高電壓第3章 液體和固體介質的電氣強度

1、第第3 3章章 液體和固體介質的電氣特性液體和固體介質的電氣特性3.1 電介質的極化、電導和損耗電介質的極化、電導和損耗3.2 液體介質的擊穿液體介質的擊穿3.3 液體介質的老化液體介質的老化3.4 固體介質的擊穿固體介質的擊穿3.5 固體介質的老化固體介質的老化3.6 組合絕緣的特性組合絕緣的特性高電壓技術3.1 電介質的極化、電導與損耗電介質的極化、電導與損耗3.1.1 相對介電常數相對介電常數1. 介電常數、相對介電常數介電常數、相對介電常數平行平板電容器在真空中的電容量為:當極板間插入固體介質后，電容量為:式中 A極板面積，cm2； d極間距離，cm；介質的介電常數 0真空的介電常數，

2、0=8.8610-14F/cm ACdr00CC定義：為介質的相對介電常數高電壓技術00ACd4:QCUSC =kdSkd高中物理電容的定義：真空中的電容 極板面積靜電力常量極間距離電容量增大的原因在于電容量增大的原因在于電介質的極化現(xiàn)象。電介質的極化現(xiàn)象。 是由電介質極化引是由電介質極化引起的束縛電荷。起的束縛電荷。 是反映電介質極化特是反映電介質極化特性的一個物理量。氣體性的一個物理量。氣體的的 接近于接近于1，液體和，液體和固體大多在固體大多在26之間。之間。 Q高電壓技術rrQ材料類別名稱r（工頻，20）氣體介質 空氣（大氣壓）1.00059液體介質弱極性 變壓器油硅有機液體2.22.

3、52.22.8 極性蓖麻油4.5強極性丙酮酒精水223381固體介質中性或弱極性石蠟聚乙烯2.02.52.252.35極性聚氯乙烯3.24離子性云母電瓷573.56.5高電壓技術常用電介質的r值3.1.2 電介質的極化電介質的極化 概念：在外加電場的作用下，固體介質中原來彼此中和的正、負電荷產生了位移，形成電矩，使介質表面出現(xiàn)了束縛電荷，即極板上電荷增多，因而使電容量增大。 分類：電子式極化離子式極化偶極子極化夾層極化無損極化無損極化有損極化有損極化高電壓技術（1）電子式極化）電子式極化 在外電場的作用下，介質原子中的電子運動軌道將相對于原子核發(fā)生彈性位移。這樣一來，正、負電荷的作用中心不再重

4、合而出現(xiàn)感應偶距。這種極化稱為電子式極化。 特點：特點： 存在于一切物質中； 極化所需的時間極短，約10-14 10-15s ； 具有彈性，沒有損耗； 溫度對電子式極化影響不大； 與外加電源頻率無關。高電壓技術（2）離子式極化）離子式極化 固體無機化合物大多屬于離子式結構，如云母、陶瓷等。無外電場時，晶體的正、負離子對稱排列，各個離子對的偶極距互相抵消，故平均偶極距為零。 出現(xiàn)外電場后，正、負離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極距不再為零，介質呈現(xiàn)極化。這就是離子式極化。 特點：特點： 屬于彈性極化； 極化過程所需的時間很短，約10-12s 10-13s； 溫度對此極化存在一定影響，r一般具有

5、正的溫度系數； 一般使用頻率范圍內，與外加電源頻率無關。（3）偶極子極化）偶極子極化 有些電介質的分子很特別，具有固有的電子距，即正、負電荷的作用中心永遠不重合，這種分子成為極性分子。由極性分子組成的電介質稱為極性電介質，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。 無外電場時，偶極子雜亂無序排列，宏觀電距等于零，對外不表現(xiàn)出極性。出現(xiàn)電場后，偶極子沿電場方向轉向，作有規(guī)則的排列，對外表現(xiàn)出極性。 特點：特點： 非彈性，極化過程需要克服一定的能量； 極化所需的時間較長，約10-10s 10-2s； 對液體和固體介質來說，r在低溫下先隨溫度的升高而增加，以后當熱運動變得強烈時，r又隨溫度上升而減

6、?。?與電源頻率具有較大的關系。 （4）夾層極化）夾層極化 夾層介質界面極化概念：合閘瞬間兩層介質的電壓比由電容決定。穩(wěn)態(tài)時分壓比由電導決定。 在電壓重新分配的過程中，夾層界面上會積聚起一些電荷，使整個介質的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質界面極化。 1221=0 UCtUC當時，1221 UGtUG當時， A C1 U B P G2 G1 C2 兩層介質等效電路 C1 U G2 G1 C2 兩層介質 如果如果 則雙層介質的表面電荷不重新分配。但實際則雙層介質的表面電荷不重新分配。但實際 上很難滿足上述條件，上很難滿足上述條件， 電荷要重新分配，這樣在兩電荷要重新分配，這樣在兩 層介質的交界

7、面處會積累電荷，整個介質的等值電容增大，層介質的交界面處會積累電荷，整個介質的等值電容增大，這種極化形式稱這種極化形式稱夾層介質界面極化夾層介質界面極化。 極化機理：自由電荷的移動。極化機理：自由電荷的移動。 夾層極化所引起的電荷積聚過程中所形成的電流稱為吸收電夾層極化所引起的電荷積聚過程中所形成的電流稱為吸收電流。這種極化形式存在于不均勻夾層介質中，伴隨有能量流。這種極化形式存在于不均勻夾層介質中，伴隨有能量損失，夾層界面上電荷的堆積是通過介質電導損失，夾層界面上電荷的堆積是通過介質電導G G完成的，高完成的，高壓絕緣介質的電導通常都很小，極化建立需時很長，一般壓絕緣介質的電導通常都很小，極

8、化建立需時很長，一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時，這種性質需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時，這種性質的極化只有在直流和低頻時才有意義。的極化只有在直流和低頻時才有意義。1212GGCC1212GGCC3.1.3 討論電介質極化在工程中的意義討論電介質極化在工程中的意義122221211112/UCA ddUCA dd 111UE d222UE d 11212212E ddE dd1221EE所以，雙層串聯(lián)不同介質中的電場強度是不相同的，與絕緣材料的介電常數成反比，即在介電常數小的材料中承受較大的電場強度。所以即UEd（1）根據不同的作用選擇，不同的相對介電常數的絕緣材料。（

9、2）采用多種電介質時，注意各種絕緣材料介電常數適當配合。3.1.4 電介質的電導電介質的電導 任何電介質都不是理想的絕緣體，都具有一定程度的導電性，只不過電導率很小。 表征電介質導電性能的主要物理量為電導率，或其倒數電阻率 。在高電壓工程中一般常用電阻率來表征介質的絕緣電阻。 按內部載流子的不同，電介質電導可分為離子電導和電子電導兩種。由于電介質中自由電子很少，所以正常情況下，電介質的電導主要是離子電導。當然，電介質擊穿情況下，自由電子會很多。 中性或弱極性電介質主要是雜質離子電導； 純凈的非極性電介質，電導率很小，即絕緣電阻很大； 液體電介質，存在一種電泳電導，其載流子為帶電的分子團吸附電荷

10、后變成了帶電粒子，如絕緣油中的懸浮膠?；蚣毿∷?； 液體介質中的固體雜質，也是液體介質中載流子的主要來源； 固體電介質除了體積電導外，還存在表面電導，后者取決于固體介質表面吸附水分和污穢。高電壓技術泄露電流和絕緣電阻泄露電流和絕緣電阻121212URIR RRRRRR （并聯(lián)）體積絕緣電阻表面絕緣電阻電解質的絕緣電阻：一般所指泄露電流是流過介質內部的泄露電流，相應的絕緣電阻是體積電阻。工程中常說的絕緣電阻是指體積體積電阻電阻。電介質加上直流電壓，極化過程結束后，流過電解質的電流趨于一定值，這一穩(wěn)定電流，稱為泄露電流。1. 體積電阻體積電阻 體積電阻率為： 體積電導率為： 其中， d（cm）為電

11、介質厚度， S（cm2）為電極表面積。體積電阻的測量電路vvSRdvvvv11 ddGR SS高電壓技術2. 表面電阻（固體電介質）表面電阻（固體電介質） 表面電阻率為： 表面電導率為： 其中， d（cm）為電介質厚度， l（cm）為電極長度。sslRdssss11 ddGR ll表面電阻的測量電路高電壓技術測量固體介質的絕緣電阻時，要清除表面的污穢，烘干水分，盡量排除表面電阻的影響。3.1.5 電介質的損耗電介質的損耗 電介質的能量損耗簡稱介質損耗，包括由電導引起的損耗和由極化引起的損耗。主要是交流電壓下的損耗。 介質損耗為：CC2costg, tgrPUIUIUIIU CPUC P值和試驗

12、電壓、試品電容量等因素有關，不同試品間難于互相比較，所以改用介質損失角的正切tg來判斷介質的品質。 高電壓技術有損電介質更為細致的等值電路如下圖所示，可用三個并聯(lián)支路的等值回路來表示。 R反映電導損耗 C0代表介質的無損極化（電子式和離子式極化）C-r支路代表各種有損極化高電壓技術 上述三支路等值電路可進一步簡化為電阻、電容的并聯(lián)等值電路或串聯(lián)等值電路來分析。 并聯(lián)等值電路并聯(lián)等值電路 主要損耗是電導損耗，常用并聯(lián)等值電路RCCURUIItgPPCR1/22PUPUC tgRcos sinCPPCpuUtduiCdtU CtIU C 串聯(lián)等值電路串聯(lián)等值電路 主要損耗由介質極化及連接導線的電阻

13、等引起，常用串聯(lián)等值電路。有損電介質可用一只理想的無損耗電容Cs 和一個電阻r 相串聯(lián)的等值電路來代替，如圖所示。/rsCssUIrtgC rUICstgrC cosCsssIUCUC又2222(cos)cosssstgPI rUCUC tgC1costgCUPs2介質損耗角介質損耗角 值一般很小，所以：值一般很小，所以：（1）氣體介質的損耗）氣體介質的損耗 當電場強度不足以產生碰撞電離時，氣體中的損耗是由電導引起的，損耗極?。╰anU2U3，對應發(fā)熱曲線1、2、3，散熱曲線為4曲線1：Q1Q2，在U1作用下發(fā)生熱擊穿曲線2：k是不穩(wěn)定的熱平衡點，因為當介質溫度稍大于tk時，介質溫度就會不斷增

14、加，發(fā)生熱擊穿。U2為發(fā)生熱擊穿的臨界電壓曲線3：a點是穩(wěn)定的熱平衡點，b是不穩(wěn)定的熱平衡點熱擊穿電壓會隨周圍媒質溫度的上升而而下降，這時直線4會向右移動；熱擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加，因為厚度越大，介質中心附近的熱量逸出約困難，所以固體介質的場強隨厚度增大而降低；如果介質的導熱系數大，散熱系數也大，則熱擊穿電壓上升頻率或介質損耗增大時，都會使發(fā)熱增加，從而使曲線1、2、3上移，曲線2上移表示臨界擊穿電壓下降。結論結論 3. 電化學擊穿電化學擊穿 對絕緣施加電壓幾個月甚至幾年后，擊穿場強仍在下降，這是由于介質長期加電壓引起介質劣化。絕緣劣化的主要原因往往是介質內氣隙的局部放電造成的。 介

15、質中可長期存在局部放電而并不擊穿。局部放電產生的活性氣體如O3，NO，NO2等對介質將產生氧化和腐蝕作用，此外由于帶電粒子對介質表面的撞擊，也會使介質受到機械的損傷和局部的過熱，導致介質的劣化。 高電壓技術電壓作用時間電場均勻度溫度受潮累積效應高電壓技術3.4.2影響固體介質擊穿的因素影響固體介質擊穿的因素高電壓技術1.電壓作用時間電壓作用時間處于均勻電場處于均勻電場 擊穿電壓往往較高，隨介質厚度增加，近似線性增加。處于不均勻電場處于不均勻電場 介質厚度增加，使電場更不均勻，擊穿電壓不隨厚度線性增加。 即使處于均勻電場中，如果含有雜質和氣隙時，氣隙先擊穿，擊穿電壓下降，應進行干燥處理。2.電場

16、均勻程度電場均勻程度在某個溫度范圍內，擊穿屬于電擊穿，擊穿與溫度幾乎無關。超過某個溫度后將發(fā)生熱擊穿。溫度越高，擊穿電壓越低。3.溫度溫度不易吸潮的固體介質，受潮后擊穿電壓下降一半左右。易吸潮的，擊穿電壓僅為干燥時的百分之幾，甚至更低。4.受潮受潮固體介質在沖擊電壓多次作用下，其擊穿電壓有可能低于單次沖擊作用時的值。因為固體介質為非自恢復絕緣，如每次沖擊電壓下介質發(fā)生部分損傷，則多次作用下部分損傷會擴大而導致?lián)舸＿@種現(xiàn)象為累積效應。累積效應。5.累積效應累積效應改進絕緣設計 采用合理的絕緣結構，按其耐電強度搭配；改善電極形狀；覆蓋、屏障等。改進制造工藝 減少雜質、氣泡、水分的含量。改善運行條

17、件 防潮、防污染和有害氣體的侵蝕、加強散熱。3.4.3提高固體擊穿電壓的方法提高固體擊穿電壓的方法高電壓技術環(huán)境老化 環(huán)境老化又稱大氣老化，包括光氧老化、臭氧老化、鹽霧酸堿等污染化學老化，其中最主要的光氧老化。 高分子電介質吸收紫外光能量后，有部分分子被激勵，當存在氧氣或臭氧時，還會引發(fā)高分子的氧化降解反應，稱為光氧化反應光氧化反應。 電老化 固體介質在電場的長時間作用下，會逐漸發(fā)生某些物理、化學變化，形成與介質本身不同的新物質，使介質的物理、化學性能發(fā)生劣化，最終導致介質被擊穿的過程稱為電老化。 3種類型：電離性老化、電導性老化、電解性老化電離性老化、電導性老化、電解性老化3.5. 固體介質

18、老化固體介質老化電離性老化電離性老化 主要是氣隙電離氣隙電離，將導致：(1)局部電場畸變。局部電場畸變。氣隙的電離將造成附近局部電場的畸變，使局部介質承受過高的場強。(2)帶電質點撞擊氣泡壁，使絕緣物分解。帶電質點撞擊氣泡壁，使絕緣物分解。(3)化學腐蝕?；瘜W腐蝕。氣隙電離會產生O3、NO、NO2等氣體， O3是強烈氧化劑，很多有機絕緣物會受到其氧化侵蝕。當有潮氣存在時，NO2或NO還可能與潮氣結合成硝酸或亞硝酸，這些反應物對絕緣物和金屬都會產生腐蝕。(4)局部溫度升高。局部溫度升高。電離過程中的能耗必然導致電離區(qū)附近的局部溫度升高，這將使氣泡體積膨脹，使絕緣物開裂、分層、脫殼，并使該部分絕緣

19、的電導和介質損增大。 這樣，氣泡的電離，通過上述多種效應的綜合，將近旁的絕緣物破壞，分解（變酥、炭化等），并沿電場逐漸向絕緣深處發(fā)展，最終導致絕緣被貫通擊穿。電導性老化電導性老化 由液態(tài)的導電物質引起。由液態(tài)的導電物質引起。 如果在兩極之間的絕緣層中（最常見的是在電極與絕緣的交界面處），存在某些液態(tài)的導電物質（最常見的是水，也有的是在絕緣制造過程中殘留下的某些電解質溶液），則當該處場強超過某定值時，這些導電物質便會沿電場逐漸滲入絕緣層深處，形成近似樹枝或樹葉狀的泄痕，稱為水樹枝水樹枝。水樹枝的累積發(fā)展，將最終導致絕緣層的擊穿。 產生水樹枝的機理可能是產生水樹枝的機理可能是：水或其他電解液中的離

20、子在交變電場作用下往復沖擊絕緣物，使其發(fā)生疲勞損壞和化學分解，電解液便隨之逐漸滲透、擴散到絕緣層深處，形成水樹枝。電解性老化電解性老化在直流電壓長期作用下，即使所加電壓遠低于局部放電起始電壓，由于介質內部進行著電化學過程，介質也會逐漸老化，最終導致?lián)舸＃?）介質的電導主要是電介質及其中所含雜質分子離解后沿電場方向遷移引起的，具有電解的性質。介質中往往存在某些金屬離子和非金屬離子，荷正電的金屬離子到達陰極，被中和電量后，在陰極上還原，淀積成金屬物質，逐漸形成從陰極延伸到介質深處的金屬性導電“骨刺”。這個過程對于介質層很薄的電容器絕緣危害尤大。（2）介質中的非金屬離子(如H+、O2-、Cl-等)

21、遷移到達電極，被中和電量后，形成活性極高的該類物質原子。它們或是再與介質分子起化學反應，形成新的有害的化合物，使電介質受到破壞；或是與金屬電極起化學反應，形成對金屬電極的腐蝕；或是以氣體分子的形式存在，形成小氣泡。（3)當有水分侵入介質時，水本身就能離解出H+和O2-離子，加速電解性老化。熱老化 在較高溫度下，固體介質會逐漸熱老化。熱老化的主要過程為熱裂解、氧化裂解、交聯(lián)以及低分子揮發(fā)物的逸出。 存在一個短時上限工作溫度 ，超過此溫度時，絕緣將發(fā)生急劇的熱損壞，因而應該說，是任何情況下都不允許超過的。max級別最高持續(xù)工作溫度最高持續(xù)工作溫度（）材料舉例Y90未浸漬過的木材、棉紗、天然絲和紙等或其組合物；聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡膠A105礦物油及浸入其中的Y級材料；油性漆、油性樹脂漆及其漆包線E120由酚醛樹脂、糠醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂制成的塑料、膠紙板；聚脂薄膜及聚脂纖維；環(huán)氧樹脂；聚胺脂；及其漆包線；油改性三聚氰胺漆B130以合適的樹脂或瀝青浸漬、粘合或涂復過的或