電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù)

1、221221第一章 電介質(zhì)的電氣性能本章提要本章討論電介質(zhì)在電壓(電場)作用下發(fā)生的極化、電導(dǎo)、損耗和擊穿特性, 這是電介質(zhì)的基本電氣特性。這四種電氣特性可分別用介電系數(shù)、 電導(dǎo)率(或電阻率)、介質(zhì)損失角正切tg、擊穿場強(qiáng)EB 來表征, 其參數(shù)值的大小表征了電介質(zhì)在電壓(電場)作用下發(fā)生極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿過程程度的強(qiáng)弱。本章還討論了影響這些電氣性能的各種因素以及為提高擊穿強(qiáng)度可采取的措施。本章最后討論了電介質(zhì)在電、熱、化學(xué)、機(jī)械等因素長期作用下發(fā)生的老化過程。本章的討論為后面各章針對這些電氣性能進(jìn)行的測試與試驗(yàn)打下了理論基礎(chǔ)。1-1 電介質(zhì)的基本概念根據(jù)導(dǎo)電的難易程度,物質(zhì)可分為三類,即容

2、易導(dǎo)電的導(dǎo)體、不導(dǎo)電的絕緣體和介于導(dǎo)體與絕緣體之間的半導(dǎo)體。為了把不同電位導(dǎo)體間的電壓(電位差)保持住(即不把電漏掉), 就要采用絕緣材料在不同電位導(dǎo)體之間進(jìn)行電氣上的隔離,這就是電氣絕緣。用作電氣絕緣的材料稱為絕緣介質(zhì)或電介質(zhì) (dielectrics)。電介質(zhì)按其化學(xué)性質(zhì)可分為無機(jī)電介質(zhì)(如電瓷、云母等)和有機(jī)電介質(zhì)(如聚乙烯、環(huán)氧樹脂等)按形態(tài)可分為氣體電介質(zhì)、液體電介質(zhì)和固體電介質(zhì)。使用得最多的氣體電介質(zhì)是空氣,例如架空輸電線路各相導(dǎo)線對地以及各相導(dǎo)線之間,除了采用固體電介質(zhì)(絕緣子)外,還利用了空氣作為絕緣介質(zhì)。SF6氣體作為一種絕緣性能優(yōu)良的氣體電介質(zhì)被廣泛用于斷路器、氣體絕緣封閉

3、組合電器GIS(Gas Insulated Switchgear)中。在液體電介質(zhì)中,使用最多的是變壓器油、電容器油和電纜油, 除用作絕緣介質(zhì)外,液體電介質(zhì)還兼作冷卻介質(zhì)(在油浸式電力變壓器中)和滅弧介質(zhì)(在油斷路器中)。在電氣設(shè)備中,固體電介質(zhì)用得最多,這是因?yàn)楣腆w電介質(zhì)除了用作絕緣外、還起到必須的支承帶電導(dǎo)體的作用。常用的固體電介質(zhì)有絕緣紙、絕緣紙板、塑料薄膜、云母(都作設(shè)備內(nèi)絕緣)、環(huán)氧樹脂(干式變壓器絕緣)、電瓷、(鋼化)玻璃和合成材料如硅橡膠(用于外絕緣)。在實(shí)際應(yīng)用中, 常將不同形態(tài)的電介質(zhì)組合起來使用,如油浸紙絕緣就是采用了液固體電介質(zhì)的組合。當(dāng)作用于電介質(zhì)上的電壓(更確切地說是

4、電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度)增大到某個(gè)臨界值時(shí), 流過電介質(zhì)的電流就會急劇增大,說明此時(shí)電介質(zhì)已失去絕緣性能而成為導(dǎo)體,電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱己脤?dǎo)電狀態(tài)的過程稱為擊穿(breakdown)。發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電場強(qiáng)度(kV/cm)稱為擊穿場強(qiáng)或絕緣強(qiáng)度(其值與電介質(zhì)的材料有關(guān)),發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電壓稱為擊穿電壓(kV)(其值與電介質(zhì)的材料及厚度有關(guān))。固體電介質(zhì)一旦擊穿，將永久性地喪失絕緣性能。而氣體、液體電介質(zhì)擊穿后則只引起絕緣性能的暫時(shí)性失去，擊穿后撤去電壓,其絕緣性能能夠自行恢復(fù),例如SF6斷路器滅弧室內(nèi)SF6氣體,在斷路器分閘引起的電弧熄滅后,能自行恢復(fù)原來的絕緣性能。液體、固體電介質(zhì)具有一個(gè)

5、不同于氣體電介質(zhì)的特點(diǎn),就是在電壓(電場)、熱、化學(xué)、機(jī)械(應(yīng)力)等因素長期作用下會逐漸老化(即電氣絕緣性能不可逆地劣化),使它們的物理、化學(xué)及各種電氣參數(shù)發(fā)生改變,從而影響電氣絕緣強(qiáng)度與絕緣壽命。當(dāng)作用電場強(qiáng)度不高(相對于擊穿場強(qiáng))時(shí)，電介質(zhì)會發(fā)生極化、電導(dǎo)過程, 與此同時(shí)存在能量損耗；而當(dāng)作用電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng)時(shí),則電介質(zhì)就發(fā)生擊穿。1-2 電介質(zhì)的極化一、 極化的概念與電介質(zhì)的相對介電系數(shù) 1.電介質(zhì)的極化 (polarization)極化是電介質(zhì)在電場(氣體、液體、固體電介質(zhì)上加電壓后就存在電場)作用下發(fā)生的一種物理過程。此物理過程雖在電介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行,但我們可通過此物理過程的外在表現(xiàn)

6、來證實(shí)極化過程的存在。圖1-1中示出的兩個(gè)平行平板電容器,它們的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同。圖 1-1(a)電容器極板間為真空,而圖1-1(b)電容器極板間為固體電介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明,由于極間介質(zhì)的不同,兩者電容量是不同的,而且尺寸結(jié)構(gòu)相同的電容器,真空電容器的電容量是最小的,即圖 1-1(b)電容器的電容量要大于圖 1-1(a)電容器的電容量。圖1-1(a)中,在極板上施加直流電壓U后,兩極板上分別充上電荷量Q= Qo的正、負(fù)電荷。此時(shí) (l-l) (1-2)式中 0真空的介電系數(shù)； A金屬極板的面積；d極板間距離；C0極板間為真空時(shí)的電容量。然后,在極間放入一塊厚度與極間距離相等的固體電介質(zhì),就成為圖1

7、-1(b)所示的電容器,此時(shí)電容器的電容量變?yōu)镃,極板上的電荷量變成Q,有 (1-3) (1-4)式中 固體電介質(zhì)的介電系數(shù)。由于 CC。, 而U不變, 所以 QQo 。這表明放入固體電介質(zhì)后, 極板上的電荷量有所增加。通過下面的分析可知道這是由于固體電介質(zhì)在極板之間的電場作用下發(fā)生了極化所導(dǎo)致的。電介質(zhì)放入極板間,就要受到電場的作用,電介質(zhì)原子或分子結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷在電場力的作用下向兩極分化位移,但仍束縛于原子或分子結(jié)構(gòu)中而不能成為自由電荷。結(jié)果,在介質(zhì)靠近極板的兩表面呈現(xiàn)出與極板上電荷相反的電的極性來,即靠近正極板的電介質(zhì)表面呈現(xiàn)負(fù)的電極性,靠近負(fù)極板的電介質(zhì)表面呈現(xiàn)正的電極性,這些仍保

8、持在電介質(zhì)內(nèi)部的電荷稱為束縛電荷(極化電荷)。正是由于電介質(zhì)靠近極板兩表面出現(xiàn)了束縛電荷,根據(jù)異極性電荷相吸的規(guī)律,就要從電源再吸取等量異極性電荷 Q 到兩極板上,這就導(dǎo)致了Q= Qo+ Q Qo 。所以,極化是電介質(zhì)在電場作用下沿電場方向的電介質(zhì)兩表面呈現(xiàn)電極性 (或出現(xiàn)束縛電荷)的過程。圖1-1電介質(zhì)的極化（a）極板間為真空 （b）極板間為固體介質(zhì)2.相對介電系數(shù) (relative dielectric constant)對于上述平板電容器,放入的電介質(zhì)材料不同,電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱程度也就不同,導(dǎo)致極板上的電荷量Q不同, 因此Q/Qo就表征了在相同情況下不同電介質(zhì)的不同極化程度, 即 r

9、(1-5)式中 電介質(zhì)的相對介電系數(shù),簡稱介電系數(shù)。它表示的是不同電介質(zhì)在電場作用下極化程度的物理量,其物理意義表示金屬極板間放入電介質(zhì)后的電容量(或極板上的電荷量)為極板間為真空時(shí)的電容量(或極板上的電荷量)的倍數(shù)。r值由電介質(zhì)的材料所決定。氣體分子間的間距很大,密度很小,因此各種氣體電介質(zhì)的r均接近于1 。常用的液體、固體介質(zhì)的r大多在26之間。不同電介質(zhì)的r值隨溫度、電源頻率的變化規(guī)律一般是不同的。在工頻電壓下、20 時(shí),一些常用電介質(zhì)的介電系數(shù)見表1-1 。二、 極化的基本形式 雖然極化的結(jié)果都是使電介質(zhì)表面呈現(xiàn)電的極性或者說是出現(xiàn)束縛電荷,由于不同電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同,極化過程所表現(xiàn)

10、的形式也不同。極化的基本形式有以下四種。1.電子式極化圖1-2為電子式極化示意圖,其中圖1-2(a)為極化前電介質(zhì)的中性原子(假設(shè)只有一個(gè)電子),圖1-2(b)為極化后的原子。從圖1-2(b)中可看出, 電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生了變形, 并且有相對于正電荷原子核的位移。這樣,負(fù)電荷的作用中心(橢圓的中心)與正電荷的作用中心不再重合, 這種由電子軌道位移所形成的極化就稱為電子式極化。表1-1 常用電介質(zhì)的介電系數(shù)和電導(dǎo)率材料名稱介電系數(shù)r (工頻,20)電導(dǎo)率(20,-1cm-1)氣體介質(zhì)空氣1.00059 液體介質(zhì) 弱極性變壓器油硅有機(jī)油2.22.22.8 10-1510-12 10-1510-14

11、極性篦麻油氯化聯(lián)苯4.54.65.2 10-1310-12 10-1210-10 固體介質(zhì) 中性石蠟聚苯乙烯聚四氟乙烯1.92.22.42.6210-1610-1510-15 10-1510-15極性松香纖維素膠木聚氯乙烯瀝青2.52.66.54.53.32.62.7 10-1610-1510-14 10-1410-1310-1610-1510-1610-15離子性云母電瓷5767 10-1610-1510-1510-14電子式極化的特點(diǎn)為:(1)極化所需的時(shí)間極短。該時(shí)間約為10-1510-14s,這是由于電子質(zhì)量極小的緣故。因此,這種極化在各種頻率的外電場作用下均能產(chǎn)生,也就是說r不隨頻率

12、而變化。(2)極化時(shí)沒有能量損耗。這種極化具有彈性性質(zhì),即在外電場去掉后,由于正、負(fù)電荷的相互吸引而又自動(dòng)恢復(fù)到原來的狀態(tài),所以在極化過程中無能量損耗。(3)溫度對極化的影響極小。2.離子式極化固體無機(jī)化合物(如云母、玻璃、陶瓷等)的分子結(jié)構(gòu)多數(shù)屬于離子式結(jié)構(gòu),其分子由正、負(fù)離子構(gòu)成。在無外電場作用時(shí),每個(gè)分子中正離子的作用中心(將所有正離子集中于此點(diǎn)時(shí)作用效果相同)與負(fù)離子的作用中心(將所有負(fù)離子集中于此點(diǎn)時(shí)作用效果相同)是重合的,故每個(gè)分子不呈現(xiàn)電的極性,如圖1-3(a)所示。在外電場E作用下,正、負(fù)離子作有限的位移,使兩者的作用中心不再重合,如圖1-3(b)所示。這種由正、負(fù)離子相對位移

13、所形成的極化就稱為離子式極化。 圖1-2 電子式極化示意圖 圖1-3 離子式極化示意圖（a）極化前 （b）極化后 （a）極化前 （b）極化后離子式極化的特點(diǎn)為:(1)極化過程極短。極化時(shí)間約為10-1310-12s, 故極化(或r值)也不隨頻率的不同而變化。(2)極化過程中無能量損耗, 因?yàn)檫@種極化也具有彈性性質(zhì)。(3)溫度對極化有影響。溫度升高時(shí),離子間的結(jié)合力減弱,使極化程度增加；而離子的密度又隨溫度的升高而減小,使極化程度降低。綜合起來,前者影響大于后者,所以這種極化隨溫度升高而增強(qiáng),即r具有正的溫度系數(shù)(r值隨溫度升高而增大)。3.偶極子式極化有些電介質(zhì)的分子,如篦麻油、氯化聯(lián)苯、松香

14、、橡膠、膠木等,在無外電場作用時(shí),其正、負(fù)電荷作用中心是不重合的,這些電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。組成這些極性電介質(zhì)的每一個(gè)分子就成為一個(gè)偶極子(兩個(gè)電荷極)。在沒有外電場作用時(shí),由于偶極子不停的熱運(yùn)動(dòng), 排列混亂,如圖1-4(a)所示, 故電介質(zhì)靠電極的兩表面不呈現(xiàn)電的極性。在外電場作用下, 偶極子受到電場力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向,順電場方向作有規(guī)則的排列,如圖l-4(b)所示,靠電極兩表面呈現(xiàn)出電的極性。這種由于極性電介質(zhì)偶極子式分子的轉(zhuǎn)向所形成的極化就稱為偶極子式極化。圖 1-4 偶極子式極化示意圖 (a) 無外電場時(shí) (b) 有外電場時(shí)偶極子式極化的特點(diǎn)為:(1)極化所需時(shí)間較長。該時(shí)間約為10-

15、1010-2s,故極化與頻率有較大關(guān)系。頻率很高時(shí),由于偶極子的轉(zhuǎn)向跟不上電場方向的改變,因而極化減弱。(2)極化過程中有能量損耗。這種極化屬非彈性性質(zhì),因偶極子在轉(zhuǎn)向時(shí)要克服分子間的吸引力和摩擦力而要消耗能量。(3)溫度對偶極子極化的影響很大。溫度高時(shí),分子熱運(yùn)動(dòng)妨礙偶極子順電場方向排列的作用明顯,極化減弱；溫度很低時(shí),分子間聯(lián)系緊密,偶極子轉(zhuǎn)向困難,極化也減弱。以氯化聯(lián)苯為例,其r 、 、t三者的關(guān)系如圖1-5所示。 圖 1-5 氯化聯(lián)苯的r 與溫度 t 圖 1-6 夾層式極化物理過程示意圖的關(guān)系 （l 2 3） (a) 示意圖 (b )電路分析圖4.空間電荷極化在實(shí)際中,高壓電氣設(shè)備的絕

16、緣常采用幾種不同電介質(zhì)組成復(fù)合絕緣。即便是采用單一電介質(zhì),由于它的不均勻性,也可以看成是由幾種不同電介質(zhì)組成,所以討論這種夾層情況下的空間電荷極化更具現(xiàn)實(shí)意義。下面以平行平板電極間的雙層電介質(zhì)為例來說明夾層式極化的物理過程。如圖1-6(a) 所示, 當(dāng)開關(guān)S合上,兩電介質(zhì)在電場作用下都要發(fā)生極化。根據(jù)此電壓的極性,在兩電介質(zhì)交界面的電介質(zhì)I側(cè),積聚正束縛電荷,交界面的電介質(zhì)側(cè)積聚負(fù)束縛電荷。在開關(guān)S合上瞬間,兩電介質(zhì)上電壓按電容量分配(因此時(shí)容抗遠(yuǎn)小于電阻) (1-6)則 合閘后當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩電介質(zhì)上電壓按電導(dǎo)分配 (1-7)一般, 所以兩電介質(zhì)上電壓將有一個(gè)從按電容分配到按電導(dǎo)分配的過

17、程,此過程就是夾層極化過程。設(shè)，則此過程就是C1上電壓降低, 同時(shí)C2上電壓升高的過程。由于出現(xiàn)夾層極化,使電介質(zhì)分界面兩側(cè)的正、負(fù)束縛電荷不相等以及等值電容增大。由于電介質(zhì)的電導(dǎo)非常小(即電阻非常大),夾層極化過程對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)非常大,夾層極化過程進(jìn)行較緩慢,一般為幾秒,長的達(dá)幾十分鐘。既然分界面上電荷的積聚過程是緩慢的,那么此電荷的釋放過程也將是緩慢的,為此, 具有夾層絕緣的設(shè)備斷開電源后,應(yīng)將其短接進(jìn)行徹底放電,以免危及人身安全。因此,一些大容量電容器在不加電壓時(shí)應(yīng)將其短接就是這個(gè)原因。三、極化過程中電介質(zhì)的等值電路電子式極化和離子式極化都是無損極化,極化過程所需時(shí)間極短,所以發(fā)生這種極

18、化過程時(shí)電介質(zhì)可以采用一純電容C。來等值,如圖1-7(a)所示。偶極子式極化和夾層情況下的空間電荷極化都屬有損極化,而且完成極化過程需要一定的時(shí)間,所以若發(fā)生有損極化時(shí), 電介質(zhì)就要采用ra與Ca相串聯(lián)的電路來等值,如圖1-7(b)所示,其中ra反映了極化過程中的能量損耗,而raCa則反映了極化過程時(shí)間的長短。實(shí)際情況中,電氣設(shè)備的絕緣常采用幾種電介質(zhì)的組合,即相當(dāng)于夾層電介質(zhì)的情況。即便是采用單種電介質(zhì)而且出現(xiàn)電子式或離子式的極化,由于介質(zhì)均勻程度的不同, 或由于含有一些雜質(zhì)(如氣泡)等因素,在極化時(shí)也或多或少存在損耗,因此在極化過程中, 電介質(zhì)一般都采用如圖1-7(c)所示的電路來等值。根

19、據(jù)這個(gè)等值電路,通過電路分析就可知道在直流電壓作用下,經(jīng)過一定時(shí)間后極化過程就結(jié)束；而在交流電壓作用下,極化過程隨電壓極性周期性的改變而反復(fù)進(jìn)行(交替進(jìn)行正向極化與反向極化)。（a） （b） （c）圖 1-7 極化時(shí)電介質(zhì)的等值電路(a) 無損極化時(shí)的等值電路； (b) 有損極化時(shí)的等值電路； (c) 兼有無損、有損極化時(shí)的等值電路四、相對介電系數(shù)在工程應(yīng)用上的意義1.選擇合適介電系數(shù)值的電氣設(shè)備絕緣材料選擇電容器的絕緣材料時(shí),要選值大一些的材料,這樣所制造的單位電容量的電容器質(zhì)量和大小尺寸就可以減小。選擇一般電氣設(shè)備絕緣材料時(shí),一般選值小一些的材料。例如:采用值小的絕緣材料作交流電力電纜的絕

20、緣,可減小充電電流以及可降低因極化引起的發(fā)熱損耗；在電機(jī)定子繞組出槽口以及套管等場合選用值小的絕緣材料,則不易出現(xiàn)沿這些絕緣介質(zhì)表面的放電。2.采用組合絕緣時(shí)選擇介電系數(shù)合理搭配的絕緣材料通常高壓電氣設(shè)備的絕緣常由幾種絕緣介質(zhì)組合而成。在交流電壓作用下,多層串聯(lián)電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度與介電系數(shù)成反比,因此要注意各電介質(zhì)值的合理搭配,以使各電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度比較合理。例如:在固體電介質(zhì)中存在氣泡時(shí),由于氣泡的電場強(qiáng)度Eq 與固體電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度Eg 之比Eq/ Eg =g/q，使氣泡中的電場強(qiáng)度Eq 可達(dá)數(shù)倍于固體電介質(zhì)中的場強(qiáng)Eg 而導(dǎo)致在氣泡中出現(xiàn)放電(局部放電)；因電纜絕緣中越靠近線芯地方的

21、電場強(qiáng)度越大,所以電纜絕緣采用多層不同絕緣材料時(shí),選用值大的內(nèi)層絕緣(相比于外層絕緣)就可以改善電場分布的不均勻程度。3.通過測值來判斷絕緣材料的受潮情況及含氣泡的多少很大(值為80)的水分侵入絕緣材料后可使其值增大。同樣絕緣介質(zhì)中有氣泡時(shí),由于夾層極化的緣故而使介電系數(shù)也增大。1-3 電介質(zhì)的電導(dǎo)一、 電介質(zhì)電導(dǎo)(conduction) 的概念與電導(dǎo)率(conductivity) 電介質(zhì)的基本功能是將不同電位的導(dǎo)體分隔開,它應(yīng)是不導(dǎo)電的,但這種不導(dǎo)電并非絕對不導(dǎo)電,而只是導(dǎo)電性能非常差。電介質(zhì)上加電壓后也會有微小的電流流過,這是因?yàn)樵陔娊橘|(zhì)內(nèi)部還是存在數(shù)量很少的帶電粒子,這些帶電粒子在電場(

22、由所加電壓引起)作用下就會不同程度地作定向遷移而形成微小的傳導(dǎo)電流(電導(dǎo)性電流),這就是電介質(zhì)的電導(dǎo)過程。電介質(zhì)絕緣性能與電導(dǎo)性能的表現(xiàn)剛好相反,導(dǎo)電性能越差則絕緣性能越好。表征不同電介質(zhì)電導(dǎo)過程強(qiáng)弱程度的物理量是電導(dǎo)率(或其倒數(shù)為電阻率),單位為-1cm-1 (或cm )。電介質(zhì)的電阻率一般達(dá)10101022cm，而導(dǎo)體的電阻率在10-2cm 以下,可見兩者差別之大。氣體電介質(zhì)在正常情況下的電導(dǎo)過程是極其微弱的,常被忽略,而液、固體電介質(zhì)的電導(dǎo)過程是不能忽略的,同時(shí)受各種因素影響很大。常用液、固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率見表l-1。與導(dǎo)體的導(dǎo)電過程相比, 在電介質(zhì)電導(dǎo)過程中所流過的電導(dǎo)電流是非常小的,

23、一般以A(10-6A)為單位來計(jì)量,此電導(dǎo)電流稱為泄漏電流(leakage current)(以比喻電流非常之小)。泄漏電流可以通過在電介質(zhì)上加上直流電壓后直接測量(交流電壓作用下所測電流中還包括極化電流)。泄漏電流所對應(yīng)的電阻稱為絕緣電阻,因此,直流電壓、泄漏電流、絕緣電阻三者符合歐姆定律。電氣設(shè)備絕緣的絕緣電阻是很大的,一般以M(106)為單位來計(jì)量。顯然,在電導(dǎo)過程中電介質(zhì)可用其絕緣電阻來等值。二、電介質(zhì)電導(dǎo)的特性 1.離子性電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)過程與導(dǎo)體的導(dǎo)電過程之間的差別不僅在于形成的電導(dǎo)電流的大小 (這取決于帶電粒子數(shù)量的多少)差別很大,而且電導(dǎo)的本質(zhì)也是截然不同的。形成電介質(zhì)中電導(dǎo)電

24、流的少量帶電粒子主要是離子,所以電介質(zhì)電導(dǎo)為離子性電導(dǎo)。而金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)性質(zhì)為電子性電導(dǎo),即形成電導(dǎo)電流的帶電粒子為金屬中的大量自由電子。2.溫度的影響電介質(zhì)電導(dǎo)與溫度有密切的關(guān)系。溫度越高,離子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈,就越容易改變原有受束縛的狀態(tài),因而在電場作用下作定向移動(dòng)的離子數(shù)量和速度都要增加,即電導(dǎo)隨溫度升高而增大。電導(dǎo)增大的規(guī)律近似于指數(shù)規(guī)律。溫度為 t時(shí)的電導(dǎo)率和電阻率分別為 (1-8) (1-9)式中 20 、2020 時(shí)的電導(dǎo)率和電阻率； 絕緣材料的溫度系數(shù)。三、電介質(zhì)在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象一固體電介質(zhì)加上直流電壓 U,如圖 1-8(a)所示。然后觀察開關(guān)S1合上之后流過電介質(zhì)電流

25、i (此電流可用微安表 PA 測量)的變化情況?？梢杂^察到電流i 從大到小隨時(shí)間衰減,最終穩(wěn)定于某一數(shù)值,此現(xiàn)象就稱為吸收現(xiàn)象。此電流隨時(shí)間變化的曲線如圖1-8 (b) 所示。電流i 的曲線也稱為吸收曲線。這里所謂的“吸收”也是一種比喻的說法,似乎有一部分電流被電介質(zhì)吸收掉似的,以致于電流逐漸減小。圖 1-8 直流電壓下流過電介質(zhì)的電流及測量(a) 電路示意圖 (b) 電流曲線圖根據(jù)電介質(zhì)在電壓作用下發(fā)生的極化過程和電導(dǎo)過程,就不難解釋為什么會出現(xiàn)吸收現(xiàn)象了。在直流電壓作用下,電介質(zhì)要進(jìn)行極化、電導(dǎo)過程,電介質(zhì)的等值電路如圖 1-9 所示。顯然,流過電介質(zhì)的電流i 由三個(gè)分量組成, 即 (l-

26、10 )式中 ic純電容電流,它存在時(shí)間極短,很快衰減至零；ia有損極化所對應(yīng)的電流,即夾層式極化和偶極子式極化的電流,它隨時(shí)間衰減,被稱為吸收電流。吸收電流衰減的快慢程度取決于介質(zhì)的材料及結(jié)構(gòu)等因素。對于不是很大設(shè)備的絕緣,一般1min 都衰減至零或早已衰減至零 (這要取決于設(shè)備絕緣等值電容量的大小)；對于大型設(shè)備(如大型變壓器、發(fā)電機(jī))的絕緣,衰減時(shí)間可達(dá)10min ig泄漏電流,它不隨時(shí)間變化。圖 1-9 直流電壓下電介質(zhì)的等值電路將上述三個(gè)電流分量ic 、ia 、ig在每個(gè)時(shí)刻疊加起來就得到流過電介質(zhì)的電流i, 此電流是從大到小隨時(shí)間衰減,最終穩(wěn)定于某個(gè)數(shù)值(即泄漏電流值),以上分析就

27、說明了為什么會出現(xiàn)吸收現(xiàn)象。根據(jù)上述分析可以看到:加上直流電壓后,經(jīng)過一定時(shí)間(一般小于 lmin),極化過程就結(jié)束,此時(shí)僅存在電導(dǎo)過程,流過電介質(zhì)的電流就等于泄漏電流,所對應(yīng)的電阻就是絕緣電阻,這就是工程應(yīng)用上測量泄漏電流和絕緣電阻的基本原理。四、固體電介質(zhì)的體積絕緣電阻與表面絕緣電阻對于固體電介質(zhì),測泄漏電流(絕緣電阻)時(shí)若不采取特別措施,像圖l-8(a)那樣, 那么測到的泄漏電流(絕緣電阻)實(shí)際上還包括表面泄漏電流(表面絕緣電阻),即所測泄漏電流 (絕緣電阻)為流過電介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流與流過電介質(zhì)表面泄漏電流之和(體積絕緣電阻與表面絕緣電阻的并聯(lián)值)。因此當(dāng)電介質(zhì)表面臟污或受潮時(shí),由于表

28、面泄漏電流的影響使得所測到的泄漏電流偏大(絕緣電阻偏小),這就不能根據(jù)所測泄漏電流值(絕緣電阻值)來判斷電介質(zhì)內(nèi)在絕緣性能的好壞,為此在測量中要采取措施消除表面泄漏所造成的影響。五、電介質(zhì)電導(dǎo)和吸收現(xiàn)象在工程應(yīng)用上的意義(1)根據(jù)絕緣電阻和泄漏電流值的變化判斷絕緣情況。比如絕緣存在整體性的受潮、臟污或貫通性集中缺陷,則泄漏電流明顯增大,絕緣電阻明顯下降。由于泄漏電流和絕緣電阻值與絕緣材料、形狀、尺寸等諸多因素有關(guān),我們不能根據(jù)它們的具體數(shù)值的大小來判斷絕緣性能的好壞,而只能與該絕緣的過去測量值(如出廠試驗(yàn)測量值、歷次試驗(yàn)測量值)作比較來判斷絕緣良好與否。(2)利用吸收現(xiàn)象,測絕緣的吸收比,來判

29、斷等值電容量較大設(shè)備的絕緣情況。吸收比K 定義為加電壓后60s 時(shí)的電阻值與15s 時(shí)電阻值之比, 即 (1-11)K 又可表示成 （1-12）式中 i15 ,R15加壓 15s 時(shí)的電流和相應(yīng)的絕緣電阻；i60 ,R60加壓 60s 時(shí)的電流和相應(yīng)的絕緣電阻。若絕緣良好,ig很小,i衰減很多后才達(dá)到穩(wěn)定值ig,這樣i15 與i60 之比較大(一般 K 1.3)；而若絕緣劣化或有缺陷,則ig 較大,i 衰減不多就達(dá)到穩(wěn)定值ig, 這樣i15 與 i60 之比就接近于1, 因此我們就可根據(jù)所測到吸收比K 值的大小來判斷絕緣性能的好壞。對于等值電容量更大的設(shè)備絕緣,由于加壓后1min 時(shí), 吸收電

30、流分量ia 遠(yuǎn)沒有衰減至零, 所以要根據(jù)極化指數(shù)PI 的大小來進(jìn)行判斷 （1-13）式中 R10加壓 lOmin 時(shí)對應(yīng)的絕緣電阻；R1加壓 1min 時(shí)對應(yīng)的絕緣電阻。(3)利用電導(dǎo)率取得合理的電壓分布。直流電壓下多層絕緣介質(zhì)的電壓分布與電導(dǎo)成反比。 這在設(shè)計(jì)直流設(shè)備時(shí),要注意各層電介質(zhì)電導(dǎo)率的合理搭配,使絕緣材料盡可能得到合理使用。再例如直流電壓下多個(gè)電容器串聯(lián)使用時(shí),如果它們的絕緣電阻有較大的差異,就應(yīng)在每個(gè)電容器上并聯(lián)均壓電阻,以防止電壓分布不均勻引起電容器絕緣的擊穿。(4)降低表面電阻率來提高沿面閃絡(luò)電壓。對于絕緣電阻來講,通常是希望高一些好。 但也并非一定如此,例如高壓套管法蘭附近

31、的絕緣表面涂了半導(dǎo)體釉,以及高壓電機(jī)定子繞組出槽口部分的絕緣表面涂半導(dǎo)體漆來減小其表面絕緣電阻,可降低這些部位表面的電場強(qiáng)度,以消除電暈,提高沿面閃絡(luò)電壓。1-4 電介質(zhì)的損耗一、電介質(zhì)損耗（dielectric loss）的概念 1.介質(zhì)損耗電介質(zhì)在電場作用下(加電壓后),要發(fā)生極化過程和電導(dǎo)過程。在有損極化過程中有能量損耗；在電導(dǎo)過程中,電導(dǎo)性泄漏電流流過絕緣電阻當(dāng)然也有能量損耗。損耗程度一般用單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量,即損耗功率表示。電介質(zhì)出現(xiàn)功率損耗的過程稱為介質(zhì)損耗。顯然, 介質(zhì)損耗過程隨極化過程和電導(dǎo)過程同時(shí)進(jìn)行,換句話說,由于極化、電導(dǎo)過程的存在才有損耗過程。電介質(zhì)損耗掉的能量(電能

32、)毫無例外地都轉(zhuǎn)變成了熱能,使電介質(zhì)溫度升高。若介質(zhì)損耗過大,則電介質(zhì)溫度將升得過高,這將加速電介質(zhì)的熱分解與老化,最終可能導(dǎo)致絕緣性能的完全失去,所以研究介質(zhì)損耗有十分重要的意義。2.介質(zhì)損耗的基本形式電介質(zhì)的損耗包括下列三種形式的損耗:(1)電導(dǎo)損耗。它是由泄漏電流流過電介質(zhì)而引起的。(2)極化損耗。它是由有損極化引起的。(3)游離損耗。它主要是指氣體間隙的電暈放電以及液、固體電介質(zhì)內(nèi)部氣泡中的局部放電所引起的附加損耗。由于氣體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)過程很微弱,所以氣體電介質(zhì)的介質(zhì)損耗是極小的,在工程應(yīng)用中可略去不計(jì)。但當(dāng)出現(xiàn)電暈放電時(shí),游離損耗就不能忽略了,這種情況在高壓輸電線路上是常見的,

33、稱為電暈損耗。液體、固體電介質(zhì)在運(yùn)行過程中的介質(zhì)損耗就不能忽略。介質(zhì)損耗引起電介質(zhì)發(fā)熱,從而使電介質(zhì)逐漸出現(xiàn)老化,使它們的物理、化學(xué)性能及各種電氣性能發(fā)生改變,影響到絕緣的電氣強(qiáng)度和壽命,這是液、固體電介質(zhì)不同于氣體電介質(zhì)的又一個(gè)特點(diǎn)。在直流電壓作用下,液、固體電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗始終存在,而極化損耗僅在電壓施加后很短時(shí)間內(nèi)存在,所以相比于電導(dǎo)損耗而言可忽略不計(jì)。而在交流電壓作用下,由于電介質(zhì)隨交流電壓極性的周期性改變作周期性的正向極化與反向極化,極化過程引起的極化損耗便不能忽略。二、介質(zhì)損失角正切 tg(dissipation factor)由上可見,在直流電壓作用下,介質(zhì)損耗主要為電導(dǎo)損耗,因

34、此,電導(dǎo)率或電阻率既表示介質(zhì)電導(dǎo)的特性,同時(shí)也表征了介質(zhì)損耗的特性。但在交流電壓作用下,三種形式的損耗都存在,為此需引入一個(gè)新的物理量來表征介質(zhì)損耗的特性,這個(gè)物理量就是tg。1.交流電壓下的介質(zhì)損耗功率電介質(zhì)在交流電壓作用下,極化過程和電導(dǎo)過程始終進(jìn)行,所以電介質(zhì)的等值電路與圖1-7(c)的電路相同。該電路可以進(jìn)一步簡化成由R 、CP并聯(lián)或由、Cs串聯(lián)的等值電路如圖1-10(b)、(c)所示。對于并聯(lián)等值電路,畫出對應(yīng)的相量圖如圖1-10(d)所示。令功率因數(shù)角的余角為角,從相量圖可看出角越大則IR 越大,介質(zhì)損耗功率也越大, 所以角就稱為介質(zhì)損失角。對于并聯(lián)等值電路,介質(zhì)損耗功率P 為 (

35、1-14)對于串聯(lián)等值電路可證明 (1-15)采用串聯(lián)等值電路時(shí)tg、P與采用并聯(lián)等值電路時(shí)tg、P理應(yīng)相等,由此可得到 (1-16) (1-17)一般tg很小,因此可得到: Cs CP，rR(a) (b) (c) (d) 圖 1-10 交流電壓下電介質(zhì)的等值電路及相量圖(a) 等值電路圖 (b)、(c) 并聯(lián)及串聯(lián)等值電路 (d )并聯(lián)電路相量圖由此可見,兩種簡化等值電路中的等值電容比較接近,但串聯(lián)等值電路中的電阻要比并聯(lián)等值電路中的電阻小得多,這也說明了為了表示方便起見,電介質(zhì)在交流電路中常用等值電容(起主要作用)來表示。2.tg的物理意義從介質(zhì)損耗功率P的計(jì)算公式看,我們?nèi)粲肞來表征介質(zhì)

36、損耗的程度是不方便的,因?yàn)镻 值與試驗(yàn)電壓U 的高低、試驗(yàn)電壓的角頻率(=2f)、電介質(zhì)等值電容量CP (或 Cs) 以及tg值有關(guān)。而若在試驗(yàn)電壓、頻率、電介質(zhì)尺寸一定的情況下,那么介質(zhì)損耗功率僅取決于tg,換句話說, tg是與電壓、頻率、絕緣尺寸無關(guān)的量,它僅取決于電介質(zhì)的損耗特性。 tg= ，所以tg是表征電介質(zhì)在交流電壓作用下?lián)p耗程度的物理量。這樣,我們就可以通過試驗(yàn), 測量tg值,并以此來判斷介質(zhì)損耗的程度。表1-2 中列出了一些絕緣材料正常情況下的tg。從表1-2 可以看出,無機(jī)絕緣材料如電瓷以及非極性有機(jī)絕緣材料如交聯(lián)聚乙烯(被廣泛用于電纜)的介質(zhì)損耗較小,而聚氯乙烯環(huán)氧樹脂等極

37、性有機(jī)絕緣材料的介質(zhì)損耗較大。三、影晌tg的因素影響tg值的因素主要有溫度、頻率和電壓。1.溫度溫度對tg值的影響隨電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同有顯著的差異。中性或弱極性電介質(zhì)的損耗主要由電導(dǎo)引起,故溫度對tg的影響與溫度對電導(dǎo)的影響相似,即tg隨溫度的升高而按指數(shù)規(guī)律增大,且tg較小。表 1-2 某些絕緣材料的 tg( 工頻 ,20 )絕緣材料tg(%)絕緣材料tg(%)電瓷變壓器油油浸紙絕緣環(huán)氧樹脂酚醛樹脂0.00.020.050.50.5 80.2 110聚氯乙烯(PVC)聚乙烯(PE)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)聚四氟乙烯5150.00.020.020.050.02極性電介質(zhì)(如變壓器油)中,極化損

38、耗不能忽略,tg值與溫度的關(guān)系如圖1-11所示。當(dāng)溫度在tt1 時(shí),由于溫度較低,電導(dǎo)損耗與極化損耗都小,電導(dǎo)損耗隨溫度升高而略有增大,而極化損耗隨溫度升高也增大(黏滯性減小,偶極子轉(zhuǎn)向容易),所以tg隨溫度升高而增大。當(dāng)溫度在 t1tt2 時(shí),溫度已不太低,此時(shí)分子的熱運(yùn)動(dòng)反而妨礙偶極子沿電場方向作有規(guī)則的排列,極化損耗隨溫度升高而降低,而且降低的程度又要超過電導(dǎo)損耗隨溫度升高的程度,因此tg隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度在 tt2 時(shí),溫度已很高,電導(dǎo)損耗已占主導(dǎo)地位,tg又隨溫度升高而增大。圖 1-11 極性電介質(zhì) tg 與溫度的關(guān)系 圖 1-12 tg 與頻率的關(guān)系2.頻率頻率對tg的影響主

39、要體現(xiàn)于頻率對極化損耗的影響。tg與頻率的關(guān)系如圖1-12 所示。在頻率不太高的一定范圍內(nèi),隨頻率的升高,偶極子往復(fù)轉(zhuǎn)向頻率加快,極化程度加強(qiáng), 介質(zhì)損耗增大,tg值增大。當(dāng)頻率超過某一數(shù)值后,由于偶極子質(zhì)量的慣性及相互間的摩擦作用,來不及隨電壓極性的改變而轉(zhuǎn)向,極化作用減弱,極化損耗下降,tg值降低。3.電壓電壓對tg的影響主要表現(xiàn)為電場強(qiáng)度對tg值的影響。在電場強(qiáng)度不很高的一定范圍內(nèi),電場強(qiáng)度增大(由于電壓升高),介質(zhì)損耗功率變大,但 tg幾乎不變。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到某一較高數(shù)值時(shí),隨著介質(zhì)內(nèi)部存在不可避免的弱點(diǎn)或氣泡發(fā)生局部放電,tg隨電場強(qiáng)度升高而迅速增大。因此,在較高電壓下測tg值,可以

40、檢查出介質(zhì)中是否夾雜有氣隙、分層、龜裂等缺陷。此外,濕度對暴露于空氣中電介質(zhì)的tg影響也很大。電介質(zhì)受潮后,電導(dǎo)損耗增大,tg也增大。例如絕緣紙中水分含量從4% 增加到10%,tg值可增大100倍。然而,假如 tg值的測試是在溫度低于O5時(shí)進(jìn)行,含水量增加,tg反而不會增大,這是因?yàn)榇藭r(shí)介質(zhì)中的水分已凝結(jié)成冰,導(dǎo)電性又變差,電導(dǎo)損耗變小的緣故。為此,在進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)規(guī)定被試品溫度不低于+5, 這對tg的測試尤為重要。四、介質(zhì)損耗在工程應(yīng)用上的意義(1)在絕緣設(shè)計(jì)時(shí),必須注意到絕緣材料的tg值。若tg值過大則會引起嚴(yán)重發(fā)熱,使絕緣加速老化,甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。如篦麻油在交流電壓下tg較大(20時(shí)

41、,tg= 1%3%；100時(shí),tg=20%80%),所以不能用于制造交流電容器；而它在直流電壓下 tg 較小,可用于制造直流或脈沖電容器。(2)tg值既反映了絕緣的現(xiàn)狀,又可通過測量tg=(u)的關(guān)系曲線來判斷絕緣從良好狀態(tài)向劣化狀態(tài)轉(zhuǎn)化的進(jìn)程,故tg值的測量是電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)中的一個(gè)基本項(xiàng)目。(3)通過研究溫度對tg值的影響,力求在工作溫度下的tg值為最小值而避開最大值。(4)極化損耗隨頻率升高而增大,尤其電容器采用極性電介質(zhì)時(shí),其極化損耗隨頻率升高增加很快,當(dāng)電源中出現(xiàn)較大高次(如3 次、5 次)諧波時(shí),就很容易造成電容器絕緣材料因過熱而擊穿。(5)用于沖擊測量的連接電纜,其絕緣的tg值必

42、須很小,否則所測沖擊電壓通過電纜后將發(fā)生嚴(yán)重的波形畸變,影響到測量的準(zhǔn)確性。1-5 電介質(zhì)的老化電介質(zhì)在使用過程中，由于受各種因素的作用，其性能逐漸變壞，以致最后喪失使用價(jià)值，這一現(xiàn)象稱為老化。這種變化過程叫老化過程。一、介質(zhì)老化的原因和特征1.促使介質(zhì)老化的原因(1)物理因素：電、熱、機(jī)械、應(yīng)力、陽光及高能輻射等的作用； (2)化學(xué)因素：氧氣、臭氧、鹽霧、酸堿及其它化學(xué)物的作用；(3)生物因素：微生物、霉菌、昆蟲等的作用。隨著各種介質(zhì)的種類、結(jié)構(gòu)以及所處工作條件的不同，促使介質(zhì)老化的原因也各不一致。 2.介質(zhì)老化的特征在上述因素的長期作用下，必然引起介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，并表現(xiàn)出各種不同的破壞

43、特征。這些破壞特征歸納起來主要有以下四個(gè)方面：（1）外觀的變化：例如介質(zhì)發(fā)粘、發(fā)軟、變硬、變脆、變形、變色、龜裂、粉化、起泡、剝落、長霉、銹蝕等；（2）物理、化學(xué)性能的變化：例如比重、熔點(diǎn)、分子量的變化以及耐熱、耐寒等性能的變化；（3）機(jī)械性能的變化：例如拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度等性能的變化；（4）電性能的變化：例如電導(dǎo)率、介電系數(shù)、介質(zhì)損耗、耐受電壓的性能等的變化。應(yīng)該指出，一種介質(zhì)的老化過程，一般都不會也不可能同時(shí)具有上述所有的變化和現(xiàn)象。實(shí)際上，往往只有其中一些性能指標(biāo)的變化，并且常常以在外觀上出現(xiàn)一種或數(shù)種變化為特征。3.常見的介質(zhì)老化實(shí)例發(fā)電機(jī)定子繞組的出槽口，在熱的作用下，由于

44、銅、硅鋼片、云母絕緣的熱膨脹系數(shù)不相同，而引起云母絕緣的裂散，嚴(yán)重的可以使繞組的銅線達(dá)到裸露的程度。變壓器繞組的絕緣紙及紙板，在熱、電、氧等因素的長期作用下，會發(fā)生脆化，喪失彈性，容易碎裂，紙色變成焦黃或黑褐色，老化嚴(yán)重的線圈絕緣會變成粉末狀，用手觸試即行脫落。電氣設(shè)備中所用的絕緣油，在運(yùn)行過程中，經(jīng)常處于較高的溫度下，同時(shí)，又不可避免地與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)。此外，當(dāng)水分浸入油中，經(jīng)與空氣接觸，造成酸化，會促使絕緣油老化的加速。老化以后的絕緣油，性能逐漸變壞，油色變深，由淡黃色變?yōu)樽睾稚?，而且混濁、粘稠的程度等都要增加，并出現(xiàn)酸味，有時(shí)會有燒焦的氣味，同時(shí)在油中還產(chǎn)生沉淀物。套管絕緣

45、長期處在電場作用下，當(dāng)其內(nèi)部存在氣隙時(shí) ，將發(fā)生電離。電離時(shí)產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學(xué)物，腐蝕絕緣材料。加之絕緣結(jié)構(gòu)受外部應(yīng)力或內(nèi)部應(yīng)力的影響，迫使介質(zhì)損傷。套管絕緣老化的結(jié)果，可能使套管發(fā)生龜裂。二、電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度如前述，電介質(zhì)老化以后，其性能明顯變壞，其中包括耐受電壓的能力要下降，甚至失去固有的絕緣性能，變成為導(dǎo)體。為了表征電介質(zhì)耐受電壓的能力，我們引入一個(gè)物理量擊穿強(qiáng)度。當(dāng)施加于電介質(zhì)的電壓達(dá)到某臨界值時(shí)，通過介質(zhì)的電流會急劇增加，電介質(zhì)完全失去絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的最低臨界電壓稱為擊穿電壓（UB），電介質(zhì)單位厚度上所承受的擊穿電壓稱為擊穿電場強(qiáng)度，簡稱擊穿強(qiáng)度

46、，又叫絕緣強(qiáng)度或耐電強(qiáng)度（EB）。在均勻電場中，電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度為 （1-18）式中 EB擊穿強(qiáng)度（KV/cm或KV/mm）；UB擊穿電壓（KV）；D電介質(zhì)擊穿處的厚度（cm或mm）。最后應(yīng)該指出，電介質(zhì)發(fā)生擊穿，當(dāng)除去施加的電壓使介質(zhì)“休息”以后，電介質(zhì)還能恢復(fù)到原來的擊穿強(qiáng)度，這種可逆的過程叫介質(zhì)疲勞。電介質(zhì)發(fā)生擊穿，即使除去電壓使介質(zhì)“休息”以后，介質(zhì)還是恢復(fù)不到原來的擊穿強(qiáng)度，這時(shí)則認(rèn)為介質(zhì)已老化。介質(zhì)的疲勞是介質(zhì)老化的起始階段。本 章 小 結(jié)電介質(zhì)就是絕緣材料。當(dāng)作用電場強(qiáng)度小于擊穿場強(qiáng)時(shí),電介質(zhì)中會進(jìn)行極化、電導(dǎo)過程,同時(shí)伴隨有損耗。表征不同電介質(zhì)的這三個(gè)物理過程程度強(qiáng)弱的物理量分

47、別是介電系數(shù)、電導(dǎo)率(或電阻率)、介質(zhì)損失角正切tg。當(dāng)作用電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng)(也稱絕緣強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度)時(shí),電介質(zhì)完全失去絕緣性能而導(dǎo)電,此過程稱為電介質(zhì)的擊穿。表征電介質(zhì)耐受電壓能力的物理量是擊穿強(qiáng)度EB 。電介質(zhì)有氣體、液體、固體三種形態(tài)。氣體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)過程都很微弱, 從而介質(zhì)損耗常忽略不計(jì)。氣體、液體電介質(zhì)在擊穿過程結(jié)束后還能自行恢復(fù)絕緣性能而固體電介質(zhì)則不能。電容器之所以能儲存較多電荷(相比于真空電容器),電介質(zhì)在直流電壓作用下之所以出現(xiàn)吸收現(xiàn)象,都源于電介質(zhì)的極化過程。研究電介質(zhì)的導(dǎo)電過程使人們可以從絕緣的對立面導(dǎo)電這個(gè)角度來審視電介質(zhì)的絕緣性能,并可通過絕緣電阻、泄漏電流

48、這些絕緣的特性參數(shù)來判斷電氣設(shè)備絕緣性能的良好與否。吸收現(xiàn)象是電介質(zhì)在直流電壓作用下發(fā)生極化過程和電導(dǎo)過程的綜合結(jié)果。根據(jù)吸收現(xiàn)象,可通過測量吸收比或極化指數(shù)來對電氣設(shè)備的絕緣性能作出判斷。tg 是表征電介質(zhì)在交流電壓作用下?lián)p耗(主要是極化損耗和電導(dǎo)損耗)的參數(shù),tg只取決于電介質(zhì)內(nèi)在的損耗特性,是一個(gè)無量綱的參數(shù)。復(fù)習(xí)思考題1-1 解釋絕緣電阻、吸收比、泄漏電流、tg的基本概念。為什么可以用這些參數(shù)表征絕緣介質(zhì)的特性?1-2 為何說電介質(zhì)的擊穿過程是一個(gè)質(zhì)變與突變的過程? 何謂電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度? 說明電動(dòng)機(jī)繞組對地(鐵芯)絕緣在直流電壓下的絕緣強(qiáng)度要高于交流電壓下絕緣強(qiáng)度的原因。1-3 電介

49、質(zhì)的等值電路是怎樣的電路？解釋等值電路中各支路的含義。1-4 為什么?？赏ㄟ^測量變壓器絕緣和電機(jī)絕緣在70和 20電容量的比值來判斷絕緣是否干燥? l-5 介質(zhì)損耗為電介質(zhì)的功率損耗, 為什么不用損耗功率P而要用tg來表征電介質(zhì)在交流電壓下的損耗特性?1-6 為什么電源中存在較嚴(yán)重高次諧波時(shí)容易引起電氣設(shè)備絕緣的老化加快?1-7 為什么標(biāo)準(zhǔn)電容器(無損電容器)都采用氣體電介質(zhì)而不用固體電介質(zhì)?1-8 為什么絕緣等值電容量較小的設(shè)備(如絕緣子)都不測吸收比,而大型設(shè)備(如大型發(fā)電機(jī)、大型變壓器)做絕緣試驗(yàn)時(shí)則要測極化指數(shù)? 為什么吸收比、極化指數(shù)不需進(jìn)行溫度換算?l-9 為什么某些絕緣等值電容量

50、大的設(shè)備(如電容器、電纜、大容量電機(jī)等),經(jīng)直流高壓絕緣試驗(yàn)后接地放電時(shí)間要求長達(dá)310min?1-10什么叫電介質(zhì)的擊穿電壓、擊穿強(qiáng)度？1-11 什么叫介質(zhì)老化？促使介質(zhì)老化的原因有哪些？第二章 絕緣試驗(yàn)方法本章提要本章討論各種絕緣試驗(yàn)的基本方法。學(xué)習(xí)本章應(yīng)掌握各種試驗(yàn)的目的和原理,了解各種試驗(yàn)的接線、裝置、試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)中應(yīng)注意的事項(xiàng)。對局部放電測量和絕緣油中溶解氣體色譜分析兩項(xiàng)試驗(yàn),還應(yīng)理解其診斷絕緣潛伏性故障的特點(diǎn)。對具體電氣設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)絕緣試驗(yàn)時(shí)的“個(gè)性”問題將在第三章中予以討論。2-1 絕緣預(yù)防性試驗(yàn)一、電氣設(shè)備試驗(yàn)的分類為保證電氣設(shè)備能可靠和有效地運(yùn)行,從設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試到運(yùn)

51、行的各個(gè)階段,都要對電氣設(shè)備進(jìn)行各種測試和試驗(yàn),它們分別稱為型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、安裝交接驗(yàn)收試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)。其中型式試驗(yàn)和交接驗(yàn)收試驗(yàn)的具體項(xiàng)目分別較出廠試驗(yàn)與預(yù)防性試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目多、試驗(yàn)要求高。預(yù)防性試驗(yàn)的主要意義是在前三個(gè)階段試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,考察電氣設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行之后,其各項(xiàng)技術(shù)性能有無幅度過大的變化或有無超過預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。若沒有,則可以認(rèn)為設(shè)備整體技術(shù)狀況仍然在預(yù)定的可以安全可靠運(yùn)行的范圍內(nèi)。電氣設(shè)備試驗(yàn),根據(jù)其作用和要求,可分成兩大類：即性能試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)。性能試驗(yàn)主要測試電氣設(shè)備的電氣性能參數(shù)(如變壓器的變比、空載損耗、負(fù)載損耗等)和其他特性(如變壓器的溫升、斷路

52、器的動(dòng)作特性等),以保證電氣設(shè)備在運(yùn)行中能起到它應(yīng)起的作用。絕緣試驗(yàn)則按照規(guī)定的試驗(yàn)方法對絕緣的性能進(jìn)行測試或試驗(yàn),以掌握電氣設(shè)備絕緣的狀況。絕緣試驗(yàn)通常采用電氣的方法進(jìn)行,即加上規(guī)定的試驗(yàn)電壓后進(jìn)行測試,試驗(yàn)電壓一般都是高壓,所以絕緣試驗(yàn)習(xí)慣上又稱高壓試驗(yàn)。近年來發(fā)展的溶解氣體色譜分析、油中水和糠醛含量的分析、超聲波探測法等則采用非電氣的試驗(yàn)方法來對絕緣的狀況進(jìn)行診斷。二、絕緣預(yù)防性試驗(yàn)及其重要意義 絕緣預(yù)防性試驗(yàn)是指在電氣設(shè)備運(yùn)行階段定期或根據(jù)需要進(jìn)行的絕緣試驗(yàn)。之所以冠以“預(yù)防性”，是因?yàn)橥ㄟ^絕緣試驗(yàn)可以及早發(fā)現(xiàn)絕緣可能存在的缺陷,甚至是潛伏性缺陷, 然后通過相應(yīng)的維護(hù)與檢修,避免電氣設(shè)

53、備絕緣在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生損壞或擊穿。因此,絕緣預(yù)防性試驗(yàn)起到預(yù)防絕緣事故的作用。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,電力系統(tǒng)中的事故有不少是由于絕緣問題造成的,其中電氣設(shè)備故障原因中,絕緣故障占到60%80%。因此,絕緣預(yù)防性試驗(yàn)對保證電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行,從而保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行有十分重要的意義。絕緣故障常由絕緣缺陷引起。電氣設(shè)備的絕緣缺陷,有些是制造、運(yùn)輸、安裝過程中潛伏下來的(沒有被出廠試驗(yàn)和交接驗(yàn)收試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)),但大多數(shù)是由于運(yùn)行過程中在電壓(工作電壓和過電壓)、機(jī)械應(yīng)力、熱、化學(xué)等方面的因素作用下造成的。絕緣缺陷通?？煞譃閮纱箢?。第一類是集中性缺陷,表現(xiàn)為絕緣局部性的損傷(開裂、磨損、腐蝕等)、局部性的受潮和局部性的內(nèi)部氣泡。這類缺陷只影響一部分