液體、固體電介質特性.ppt

1、高電壓技術,高電壓工程系 林福昌 ,2,第7講 液體、固體電介質的絕緣特性（二）,3,上一講回顧,電介質的極化r 電子式，離子式彈性，無能量損耗 偶極子式非彈性，有能量損耗 夾層式極化復合絕緣中 空間電荷極化高頻下不存在 電介質的電導電荷在電場下的運動 吸收現(xiàn)象容性電流，電導電流，吸收電流 絕緣電阻,4,液體中極化發(fā)展快，吸收電流衰減快 電導構成：離子電導、電泳電導 非極性電介質的電阻率 1018cm 弱極性電介質的電阻率 1015cm 極性電介質的電阻率 1010cm1012cm，由于損 耗太大，實際上不使用 強極性如水、乙醇等實際上已是離子性導電液，不能用作絕緣材料 離子性電導隨溫度的升高

2、而增加,液體電介質的電導,5,分成三個區(qū)域 區(qū)域1：液體電介質的電導在電場比較小的情況下，遵循歐姆定律 區(qū)域2：隨著場強的增大，與氣體相似，有一平坦區(qū)域 區(qū)域3：場強繼續(xù)增大超過某一極限解離、逸出、碰撞電離，最終擊穿,液體電介質中電壓電流特性,6,結構緊密，潔凈的離子性電介質，電阻率為1017cm1019cm 結構不緊密且含單價小離子的離子性電介質的電阻率僅達1013cm1014cm 非極性或弱極性介質主要由雜質離子造成電導。純凈介質的電阻率可達1017cm1019cm 偶極性電介質，因本身能解離，此外還有雜質離子共同決定電導，故電阻率較小，較佳者可達1015cm1016cm,固體介質的電阻率

3、,7,分三個區(qū)域 區(qū)域1：符合歐姆定律，也稱低場強領域 區(qū)域2：電流隨場強非線性增加 區(qū)域3：出現(xiàn)破壞先導電流 區(qū)域2、3也稱高場強領域。和液體、氣體不同，固體中的電壓電流特性沒有飽和狀態(tài),固體電介質的電壓電流特性,帶電粒子產(chǎn)生：晶格缺陷，解離，泊爾弗侖開爾效應,8,固體介質的表面電導 固體介質除了體積電阻外，還存在表面電導。干燥清潔的固體介質的表面電導很小，表面電導主要由表面吸附的水分和污物引起。介質吸附水分的能力與自身結構有關，所以介質表面電導也是介質本身固有的性質,9,2.1.3 電介質的損耗,損耗,極化損耗（DC下無）,電導損耗（DC、AC都有）,10,一、介質損耗角正切（tg ),：

4、泄漏電流，由電導引起 ：吸收電流，也叫極化電流，由極化引起 ：電容電流,11,介質損耗正切角（tg ）并聯(lián)等值電路,介損：,損耗功率：,12,定義 為介質損失角，是功率因數(shù)角 的余角 介質損失角正切值tg ，如同r 一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關，可以方便地表示介質的品質,13,串聯(lián)等值電路,14,氣體介質的損耗 氣體介質極化率小，損耗極?。╰g 10-8。所以常用氣體（如空氣，N2；CO2，SF6等）作為標準電容器的介質 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,二、不同介質的損耗,15,中性液體、固體電介質中的損耗主要由漏導決定（極化為無損的） 介質損耗與

5、溫度、電場強度等因素的關系決定于電導與這些因素之間的關系,液體和固體電介質中的損耗,中性液體或中性固體電介質的tg與溫度的關系,中性液體或中性固體電介質的tg與電場的關系,16,極性液體介質中的損耗主要包括電導式損耗和電偶式損托兩部分 損耗與溫度、頻率等因素有較復雜的關系 中性固體介質如石蠟、聚苯乙烯等，其損耗主要由電導引起，通常很小，在高頻下也可使用 極性的纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機材料（聚氯乙烯、有機玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等）， tg 值較大，高頻下更為嚴重。與溫度、頻率的關系與極性液體相似,17,介質損耗正切角（tg ),18,三、影響tg 的主要因素 之一：溫度,tg和

6、溫度的關系,tt2:極化減弱，電導上升，電導占主導 當f增加時，極化程度降低，因此需要提高溫度（減小粘度）才能達到最大值。,19,不均勻結構的電介質 如：電機絕緣中用的云母制品（是云母和紙或布以及環(huán)氧樹酯所組合的復合介質）和油浸紙、膠紙絕緣等。 不均勻結構的電介質的tg 取決于其中各成分的性能和數(shù)量間的比例,峰值可能由紙 極化損耗引起,峰值可能由復合膠 極化損耗引起,20,影響tg 的主要因素之二：頻率,當頻率不太高時，隨 f 增加，偶極子轉向加快，損耗增加 當頻率大過某一值后，偶極子來不及轉向，損耗減小,tg和頻率的關系,21,影響tg 的主要因素之三：外加電壓,外加電壓低， 總損耗電導損耗

7、極化損耗 外加電壓超過U0時，介質內(nèi)部開始出現(xiàn)局部放電，消耗電離能 總損耗電導損耗極化損耗電離損耗,tg和外加電壓的關系,22,四、討論介質損耗的意義,在進行絕緣結構設計時，必須注意絕緣材料的tg值，如果過大而引起嚴重發(fā)熱，將使材料容易劣化，故盡可能選擇tg較小的材料。 當絕緣受潮或惡化時，tg會急劇增大，因此經(jīng)常監(jiān)測tg值并進行對比，可判斷絕緣的狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題。 通過測量tgU的關系曲線，可判斷絕緣內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電。 介質損耗引起的介質發(fā)熱有時也可以利用，例如利用介質損耗發(fā)熱來加速干燥過程。,23,液體電介質 ：純凈的液體電介質 工程用液體電介質 擊穿機理：電擊穿理論、氣泡擊穿理論

8、 （小橋擊穿理論）,2.2 液體電介質的擊穿,24,（一） 電擊穿理論 主要用于純凈液體的擊穿解釋 機理：對于純凈的液體，由陰極通過熱發(fā)射或者強場發(fā)射出來的電子，碰撞液體分子，產(chǎn)生碰撞電離，并形成電子崩，電流大到一定值后，液體擊穿。 液體的分子密度很高，因此電子的 很小，擊穿電壓就很高。 類似于湯遜放電理論,一、液體擊穿理論,25,（二）氣泡擊穿理論（小橋理論）,主要用于工程用液體電介質 機理： 1）液體中的氣泡先發(fā)生放電，產(chǎn)生的帶電粒子 撞擊液體分子，使之分解，又產(chǎn)生氣泡。氣 泡逐漸增，形成貫通兩級的“小橋”通道。 2）液體中的雜質（水、纖維）極化，并沿電場 方向排列，逐漸形成小橋。雜質的電

9、導大， 引起泄漏電流增大，溫度升高，水分氣化， 形成氣泡，貫通兩級后，擊穿。,26,氣泡的產(chǎn)生原因,（1）大氣 （2）電場導致： 場致發(fā)射形成的電子電流對液體的加熱、分解 電子碰撞、液體分子分解 靜電排斥使氣泡變大 局部電暈放電使液體氣化,27,二、影響液體電介質擊穿的主要因素,自身品質 溫度 電壓作用時間 電場均勻度 壓力,28,影響因素（1）：自身品質,總的來說，雜質多，擊穿電壓減低。 水分的影響： 纖維的影響：,擊穿電壓與含水量的關系,均勻電場：纖維越多， 擊穿電壓越低 不均勻電場：高場強處 發(fā)生的局放擾動液體 ，不易形成小橋，雜 質影響小 沖擊電壓：作用時間短 ，也不易形成小橋。,29

10、,標準油杯,用標準油杯來檢查油的質量 平板電極間電場均勻，油中稍有受潮、含雜，擊穿電壓就明顯下降 規(guī)程規(guī)定用來灌注高壓 電力變壓器等的變壓器油，在此油杯中的工頻擊穿電壓要求在2540kV以上(與設備的額定電壓有關)；灌注高壓電纜和電容器的用油，在油杯中的擊穿電壓常要求在50或 60kV以上,30,影響因素（2）：溫度,干燥的變壓器油：擊穿電壓隨溫度升高而單調(diào)降低； 受潮的變壓器油：當溫度在5以下時，油很稠，小橋排列困難；在060，油中的懸浮狀態(tài)的水分隨溫度升高轉變?yōu)槿诮鉅顟B(tài)，擊穿電壓升高；溫度更高時，油中水分開始氣化，產(chǎn)生氣泡，易形成小橋，又使擊穿電壓降低。,擊穿電壓與溫度的關系較復雜，隨液體

11、介質的品質、電場的均勻程度、電壓形式的不同而不同。,31,影響因素（3）：電壓作用時間,擊穿電壓隨加壓時間的增加而下降。當液體介質的純凈度及溫度提高時，電壓作用時間對擊穿電壓的影響減小。 經(jīng)過長時間工作后，液體介質的擊穿電壓會緩慢下降，這是由于介質劣化、雜質增多等因素造成的。,32,極不均勻電場中變壓器油的伏秒特性曲線 (虛線表示未經(jīng)研究的區(qū)域),33,影響因素（4）：電場均勻程度,高純凈度液體：改善電場的均勻程度能使工頻或直流電壓下的擊穿電壓明顯提高。 品質較差的液體介質：因雜質的聚集和排列已使電場畸變，因而改善電場分布提高擊穿電壓的作用并不明顯。,工頻擊穿電壓的分散性在極不均勻電場中不超過

12、5，而在均勻電場中可達3040,34,影響因素（5）：壓力,擊穿電壓隨壓力的增大而升高氣體在油中的溶解度增大，氣泡數(shù)量減少，且氣泡的局部放電起始電壓也提高。油經(jīng)過脫氣之后，壓力對擊穿電壓的影響減少。,35,三、提高液體電介質擊穿電壓的方法,提高以及保持油的品質過濾、防潮、脫氣 油和固體電介質組合 覆蓋層 絕緣層 屏障,36,氣、固、液三種電介質中，固體密度最大，耐電強度最高 空氣的耐電強度一般在3 4 kV/mm左右； 液體的耐電強度在10 20 kV/mm； 固體的耐電強度在十幾 幾百kV/mm 固體電介質的擊穿過程最復雜，且擊穿后是唯一不可恢復的絕緣 普遍規(guī)律：任何介質的擊穿總是從電氣性能

13、最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷可指電場的集中，也可指介質的不均勻性,2.3 固體電介質的擊穿,37,38,一、固體電介質的擊穿過程,1. 固體電介質擊穿特性的劃分 區(qū)域A：擊穿時間小于10s 的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓隨擊穿時間的縮短而提高。類似于氣體介質擊穿的伏秒特性 區(qū)域B：擊穿時間在100.2 s范圍的區(qū)域，此范圍內(nèi)擊穿電壓恒定，與時間無關 這兩個區(qū)域內(nèi)的擊穿都具有電擊穿的性質,電工紙板的擊穿電壓 與電壓作用時間的關系,39,1. 固體電介質擊穿特性的劃分 區(qū)域C：擊穿電壓隨擊穿前時間的增加而明顯下降，具有熱擊穿的特點 區(qū)域D ：C區(qū)以外,電工紙板的擊穿電壓 與電壓作用時間的關系,A

14、、B 區(qū)：屬于電擊穿 C 區(qū)：屬于熱擊穿 D 區(qū)：為電化學擊穿、電老 化，擊穿時間在幾十 個小時以上，甚至幾年,40,電擊穿理論建立在固體電介質中發(fā)生碰撞電離基礎上，固體電介質中存在少量傳導電子，在電場加速下與晶格結點上的原子碰撞，從而導致?lián)舸?電擊穿的特點：電壓作用時間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與環(huán)境溫度無關，與電場均勻程度有密切關系，與電壓作用時間關系很小。 當固體電介質的介質損耗很小、有良好的散熱條件，且內(nèi)部不存在局部放電，這種情況下發(fā)生的擊穿通常是電擊穿。其擊穿場強一般可達105106kVm 。,二、 擊穿理論（1）電擊穿理論,41,碰撞電離引起擊穿的解釋,固有擊穿理論單位時間內(nèi)傳導電子從電場獲得的能量與因碰撞而失去的能量不平衡而引起擊穿 電子崩擊穿理論傳導電子由電場得到了可使晶格原子電離的能量，產(chǎn)生了電子崩，當電子崩發(fā)展到足夠強時（d足夠大），引起固體介質擊穿,42,擊穿理論（2）熱擊穿理論,介質內(nèi)部的熱不平衡過程所造成的。電導電流和介質極化引起介質損耗，使介質發(fā)熱，介質溫度升高，而介質的電導率隨溫度的升高而急劇增大，所以電流進一步增大，損耗、發(fā)熱也隨之增加。發(fā)熱和散熱的不平衡導致。 熱擊穿的特點：擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高按指數(shù)規(guī)律降低；擊穿電壓與散熱條件有關，如介質厚度大，則散熱困難，因此擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加；