高電壓技術(shù)9-11課件

液體和固體電介質(zhì)的電氣性能一、液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗（一）電介質(zhì)的極性和分類

偶極子—大小相等、符號相反，彼此相距為d的兩電荷（+q、-q）所組成的的系統(tǒng)。偶極子的極性、大小和方向常用偶極矩來表示。偶極矩的方向由負(fù)電荷指向正電荷，其大小為每個電荷的電量乘以正、負(fù)電荷間的距離。

液體和固體電介質(zhì)的電氣性能（二）電介質(zhì)的極化1、電介質(zhì)的極化和相對介電常數(shù)極化—電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場方向產(chǎn)生的彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。

液體和固體電介質(zhì)的電氣性能2、電介質(zhì)的極化種類（1）電子式極化物質(zhì)原子中的電子軌道受到外電場E作用時，它將相對于原子核發(fā)生位移而形成極化。特點：a)存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中；b)極化所需時間短，約10-15s，故εr不隨頻率變化；c)具有彈性，故沒有損耗；d)溫度對極化影響小。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能（3）偶極子極化外電場作用下，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，對外呈現(xiàn)出極性。這種由于極性電介質(zhì)偶極子分子的轉(zhuǎn)向所形成的極化稱~。特點：極化時間長，約10-10s~10-2s，εr與頻率有較大關(guān)系；b)非彈性，消耗能量；c)溫度影響大。

液體和固體電介質(zhì)的電氣性能（4）夾層介質(zhì)界面極化高電壓設(shè)備的絕緣往往由幾種不同材料組成或介質(zhì)是不均勻的。平行板電極間的雙層介質(zhì)為例。t=0，合閘瞬間：電壓分配與各層的電容成反比，達(dá)到穩(wěn)態(tài):各層上電壓分配與電導(dǎo)成反比，若為單一介質(zhì)，即若介質(zhì)不均勻，即所以合閘以后，兩層介質(zhì)之間有一個電壓重新分配的過程，也就是說，C1、C2上的電荷要重新分配。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能

特點：a)時間緩慢，10-1s~數(shù)小時，只有電源在工頻或低頻時才有可能。b)有能量損耗。3、討論電介質(zhì)極化的意義（1）選用于電容器的絕緣材料，希望材料εr大；用于其他絕緣構(gòu)的絕緣材料，希望材料εr小；（2）注意各種材料εr的配合，串聯(lián)介質(zhì)中場強E的分布與εr成反比；（3）材料的介質(zhì)損耗與極化類型有關(guān)；而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個重要因素；（4）夾層極化現(xiàn)象在絕緣預(yù)防性試驗中可用來判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等電容量很大的設(shè)備時，必須特別注意吸收電荷可能對人身安全造成的威脅。

液體和固體電介質(zhì)的電氣性能3、泄漏電流和絕緣電阻i1—純電容電流（無損極化）；i2—有損極化對應(yīng)的電流；i3—電導(dǎo)電流（泄漏電流）；泄漏電流對應(yīng)的電阻R=U/i3稱為絕緣電阻。加上直流電壓1min后，極化過程結(jié)束，僅存在電導(dǎo)過程，流過介質(zhì)的電流i等于泄漏電流，此時對應(yīng)的電阻即為絕緣電阻。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能4、固體介質(zhì)的體積絕緣電阻與表面絕緣電阻5、討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義（1）在絕緣預(yù)防性試驗中，一般要測量絕緣電阻和泄漏電流，以判斷絕緣是否受潮或其他劣化現(xiàn)象；（2）串聯(lián)多層介質(zhì)在直流電壓下穩(wěn)態(tài)分布和各層電導(dǎo)成反比，所以設(shè)計用于直流設(shè)備時，要注意所用介質(zhì)的電導(dǎo)率，盡量使材料得到合理使用；（3）設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)時要考慮環(huán)境條件，特別是濕度的影響；（4）對某些能量較小的電源，如靜電發(fā)生器等，要注意減小絕緣材料的表面泄漏電流以保證得到高電壓；（5）并不是所有情況下都希望絕緣電阻高，有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。如在高壓套管法蘭附近涂上半導(dǎo)體釉，高壓電機(jī)定子繞組出槽口部分涂半導(dǎo)體漆等，都是為了改善電壓分布，以消除電暈。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能（四）電介質(zhì)的能量損耗1、電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損耗角正切損耗的基本形式：a)電導(dǎo)損耗；b)極化損耗；c)氣體電離損耗。在直流電壓下，由于介質(zhì)中無周期性的極化過程，當(dāng)外施電壓低于局部放電電壓時，僅有電導(dǎo)損耗，這時用電導(dǎo)率已能表達(dá)，不需要引入介質(zhì)損耗這個概念。在交流電壓下，要引入一個新的物理量。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能2、氣體電介質(zhì)的損耗氣體間距離大，相互間作用力弱，所以在極化過程中不會引起損耗。如果外加電場還不足以引起電離過程，氣體中只存在很小的電導(dǎo)損耗（tanδ<10-8)。若氣體的電場強度E達(dá)到放電起始場強E0。損耗急劇增加。3、液體電介質(zhì)的損耗中性或弱極性液體介質(zhì)的損耗主要起因于電導(dǎo)，損耗較小，與溫度的關(guān)系也與電導(dǎo)相似。極性液體以及極性和中性液體的混合油都具有電導(dǎo)和極化兩種損耗，介質(zhì)損耗較大，而且和溫度、頻率都有關(guān)系。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能

液體和固體電介質(zhì)的電氣性能4、固體電介質(zhì)的損耗（1）分子式結(jié)構(gòu)中性：石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯；主要是電導(dǎo)損耗，非常小。極性：纖維材料（紙、紙板）、含極性基有機(jī)材料（聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂）；tanδ較大，與溫度、頻率關(guān)系和極性液體相似。（2）離子式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊密不含使晶格畸變的雜質(zhì)：主要是電導(dǎo)損耗，tanδ小。（云母）結(jié)構(gòu)不緊密:存在離子松弛或極化現(xiàn)象，tanδ較大。（玻璃、陶瓷）（3）不均勻結(jié)構(gòu)云母和紙或布以及漆組合的復(fù)合雜質(zhì)、油浸紙、膠紙絕緣。損耗取決于各成分的性能和數(shù)量間的比例。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能二、液體電介質(zhì)的擊穿1、液體電介質(zhì)的擊穿過程（1）電擊穿理論（純凈液體）電子碰撞電離理論，與氣體放電的湯森德理論相似。但液體密度大，電子的平均自由行程小，積累能量困難，故純凈液體介質(zhì)的擊穿場強比氣體介質(zhì)高得多。（2）氣泡擊穿理論（純凈液體）外施電場較高時，液體介質(zhì)內(nèi)可能由各種原因產(chǎn)生氣泡，而氣泡的發(fā)展和氣泡內(nèi)的放電導(dǎo)致液體介質(zhì)擊穿。交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中電場分布與介質(zhì)εr成反比。氣泡εr=1，小，氣泡先電離，帶電粒子撞擊油分子，使分解氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大，電離的氣泡在電場中形成氣體“橋”，擊穿在通道中發(fā)生。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能（3）工程液體電介質(zhì)的擊穿雜質(zhì)：水、纖維等（εr很大）。2、液體電介質(zhì)的擊穿電壓常用變壓器油、電容器油、電纜油。電場越均勻，雜質(zhì)對液體介質(zhì)的擊穿電壓影響就越大。通常給出的變壓器油等的擊穿電壓數(shù)據(jù)，是指其多次試驗后的平均值。我國用標(biāo)準(zhǔn)油杯來測量擊穿電壓。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能3、影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素（1）雜質(zhì)氣體、水分溶解于液體介質(zhì)，對耐壓影響不大。若呈懸浮狀態(tài)，則易形成“小橋”等而使擊穿電壓明顯下降。電場越均勻，雜質(zhì)對擊穿電壓的影響越大，擊穿電壓的分散性也越大。不均勻電場中，雜質(zhì)對擊穿電壓的影響小，局部放電使油擾動，雜質(zhì)不易形成“小橋”。通常用標(biāo)準(zhǔn)油杯檢查油的質(zhì)量。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能4、減少雜質(zhì)影響的措施（1）過濾（纖維、部分水分、有機(jī)酸等）；（2）防潮；（3）祛氣；（4）采用油和固體介質(zhì)組合（采用覆蓋、絕緣層、屏障已減小雜質(zhì)的影響）；（5）防塵。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能三、固體電介質(zhì)的擊穿1、固體電介質(zhì)的擊穿過程（1）電擊穿理論固體介質(zhì)碰撞電離。特點：電壓作用時間短，擊穿電壓高，介質(zhì)溫度不高；擊穿場強與電場均勻程度密切相關(guān)，而對周圍環(huán)境溫度無關(guān)。（2）熱擊穿理論（3）電化學(xué)擊穿固體介質(zhì)在長期工作電壓的作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能2、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素（1）電壓作用時間（2）溫度電擊穿與溫度無關(guān)，熱擊穿階段溫度越高擊穿電壓越低。（3）電場均勻程度均勻致密的固體介質(zhì)如處于均勻電場中，其擊穿電壓較高，而且與介質(zhì)厚度的增加近似成直線關(guān)系；如在不均勻電場中，則隨著介質(zhì)厚度的增加，電場更不均勻，擊穿電壓已不隨厚度的增加而呈直線上升。液體和固體電介質(zhì)的電氣性能四、電介質(zhì)的其他性能（一）熱性能1、電介質(zhì)的短時耐熱性電介質(zhì)在高溫作用下，短時內(nèi)就能發(fā)生明顯的變化。電介質(zhì)在高溫作用下，還可能發(fā)生明顯的化學(xué)變化而導(dǎo)致熱損壞。2、電介質(zhì)的熱劣化和長期耐熱性熱劣化—電介質(zhì)在稍高溫度的作用下，發(fā)生絕緣性能的不可逆變化。3、電介質(zhì)的耐