性主講人：高宇高電壓與絕緣技術(shù)實驗室天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性引言液體介質(zhì)的應(yīng)用第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性引言固體介質(zhì)的應(yīng)用第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性引言固體介質(zhì)的應(yīng)用第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性引言液體-固體組合絕緣第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性引言絕緣破壞引發(fā)事故第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性引言介質(zhì)的哪些特性值得關(guān)注極化特性：指介電常數(shù)ε損耗特性：介損tgδ電氣傳導(dǎo)特性：載流子移動電氣擊穿特性：擊穿機理、劣化、電壓--時間特性曲線V–t等，擊穿電壓UC或擊穿場強EC第3章液體和固體介質(zhì)的電氣特性3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗3.2液體介質(zhì)的擊穿3.3固體介質(zhì)的擊穿3.4組合絕緣的電氣強度高電場低電場3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化二、電介質(zhì)的電導(dǎo)三、電介質(zhì)的損耗3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化

極化概念：電場作用下，介質(zhì)的束縛電荷相應(yīng)于電場方向產(chǎn)生的取向現(xiàn)象。

1、極化概念3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化

電子式極化 離子式極化 偶極子極化 夾層極化2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化介質(zhì)類型：所有介質(zhì)建立極化時間：極短，10-1410-15s極化程度影響因素：電場強度（有關(guān)）電源頻率（無關(guān)）溫度（無關(guān)）極化彈性：彈性消耗能量：無

A.電子式極化2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化B.離子式極化介質(zhì)類型：離子型介質(zhì)建立極化時間：極短，10-12~10-13s極化程度影響因素：電場強度（有關(guān)）電源頻率（無關(guān)）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性消耗能量：無2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化C.偶極子極化介質(zhì)類型：極性介質(zhì)建立極化時間：10-610-2s極化程度影響因素：

電場強度（有關(guān)） 電源頻率（有關(guān)） 極化彈性：非彈性消耗能量：有2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化D.夾層極化夾層介質(zhì)界面極化概念：當(dāng)t=0:

當(dāng)t=∞:2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

一般有電荷重新分配，在兩層介質(zhì)的交界面處有積累電荷夾層界面上電荷的堆積是通過介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，介質(zhì)的電導(dǎo)很小，夾層極化時間較長。一、電介質(zhì)的極化D.夾層極化2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化介質(zhì)類型：不均勻夾層介質(zhì)中建立極化時間：很長極化程度影響因素：電場強度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有

D.夾層極化2、極化類型3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化相對介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量真空介質(zhì)3、極化程度表征3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對介電常數(shù)都接近1氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小3、極化程度表征氣體介質(zhì)的介電常數(shù)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化環(huán)境條件20℃,1atm氣體種類相對介電常數(shù)氦1.000072氫1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空氣1.00059部分氣體的相對介電常數(shù)3、極化程度表征氣體介質(zhì)的介電常數(shù)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化非極性和弱極性電介質(zhì)：如石油、苯、硅油等；r1.82.5極性電介質(zhì)：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等；r26強極性電介質(zhì)：如酒精、水等；r>10，用作電容器浸漬劑。液體介質(zhì)的介電常數(shù)3、極化程度表征3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化非極性和弱極性固體電介質(zhì)：如PE、PP、PTFE、PS；r在2.02.7范圍;極性固體電介質(zhì)：樹脂、有機玻璃,r較大，一般為3~6離子性電介質(zhì)：如陶瓷，云母等，相對介電常數(shù)r一般在5~8左右固體電介質(zhì)的介電常數(shù)3、極化程度表征3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化討論極化的意義選擇介質(zhì)種類在實際選擇絕緣時，除考慮電氣強度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r

對于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r較大的介質(zhì)對于電纜，為減小電容電流，要選擇r

較小的介質(zhì)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一、電介質(zhì)的極化討論極化的意義多層介質(zhì)的合理配合按照介電常數(shù)分配電場以電纜為例3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)電導(dǎo)：允許電流通過的容易程度的度量，單位為西門子，簡稱西，記作S。

氣體離子的濃度約為500~1000對/cm3電導(dǎo)率：電阻率的倒數(shù)，S/m。1、電導(dǎo)概念3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)液體電介質(zhì)的電導(dǎo)中性介質(zhì)極性介質(zhì)強極性介質(zhì)2、液體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)中性介質(zhì)+-本征分子離解雜質(zhì)荷電粒子電導(dǎo)率：2、液體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)極性介質(zhì)+-離解雜質(zhì)荷電粒子電導(dǎo)率：本征分子2、液體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)強極性介質(zhì)+-電導(dǎo)率：本征分子2、液體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)+-T升高，離解度增大，離子運動阻力減小，電導(dǎo)增大2、液體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)固體電介質(zhì)的電導(dǎo)無機介質(zhì)有機介質(zhì)3、固體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)

結(jié)構(gòu)緊密，潔凈的離子型電介質(zhì)，電導(dǎo)率為結(jié)構(gòu)不緊密，含單價小離子的離子型電介質(zhì)的電導(dǎo)率無機介質(zhì)3、固體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)

中性介質(zhì)：極性介質(zhì)有機介質(zhì)溫度對固體介質(zhì)電導(dǎo)的影響3、固體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)接地高壓濕度親水性污穢3、固體介質(zhì)的電導(dǎo)3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗二、電介質(zhì)的電導(dǎo)討論電導(dǎo)的意義絕緣預(yù)防性試驗的理論依據(jù)(測量絕緣電阻)絕緣配合時，選擇合適的電導(dǎo)率，實現(xiàn)各層之間的合理分壓關(guān)注固體介質(zhì)表面電導(dǎo)的影響，注意親水性材料的表面防水處理3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗類比：線損介質(zhì)損耗的一般概念外電場作用下，電介質(zhì)產(chǎn)生的有功損耗。介質(zhì)損耗直流交流電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗極化損耗1、介質(zhì)損耗的概念3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的等效電路電介質(zhì)中的電流和電壓矢量2、介質(zhì)等效電路吸收電流3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗并聯(lián)等值電路—更加一般的模型(工程分析經(jīng)常使用)2、介質(zhì)等效電路3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗定義為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角的余角介質(zhì)損失角正切值tg

，如同r

一樣，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)2、介質(zhì)等效電路3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗串等值電路2、介質(zhì)等效電路3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗3、氣體電介質(zhì)中的損耗氣體介質(zhì)的tg與電場的關(guān)系示意圖3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗中性液體電介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定4、液體電介質(zhì)中的損耗中性液體介質(zhì)的tg與溫度的關(guān)系示意圖

3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)式損耗和偶極子極化損耗兩部分松香油的tg

與溫度的關(guān)系4、液體電介質(zhì)中的損耗3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗固體介質(zhì)無機有機結(jié)構(gòu)緊密結(jié)構(gòu)不緊密極小較大中性極小極性較大5、固體電介質(zhì)中的損耗3.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗三、電介質(zhì)的損耗討論介質(zhì)損耗的意義介損熱熱老化熱擊穿3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論二、變壓器油的擊穿過程及特點液體擊穿理論影響因素提高方法三、變壓器油擊穿電壓影響因素及提高方法3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論電子碰撞電離理論氣泡擊穿理論3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論電子碰撞電離理論陰極陽極3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論電子碰撞電離理論特點與氣體擊穿過程相似電子自由行程小3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論電子碰撞電離理論影響因素液體密度液體溫度EE3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論氣泡擊穿理論陰極陽極3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論氣泡擊穿理論特點電和熱的過程3.2液體介質(zhì)的擊穿一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論氣泡擊穿理論影響因素液體壓力E3.2液體介質(zhì)的擊穿二、變壓器油的擊穿過程及特點小橋擊穿理論陰極陽極3.2液體介質(zhì)的擊穿二、變壓器油的擊穿過程及特點小橋擊穿理論陰極陽極3.2液體介質(zhì)的擊穿二、變壓器油的擊穿過程及特點液體擊穿測試方法80~240kV/cm3.2液體介質(zhì)的擊穿三、影響變壓器油擊穿的主要因素1.油的品質(zhì)含水量含纖維量含碳量含氣量3.2液體介質(zhì)的擊穿三、影響變壓器油擊穿的主要因素1.油的品質(zhì)含水量3.2液體介質(zhì)的擊穿三、影響變壓器油擊穿的主要因素1.油的品質(zhì)含纖維量吸濕小橋擊穿含碳量增強局部電場吸附水分、氣體含氣量氣泡析出小橋擊穿氣體與油反應(yīng)氧化、老化3.2液體介質(zhì)的擊穿三、影響變壓器油擊穿的主要因素標準油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系1-干燥的油；2-受潮的油2.溫度3.2液體介質(zhì)的擊穿三、影響變壓器油擊穿的主要因素稍不均勻電場中變壓器油的伏秒特性曲線3.電壓作用時間3.2液體介質(zhì)的擊穿三、影響液體介質(zhì)擊穿的主要因素變壓器油工頻擊穿電壓與壓力的關(guān)系4.油壓的影響3.3固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿事故固體介質(zhì)在電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛擊穿事故頻發(fā)，損失巨大3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論固體介質(zhì)擊穿氣體介質(zhì)擊穿液體介質(zhì)擊穿熔化燒穿裂紋3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論固體介質(zhì)擊穿電擊穿熱擊穿電化學(xué)擊穿局部放電樹枝狀擊穿漏電起痕3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿陰極陽極切斷碰撞電離3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿特點擊穿場強高、時間短與環(huán)境溫度無關(guān)介質(zhì)發(fā)熱不顯著3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿發(fā)生的場合介質(zhì)電導(dǎo)小、散熱條件很好、內(nèi)部無局部放電時發(fā)生3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論熱擊穿陰極陽極+-+-+-熱效應(yīng)熔化、燒穿、碳化3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論熱擊穿的影響因素介質(zhì)損耗導(dǎo)熱、散熱系數(shù)介質(zhì)厚度環(huán)境溫度3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電化學(xué)擊穿陰極陽極電、光、熱切斷、氧化、碳化擊穿局部放電3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電化學(xué)擊穿局部放電局部放電劣化過程有機/無機不可逆性3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電化學(xué)擊穿電樹枝擊穿高場強下形成的電致裂紋現(xiàn)象物理化學(xué)機械3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電化學(xué)擊穿漏電痕跡濕污漏流干燥帶電弧碳化漏流增大新干燥帶碳化加劇擊穿高壓接地3.3固體介質(zhì)的擊穿一、固體介質(zhì)的擊穿理論電化學(xué)擊穿漏電痕跡漏電痕跡氣壓溫度介質(zhì)種類濕污程度3.3固體介質(zhì)的擊穿二、固體介質(zhì)擊穿電壓的影響因素電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)系

電壓作用時間3.3固體介質(zhì)的擊穿二、固體介質(zhì)擊穿電壓的影響因素溫度3.3固體介質(zhì)的擊穿二、固體介質(zhì)擊穿電壓的影響因素受潮受潮介損增大熱擊穿擊穿電壓下降不易吸潮PE、PTFE易吸潮纖維材料（棉紗、紙）3.3固體介質(zhì)的擊穿二、固體介質(zhì)擊穿電壓的影響因素累積效應(yīng)過電壓（雷擊、操作）電壓較低或作用時間較短局部擊穿、碳化、熔化日積月累，貽害絕緣3.4組合絕緣的電氣強度為何要采用組合絕緣？單種絕緣，各類性能難以完善（機械、耐熱、電氣）。如GIS母線支撐絕緣子。組合絕緣：采各家之長，補各家之短。理想/原則：讓組合絕緣中的電場按照各個介質(zhì)的電氣強度分布。3.4組合絕緣的電氣強度本節(jié)主要介紹的組合絕緣類型油-屏障絕緣油浸紙絕緣分階絕緣3.4組合絕緣的電氣強度一、油—屏障式絕緣1、覆蓋材料：1mm的固體絕緣薄層。漆膜、膠紙帶、漆布帶作用機理：阻礙雜質(zhì)小橋中熱擊穿的發(fā)展適用情況：油品質(zhì)越差，覆蓋層的效果越顯著覆蓋覆蓋3.4組合絕緣的電氣強度一、油—屏障式絕緣2、絕緣層材料：厚可達幾十毫米作用機理：阻礙小橋形成、改善電場適用情況：不均勻電場中（變壓器高壓引線和屏蔽環(huán)、充油套管的導(dǎo)電桿包有絕緣層）絕緣層絕緣層3.4組合絕緣的電氣強度一、油—屏障式絕緣2、絕緣層材料：厚度為2~7mm的固體絕緣板，紙板、膠紙、膠布層壓板作用機理：能機械地阻隔雜質(zhì)小橋改善電場分布適用情況：不均勻電場中效果顯著較均勻電場中也有效果屏障+-----------3.4組合絕緣的電氣強度二、油紙絕緣紙：帶有空隙，易吸潮；經(jīng)油浸泡后，電氣強度可大增，其組合絕緣強度可達500-600kV/cm，遠大于絕緣各自的擊穿強度。油紙絕緣電纜3.4組合絕緣的電氣強度三、分階絕緣均勻介質(zhì)雙層電場模型3.4組合絕緣的電氣強度平行平板電極間距離為