第二章液体、固体介质的电气特性案例

第二章液体、固体介质的电气特性高电压技术中国石油大学胜利学院第一篇各类电介质在高电场下的特性第一节电介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化极化的定义：电介质在电场中所发生的束缚电荷的弹性位移和偶极子的转向现象，称为电介质的极化。电介质的相对介电常数εr：是综合反应电介质极化特性的一个物理量。它是表征电介质在电场作用下极化现象强弱的指标，其值是由电介质本身的材料决定的。极化最基本的形式分为电子式、离子式和偶极子式极化。另外还有夹层介质界面极化和空间电荷极化等。综上所述，对具体介质而言，必须说明其相对介电常数εr对应的极化条件：频率和温度。20℃时工频下气体介质由于密度很小，其εr接近于1，而液体和固体介质的εr大多在2~6之间。各种电介质的εr差别是很大的，了解电介质的极化在工程上是很有意义的。比如在几种绝缘材料组合使用时，应注意各种材料的εr的配合，使之电场分布较为合理。在预防性试验中，利用材料的极化性质，有助于判断电气设备的绝缘状态。二、电介质的电导1.电介质电导的定义：在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而形成电流的现象，称为电介质的电导。电导率是表征介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。2.电介质的电导的分类：电介质电导分为离子电导、电子电导.（1）离子电导：电介质在电场或外界因素影响下（如紫外线辐射）本身会产生电离，电介质中的正负离子沿电场方向移动，形成电导电流，这就是离子电导。（2）电子电导：电介质中的自由电子是在高电场作用下，离子和电介质分子碰撞电离激发出来的，这些电子在高电场作用下移动形成电子电导电流。一般很微弱，因为介质中自由电子数极少，当电介质中出现电子电导电流时，表明电介质已被击穿。因此一般电介质的电导都是指离子电导。3.液体电介质的电导》液体电介质分为中性、弱极性和强极性三类。》杂质是液体介质中带电质点的重要来源。》中性液体离子来源于杂质分子的电离；》极性液体除杂质外，其本身分子也易离解，所以相同条件下，其导电率比中性液体要大。4.固体介质的电导分为表面电导和体积电导，构成固体电介质电导的主要因素是离子电导。非极性和弱极性固体电介质的电导主要是由杂质离子造成的，对于偶极性固体电介质，因本身分子能离解，所以其电导是由本身和杂质离子共同造成的。对于离子性电介质，电导的大小和离子本身的性质有关。kTA/e实践都证明：液体介质电导率γ与温度有以下关系：此公式同样适用于固体介质5.电介质电导在工程中的意义（1）串联的多层电介质在直流电压作用下，各层电压分布与电导成反比，因此设计用于直流的电气设备时要注意所用电介质的电导率，尽量使材料得到合理的使用。（2）工程上有时要设法增大电导，以改善电场分布、消除电晕。（3）设计绝缘结构时，注意环境湿度对固体电介质表面电导的影响，注意亲水性材料的表面防水处理。（4）在绝缘预防性试验中，通过测量介质的绝缘电阻和泄漏电流来判断绝缘是否存在受潮或其他劣化现象。三、电介质的损耗1.基本概念在电场作用下电介质总有一定的能量损耗，电介质的能量损耗简称介质损耗。介质损耗的基本形式由电导引起的损耗，称为电导损耗；由某些有损极化引起的损耗，称为极化损耗。电导损耗：由电介质中的泄漏电流引起，交、直流电压下都存在，一般很小。极化损耗：由有损极化所引起的；仅存在于交流电压下，在直流电场中，极化的建立过程仅在加压瞬间出现一次，可略去。电介质的等效电路321IIII2.介质损耗角正切介质损耗有两种：极化损耗、电导损耗直流电压下只有电导损耗交流电压下既有电导损耗，还有周期性极化引起的极化损耗。介质损耗角=功率因素角的余角介质损耗角的正切tg称为介质损耗因数介质损耗角正切tg等于有功电流和无功电流的比值。常用百分数（%）来表示。RCCURUIItgcR111tgCUtgUIUIUIPpCR2cos通常采用功率因数角的正切作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量各种电力设备绝缘的tg值已成为电力系统中绝缘预防性试验的重要项目之一。判断介质的品质3.气体介质的损耗但当气体中的电场强度达到放电起始电压U0（或E0）时气体将发生局部放电，损耗急剧增加。气体中的损耗主要是电导损耗，损耗极小，且与电压无关。4.液体电介质的损耗中性或弱极性液体介质的损耗，主要为电导损耗，其损耗与温度的关系也和电导一样；与电压的关系和气体是一样的。极性液体介质的损耗除了有电导损耗之外还有极化损耗，因此损耗比中性液体要大，且其大小与温度、外加电压和电压的频率有关。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，因为tg就随时间t的上升而持续增大。介质损耗与频率的关系当电源频率增高时，，由图可见，整个曲线右移这是因为在较高的频率下，偶极子来不及充分转向，要是转向极化充分进行，就必须减小粘度即升高温度。21ff5.固体介质的损耗：固体介质分为：有机绝缘材料和无机绝缘材料。其中有机绝缘材料又分为极性有机电介质、非极性有机电介质极性有机电介质的损耗为电导损耗和极化损耗，tg较大。tg与温度、频率的变化关系与极性液体介质相似；极化损耗使总损耗较大非极性有机电介质的损耗主要为电导损耗，tg较小有极绝缘材料云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的无机绝缘材料，但机械性能差；电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20℃和50Hz时tg=2%~5%;玻璃：具有电导损耗和极化损耗，tg的值与玻璃的成分有关。无极绝缘材料（离子结构固体介质）无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃。电介质的损耗在工程上的意义：（1）选择绝缘材料。在设计绝缘结构时，必须注意绝缘材料的介质损耗（tg），过大会引起严重发热，使材料容易劣化，甚至导致热击穿；（2）在绝缘预防性试验中判断绝缘状况。当绝缘受潮或劣化时，tg将急剧上升；绝缘内部是否存在局部放电，也可以通过与U的关系曲线加以判断。第二节液体介质的击穿在工程上常用的液体电介质有矿物油及人工合成油（如硅油等）等几类。目前应用最广泛的是从石油中中提炼出来的矿物油，如变压器油、电缆油、电容器油和开关油等。一、液体介质击穿的概念绝缘液体的击穿场强除了受外加电压的类型、时间与幅值，以及电极的形状、材料和表面特性这些因素的影响外，击穿电压的大小还主要受油中水和气的含量以及其他杂质的影响1.被掩盖的气体放电在短时交流电压，特别是在脉冲电压作用下，可以认为绝缘液体的击穿是由电子碰撞电离造成的。油中易挥发的成分，油中的外来气体在液体分子间形成微小的“空穴”。在外加电场作用下，由于电场和热的双重作用，将使气泡（空穴）即油隙完全击穿。故将油隙击穿称为被掩盖的气体放电。2.纤维桥接击穿在实际运行中，由于设备元件可能分离出较大的固体杂质，如纤维或其他不溶解物，在外电场作用下，在电极间他们相互连接，搭成导电桥，称之为纤维桥。国家对标准油杯推荐了电极形状：球形电极二影响液体介质击穿电压的因素工程中检验油的质量的最重要的实验项目是用标准油杯测量油的工频击穿电压。球盖形电极；对经过过滤处理、脱气和干燥后的油及220KV以上电力设备内的油，应采用球盖形电极进行试验平行圆盘电极对变压器油，其标准油杯中的击穿电压一般为Ud25Kv~40Kv；对变压器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压一般为Ud50Kv~60Kv；注意：在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油的品质的衡量标准。1、电压作用时间的影响电压作用时间很短时，具有电击穿的性质，电压作用时间越长，杂质形成小桥，介质发热越充分，将发生热击穿过程，击穿电压越低。击穿电压随加压时间的增加而下降2、温度、含水量、含气量的影响油的击穿电压与温度关系比较复杂，和含水量、含气量有很大的关系。击穿场强不仅与温度，而且也与含水量有关。3、杂质的影响一般来说杂质的含量越高，液体介质击穿电压降低的越多。油中主要的杂质就是水分。另外还有其他固体杂质，比如含纤维量：纤维的含量即使很少，对击穿电压油很大影响。4、油量的影响三、减少杂质影响的方法由于油中杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响，所以从工程角度考虑，应设法减少杂质的影响，提高油的品质。1、提高油品质的方法（1）过滤将油中在压力下连续通过滤油机中的大量滤油层，油中杂质（包括纤维、碳粒、树脂、油泥等）被滤纸阻挡，油中大部分的水分和有机酸等也被滤纸纤维吸附，从而大大提高油的品质。（2）祛气常用的方法是先将油加热，在真空中喷成雾状，油中所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件下将油注入电气设备中。（3）防潮对于油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入口防干燥剂，以防潮气进入。2、采用“油-屏障式”绝缘（1）覆盖层覆盖层是指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层（1mm），其主要作用是限制泄漏电流，阻止纤维小桥的发展，这种方法主要适用于电场较均匀的时候（2）绝缘层当覆盖层的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝缘层。其作用减小油中杂志的有害影响，而且能降低电极表面附近的Emax，从而大大提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压；通常用于不均匀电场中。（3）隔板（屏障）屏障又称为极间障或隔板。一方面阻止纤维小桥形成（贯穿两个对极），另外还可以改善间隙中的电场分布（均匀度），提高击穿电压。小结纯净的液体介质的击穿属于电击穿；工程中液体介质的击穿属于热击穿；杂质是影响液体介质击穿的重要因素；提高液体介质击穿电压的方法：1、提高油品质的方法；2、采用“油-屏障式”绝缘第三节固体介质的击穿在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿。击穿后其绝缘性能不能恢复电过程（电击穿）热过程（热击穿）电化学过程（电化学击穿）一、固体介质的击穿理论（一）电击穿过程固体介质的电击穿是指仅仅由于电场作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象，以碰撞游离为基础。固体介质的击穿通常为电击穿。电击穿的主要特征：击穿电压高，击穿时间短；与周围的环境温度无关；除时间短的情况，与电压作用时间关系不大；介质发热不显著；电场均匀程度对击穿有显著影响（二）热击穿过程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，介质温度就不断上升而导致绝缘破坏，如介质的分解、熔化、碳化和烧焦，从而引起热击穿。热击穿的过程：t↑→g↑→I↑→t↑↑U↑→I↑→tg↑→t↑↑U较小时，在绝缘能够耐受的温度下达到热平衡，否则达破坏温度。》击穿电压较低，击穿时间较长；》击穿电压与环境温度、周围煤质的散热能力和散热条件有关；》击穿电压与电压作用时间有关；》击穿电压与频率有关；》击穿电压与介质本身的耐热能力有关；》击穿电压与介质尺寸有关热击穿的主要特征（三）电化学击穿理论固体介质在热、电、化学和机械力的长期作用下以及由于介质内部发生局部放电等原因，是绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。局部放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因。二、提高固体介质击穿电压的方法1、改善绝缘设计：2、改进制造工艺：3、改善运行条件第四节组合绝缘的电气强度（了解）实际电气设备的绝缘通常都不是由单一的电介质构成的，而是由多种电介质组合而成。一、各组分间的相互渗透1、介质之间的相互渗透许多固体介质的结构并不是十分紧密，当其与某些液体或气体介质组合使用时，这些液体或气体介质会渗透到固体介质中去该固体介质的特性必然与渗入介质的特性有关。2、介质之间的相容性组合绝缘必须注意各种介质的相容性。所谓相容性是指各种介质之间互不腐蚀、互不污染、互不影响。应特别注意液体介质与各种有机合成材料及金属件之间的相容性。若果相容性不好，可能会使有机合成材料的电性能和机械性能劣化；使橡胶制品溶胀、发粘、失去弹性；使金属件或镀层腐蚀等。同时液体介质自身也会受到被溶物资的污染。3、水分在组合绝缘中的分布一般的有机介质，不论液体还是固体都会不同程度的含有一些水分，这些水分对其绝缘性能和老化过程影响很大。4、油流起电强迫油冷的电气设备，当油以相