第二章 液体、固体介质的电气特性

第二章液体和固体电介质的绝缘特性电气设备中，除了某些场合采用气体作为绝缘外，广泛采用的是液体和固体电介质作绝缘。固体介质除用作绝缘外，还常作为支撑、极间屏障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。液体介质除用作绝缘外，还常作为载流导体和磁导体的冷却剂，在一些开关电器中，还可用它做灭弧材料。因此，对于固体介质和液体介质，不仅要求其绝缘强度高，而且随其用途的不同，还要求其具有电、热、机械、化学和物理等方面的性能。为此必须要研究液体介质、固体介质的电气性能和击穿机理，以及影响其绝缘强度的各种因素，从而了解判断其绝缘老化和损伤的程度，合理地选择和使用绝缘材料。液、固体介质与气体介质相比的特点：1.固体介质为非自恢复绝缘2.作为内绝缘不受大气条件变化的影响3.液体、固体介质存在老化问题表征绝缘材料性能的几个基本电气参数：ε－介电常数－表征极化强弱ρ－电阻率－表征导电性能γ－电导率－表征漏电性能tgδ－介质损耗角正切－表征介质损耗大小E0－击穿场强－表征绝缘性能（耐电性能）第一节电介质的极化在电场力作用下，使介质原子正负电荷中心沿电场方向产生有限位移的现象，称为电介质的极化。一、极化的特征：真空时：直流电压U对电容器充电极板上电荷：Q0电容器的电容量：C0=Q0/U=ε0A/dA：极板面积d：极间距离ε0：真空的介电常数（8.86×10-14F/cm）UrdAdAUCCUQQQ000000中心位置两极分化形成电矩，产生与外施电场E方向相反的E，在介质表面出现束缚电荷放入介质时：直流电压U对电容器充电，极板上电荷为Q0+ΔQ0ΔQ0就是介质极化引起的。εr的物理意义：电极间加入电介质后，由极化引起的电容量比真空时的电容量加大的倍数。因此可以用εr来表征介质极化的强弱。气体εr≈1液体εr：非极性1.8－2.5极性2.0－6.0固体εr：2.0－10.0U相对介电常数极化现象：电场中有电介质时，由于电场的作用在沿电场方向表面出现束缚电荷，形成电偶极矩的现象。E0极化前极化后++++-+----+-+-二、电介质极化基本类型电介质的极化有五种基本形式：电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化夹层介质界面极化（归到空间电荷极化）极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-14∼10-15s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（无关）消耗能量：弹性极化、无损1.电子位移极化电源频率（无关）温度（随温度升高而增加）消耗能量：弹性极化、无损2.离子位移极化极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12∼10-13s极化程度影响因素：电场强度（有关）离子间结合力↑↑离子密度↓极化机理：极性分子转向介质类型：极性介质、离子偶极子极化的离子性介质建立极化时间：需时较长，10-6∼10-2s3.转向极化（偶极子极化）极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关）温度（温度较高时降低，低温段随温度增加）消耗能量：非弹性极化、有损3.转向极化（偶极子极化）4.夹层介质界面极化高压设备的绝缘存在分层介质不均匀介质含有杂质的介质受潮的介质均可视为分层绝缘在外电场作用下，在分界面上堆积电荷，产生电矩，称为夹层极化。有损极化能量损耗12210CCUUt当K合上时：t=0主要流过ic电压按C反比分配t∞C相当于开路，流过iR122121GGRRUUt通常1212GGCC故ttUUUU21210∴当K合上后，两层介质间有一个电压重新分配的过程，即C1、C2上的电荷重新分配设C1C2G2G1则当t=0时U1U2当t→∞U1U2当t0U1U2C1的电荷通过G1放电，C2从电源经G1再吸收一部分电荷Q吸收，于是分层介质的界面上将堆积电荷，这种现象称为电介质的吸收现象，该极化称为夹层极化,吸收过程的放电时间常数为T=(C1+C2)/(G1+G2)也是当去掉外加U后内部电荷释放的时间常数当C较大的设备断电后相当长时间内仍有很高电压。特别注意:要充分接地放电后才能触及设备。极化机理：带电质点移动介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）消耗能量：非弹性极化、有损4.夹层介质界面极化极化机理：正、负自由离子或电子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）消耗能量：非弹性极化、有损5.空间电荷极化1.在电容器中希望εr大，使单位容量的体积和重量下降；2.在电缆中希望εr小，使电缆工作时充电电流小；3.在电机定子线圈出槽和套管希望εr小，以提高沿面放电电压；4.分层介质中E与εr成反比分配，因此有气泡时，E气泡很高，易引起局部放电，设备制造中应避免气泡；5.预防性试验中，可用夹层极化现象来判断绝缘受潮情况；6.在使用大C设备时，注意吸收电荷对人身安全的威胁。三、研究极化强弱的意义：第二节电介质的电导流过电介质的电流介质等值电路当k1合上i=f(t)i=ic+ia+igic－电容电流由无损极化引起，存在时间短ia－吸收电流由有损极化（主要为夹层极化）引起存在时间长几分钟－几十分钟ig－泄漏电流或电导电流不随时间变化一、泄漏电流和绝缘电阻定义：在直流电压作用下，经过一定时间，当极化过程结束后，流过介质的电流为稳定电流称为泄漏电流或电导电流，与其对应的电阻或电导称为绝缘电阻或绝缘电导。二、研究介质电导的意义（1）绝缘试验中以测I泄漏R∞K吸收比来判断绝缘受潮劣化缺陷K吸收比=R60”R15”对电容量小的试品K吸收比=R10’R1’对电容量大的试品如大型电机、长电缆K吸收比≥1.3越大表示绝缘越良好吸收现象不严重K吸收比→1说明吸收现象严重表示绝缘受潮或有缺陷（2）设计串联多层介质的直流设备时，因为U分布与各层G成反比，故应注意所选介质的电导尽量使材料得到合理使用（合理分压）（3）易受潮的设备应作表面防潮处理（4）有时希望绝缘电阻较低，如高压套管法兰附近、高压电机定子出槽口部分可涂半导体漆来改善电压分布消除电晕第三节电介质的损耗电介质损耗有损极化损耗附加损耗绝缘电阻损耗泄漏损耗导体的电阻损耗P金属=f(i2)与电压无关电介质的损耗P介质=f(U2)与负载大小无关交流U作用下介质损耗两者均有直流U作用下介质损耗只有后者一、介质损耗及介质损耗角正切损耗主要由电导引起，采用并联电路损耗主要由极化和连接线引起，采用串联电路简化介质损耗P=tgUIUIUIcRcos)()(tgfftgCUp2δ称为介质损耗角，是功率因数角φ的余角)()(pppppCRRfRCfCURUIItg11当设备结构定后因此介质损耗角正切tgδ反映绝缘本身的状态受潮有缺陷IR有气泡杂质夹层极化tgδ绝缘劣化过程：tgδIR发热劣化即tgδ大小反映了运行中劣化的快慢，因此测tgδ是预防性试验项目之一，它对判断绝缘是否大面积受潮特别有效。P二、影响介质损耗的因素1.气体电介质：εr=1很小EE0电导很小附加损耗小泄漏损耗小∴tgδ很小10-8常见气体（如空气、N2、SF6等）作为标准电容器的介质2.液体和固体介质1）中性或弱极性介质：它们的极化主要是无损极化因此损耗主要是由漏导决定按指数规律增长2）极性液体、固体介质：电导损耗极化损耗主要影响因素频率f温度t电压uf对tgδ影响很大但电网频率f=50HZ时影响甚小损耗主要包括两种多数极性介质tt1:热运动强，妨碍偶极子在E作用下作有规则运动极化电导损耗（ttgδ)tgδtt1:热运动弱，阻力大，极化弱，因此t阻力极化tgδtt2:极化损耗减小比电导损耗增加的作用小∴ttgδU达到起始游离电压U0以上时若有气泡、杂质、缺陷（如龟裂）就开始发生游离局部放电产生附加损耗tgδ因此在较高电压下测量tgδ可以查气泡、杂质、缺陷等情况讨论tgδ的意义:（1）合理选择绝缘材料发热可能导致热击穿（2）可通过预防性试验判断绝缘状况tgδ绝缘材料受潮、劣化（3）可利用tgδ大的材料来进行均匀加热泥坯加热tgδ第四节液体介质的击穿机理现广泛使用的从石油提炼出的矿物油变压器油电缆油电容器油变压器断路器套管作绝缘介质灭弧介质冷却剂其次有蓖麻油、人工合成的氯化联苯、十二烷基苯等下面主要分析变压器油击穿机理纯净的液体击穿场强很高工程纯液体混有杂质的油Ub为什么？一、液体介质的击穿机理变压器油的击穿过程主要是极性分子水分纤维被游离的气体在E作用下在电极间逐渐排列成小桥将间隙接通泄漏电流发热水分汽化形成气泡气泡游离气泡小桥从而导致油间隙的击穿可用小桥理论来定性解释它的击穿过程二、影响液体电介质击穿电压的因素1.杂质（以水分特别是含水纤维）的影响最为严重油中呈悬浮状态的小水滴将使Ub当含水量0.02－0.03％时，由于过多的水分将下沉底部，故抗电强度基本稳定。2.油的品质为了判断油的好坏，常用标准电极油间隙的工频Ub来表示油的质量等级，称为油的品质Q标准试油杯国家要求：新油≮使用中油≮35kV40kV35kV6－35kV30kV25kV6kV25kV20kV油品质的高低主要用于判断油中杂质多少的情况不能作为油的放电电压（一般作五次取平均值）均匀电场加U∽QUb∽∵Q高杂质少不易形成小桥∴在均匀电场中Q收效大不均匀电场加U∽Ub∽基本不变Q∵针尖附近电晕离子的扰动将阻止小桥形成∴在不均匀电场中过分强调Q其意义不很大3.电场均匀程度的影响4.温度tt在00C左右呈乳化悬浮状态的水分最多Ub最低t00Cε冰≈ε油00t60-800C:t油中的悬浮状态水分逐渐转为溶解水Ub5.作用时间加压后由于油中杂质聚集到电极以及介质的发热均需要一定的时间。∴tUb一般1－2分钟后，Ub不再随t而变故工频耐压试验t通常取为1mint60-800C：t水分蒸发在油中产生大量气泡Ub反而三、提高液体介质击穿电压的方法1.制造时采用：烘干、真空浸胶、真空灌油、设油枕、设带干燥剂的呼吸器、充氮保护等。杂质Ub2.在绝缘结构上采用覆盖绝缘层极间障杂质的影响覆盖（屏蔽）：在曲率半径小的电极上覆盖薄的(1mm)的电缆纸黄蜡布涂漆膜在较均匀的电场中Ub可70－100％在不均匀的电场中Ub可10－15％因此，在充油设备中很少采用裸导体作用：限制泄漏电流、阻止小桥的形成和发展Ub∽分散性作用：阻止杂质小桥的形成和发展承担一定的电压使电极附近油中的最大EUb∽Ub冲绝缘层：在不均匀电场中曲率半径小的电极上包裹较厚的(几mm)的电缆纸等固体绝缘层。极间障：也称隔板、屏障在油中采用厚度2－7mm的纸、胶纸、胶布等压板或圆筒、圆管作用：机械地阻止杂质小桥的形成和发展改善电场分布在均匀电场中，有阻止小桥形成和发展的作用但仅能在高压变压器、油断路器中还常常采用多个极间障以得到更好的效果，但注意障间距离要6mm以利于油的循环冷却。20％(1)装置扩张器－将油与大气隔绝(2)在油呼吸通道中装过滤器(3)油容器中充氮，防止油氧化(4)掺入抗氧化剂吸收氧吸收水分3.延缓油的老化第五节固体电介质的击穿特性固体介质在工程中广泛用于绝缘和支撑，为非自恢复绝缘。1.电击穿介质中存在少量传导电子在高E作用下与晶格碰撞碰撞游离击穿特点：(1)是高电场下（106－107V/cm）造成的，发展时间极短10－6－10－8秒(2)Ub高，Ub与电压作用时间无关，只有当作用时间短到μs级时，Ub才(3)电介质发热不显著，温度不高(4)Eb与电场均匀程度有关，而与周围环境温度高低无关一、固体介质的击穿机理2.热击穿由于介质在E作用下，因损耗而发热，导致温度不断上升，超过了材料的耐热能力，造成介质的热破坏，称为热击穿。特点：(1)Ub随环境温度而指数(2)Ub不随厚度成正比(3)电压频率Ub(4)热积累需时间，当U上升快或加压时间短Ub电介质在长期运行中会发生环境老化：太阳光、雾、氧、臭氧、污秽盐酸碱等引起电气性能电老化：在E作用下电解电离氧化形成新的物质使绝缘性能