第03章 液体和固体介质的电气特性

1第三章液体和固体介质的电气特性1液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶液体和固体介质2电导率(绝缘电阻率)介电常数介质损耗角正切击穿电场强度tgbE表征参数：电介质的电气特性表现在电场作用下的导电性能介电性能电气强度电介质的电气特性及表征参数34第一节电介质的极化、电导和损耗4电介质的极化电介质的电导电介质的损耗一切电介质在电场的作用下都会出现极化，电导和损耗等电气物理现象。不过气体介质的极化，电导和损耗都很微弱，一般可忽略不计，真正需要注意的只有液体和固体介质在这些方面的特性。5介电常数：表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时，其电容量为：一、电介质的极化电介质的极化：电介质在电场作用下，正负电荷的定向移动dAUQC000ε0---真空的介电常数A---极板面积，cm2d---极间距离，cm6放置固体介质时,电容量将增大为:dAUQQC'000CCr相对介电常数：ε0---真空的介电常数ε---介质的介电常数εr---介质的相对介电常数A---极板面积，cm2d---极间距离，cmεr是反映电介质极化特性的一个物理量。介电常数7可见，气体εr接近于1，液体和固体大多在2～6之间。8用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用εr较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流。9最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。电介质的极化型式10(一)电子式极化在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩,其值为,（矢量的方向为由－q指向＋q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。Emlqml11电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：（1）完成极化需要的时间极短，10-15s；（2）外电场消失，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。电子式极化特点12(二)离子式极化固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。131、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；2、所需时间很短，其几乎与外电场频率无关。离子式极化的特点141、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强；r2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其一般具有正的温度系数。温度对离子式极化的影响15(三)偶极子极化极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。16出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。17偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，10－10～10－2s，所以极性电介质的值与电源频率有较大关系。r偶极子极化与频率f的关系18频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其值变小，如图所示。其中相当于直流电场下的相对介电常数。0rrff1以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，值不断下降；当f＝f2时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，减小到。rrr19偶极子极化与温度t的关系温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。20对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以很小。液体、固体介质的在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，又开始随着温度的上升而减小。rrr21(四)夹层极化凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。22t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：12021CCUUt1221GGUUt23一般即C1、C2上的电荷需要重新分配1212GGCC于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。12021CCUUt1221GGUUt24二、电介质的电导电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。251、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。2、离子电导：电介质中的正负离子沿电场方向移动形成电导电流即离子电导，电阻率1010～1014杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率1017～1019cmcm263、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。27固体、液体介质的电导率与温度T的关系：TBAe式中：A、B为与介质有关的常数，其中固体介质的常数B通常比液体介质的B值大的多。T为绝对温度，单位为K。该式表明,随温度T按指数规律上升。28三、电介质的损耗(一)电介质的损耗的基本概念介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。29CRIII交流时：流过电介质的电流30本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站此时介质的功率损耗：式中：—电源角频率；－功率因数角；－介质损耗角。tgCUtgUIUIUIPPCR2cos31介质损耗角δ为功率因数角的余角，其正切tgδ又可称为介质损耗因数，常用百分数（％）来表示。通常采用介质损耗角正切作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标。tgCUtgUIUIUIPPCR2cos32(二)气体、液体和固体介质的损耗1.气体介质损耗气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。气体介质的tgδ与电场强度的关系33本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为：20EP式中：-电介质的电导率，S/cm；E-电场强度V/cm。（W/cm2）与温度有指数关系，P0也以指数规律随温度的上升而增大。极性液体介质的损耗与温度的关系如图所示。tg2.液体介质损耗（1）中性和弱极性液体介质34在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的亦上升，并在t＝t1时达到极大值；tg35在t1tt2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小超过了电导损耗的增加，所以总的曲线随t的升高而下降，并在t=t2时达到极小值。tg36在tt2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而就随时间t的上升而持续增大。tg373.固体介质损耗(1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20ºC和50Hz时＝2％～5％；玻璃：电导损耗＋极化损耗，损耗与玻璃成分有关。tg38非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。(2)有机绝缘材料可分为非极性和极性39小结电介质的极化o电子式极化o离子式极化o偶极子极化o夹层极化电介质的电导为表征电介质导电性能的主要物理量电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗40本节完思考题1.常用的液体和固体介质有哪些？2.简述液体和固体电介质的电气特性及表征参数。4142第三章液体和固体介质的电气特性4243第二节固体介质的击穿43课程内容固体介质的击穿理论电击穿理论热击穿理论电化学击穿影响固体介质击穿电压的主要因素电压作用时间电场均匀程度温度受潮累积效应44电过程（电击穿）热过程（热击穿）电化学过程（电化学击穿）在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：45实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于以下多种因素：介质本身的特性；绝缘结构形式；电场均匀性；外加电压波形；外加电压时间；工作环境（周围媒质的温度及散热条件）46常用的有机绝缘材料，如纤维材料(纸、布和纤维板)以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。47一、固体介质的击穿理论(一)电击穿理论1、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。2、在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强可达105-106kV/m。48①与周围环境温度无关；②除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；③介质发热不显著；④电场均匀程度对击穿有显著影响。3、电击穿的主要特征49(二)热击穿理论固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。50如图所示，在三个不同电压下(U1U2U3)有相应的发热曲线1、2、3；4为散热曲线。Q1和Q2分别代表发热和散热介质的发热和散热与温度的关系51本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站①曲线1，Q1Q2，介质一定击穿；②曲线2，与散热曲线4交于k点，它是不稳定的平衡点，ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。52本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站③曲线3和曲线4有a、b两个交点，a为稳定的热平衡点，b为不稳定的热平衡点，ttb时，介质发生击穿。53为使介质的发热和散热有正确的配合关系，途径是：①在不改变发热的前提下，改善散热条件，使散热曲线的斜率增大；热击穿实际是一个热不平衡的过程，击穿所需时间较长。②在不改变散热的前提下，降低发热，减小施加在介质上的电压54(三)电化学击穿固体介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。55局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；2)温升使局部介质损耗增加；3)切断分子结构，导致介质破坏