高电压技术第四章ppt课件.pptx
内蒙古科技大学电气教研室,内蒙古科技大学电气教研室,极化特性：介电常数损耗特性：介损tg电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传导机理等，电导G 或电阻R电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（Vt ）等，击穿电压UC 或击穿场强EC,电介质电气性能的划分,内蒙古科技大学电气教研室, 电介质物质结构的基本形式 极化(polarization)与电介质(dielectrics) 电介质极化的基本类型 电介质的介电常数 讨论极化的意义,第1 节电介质的极化及介电常数,内蒙古科技大学电气教研室,电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关离子键：强极性键，离子结构电介质玻璃、陶瓷共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子非极性电介质聚四氟乙烯、氮气极性共价键（电负性不同），极性分子极性电介质环氧树脂、三氯联苯弱极性电介质聚苯乙烯存在分子异构或支链,1、电介质物质结构的基本形式,内蒙古科技大学电气教研室,平板真空电容器电容：插入固体电解质后电容：电容量增大的原因在于电介质的极化现象， Q 是由电介质极化引起的束缚电荷,2、极化与电介质,内蒙古科技大学电气教研室,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,极化与电介质,内蒙古科技大学电气教研室,用极化强度P来表征极化的强度，定义为单位体积的电极矩，与外加电场强度有关极化强度P与介电常数 的关系：,内蒙古科技大学电气教研室,3、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）,内蒙古科技大学电气教研室,液体电介质的介电常数,非极性和弱极性电介质如石油、苯、四氯化碳、硅油等，r 数值不大，在1.82.5范围内,r 和温度的关系相似单位体积中的分子数与温度的关系极性电介质如蓖麻油、氯化联苯等， r数值在26范围内。还能用作绝缘介质强极性电介质如酒精、水等, r10，其电导也很大，不能用做绝缘材料。用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大,内蒙古科技大学电气教研室,介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）,根据转向极化的特点，对介电常数随温度及频变化的趋势作出解释：T不变 f 增大，r 减小f 不变 T 升高，r 先增后减粘度（分子间联系）分子热运动,内蒙古科技大学电气教研室,固体电介质的介电常数,非极性和弱极性固体电介质如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等 电介质只有电子式极化和离子式极化， r 在2.02.7范围 r与温度的关系相似单位体积内的分子数与温度的关系,内蒙古科技大学电气教研室,固体电介质的介电常数,极性固体电介质树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36 ，r和T及f 的关系和极性液体的相似离子性电介质如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右,内蒙古科技大学电气教研室,5、讨论极化的意义,选择绝缘在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常数r对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r 较大的介质,对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的介质,内蒙古科技大学电气教研室,5、讨论极化的意义,多层介质的合理配合对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层场强分布与其r 成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用,内蒙古科技大学电气教研室,如果固体绝缘中存在气泡，由于气体的r是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生电离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。如采用油浸方式能改善电场分布在电缆芯处使用r较大的材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的耐电强度,内蒙古科技大学电气教研室,电介质极化应用实例一,平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布,内蒙古科技大学电气教研室,1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm(2)插入后：Vs/Va= a / s，得Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV)Es=16.7 kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV)Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强故插入聚乙烯板后空气间隙击穿,内蒙古科技大学电气教研室,电介质电气性能的划分, 极化特性 电气传导特性 损耗特性 电气击穿特性,内蒙古科技大学电气教研室,1、电介质中的传导电流,电气传导电流概念表征单位时间内通过某一截面的电量传导电流的组成电介质中的传导电流含漏导电流和位移电流两个分量漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的，又称泄漏电流位移电流：由电介质极化造成的吸收电流,内蒙古科技大学电气教研室,2、电介质中传导电流的测量,三电极法,测量介质中电流的电路图,内蒙古科技大学电气教研室,介质中的电流与时间的关系,ic：快速极化造成的充电电流ia：空间电荷极化等缓慢极化形成的，又称吸收电流ig：趋向稳定值的漏导电流，又称泄漏电流,内蒙古科技大学电气教研室,在温度高于室温附近,要达到稳定的泄漏电流需要几个小时的时间，在更低的温度下(20)，电流很难趋向稳定的漏导电流通常的1min绝缘电阻测量仅仅是为了工程上的方便，实际上并没有物理意义，关于这一点必须注意。,例：聚乙烯的电流-时间特性,内蒙古科技大学电气教研室,三电极法测量介质的体积电阻率V为 单位.cm式中S 为测量电极的面积，d 为介质厚度RV 由测量的漏导电流ig及电压值u决定，RV=U/ig介质的体积电导率v 为,3、介质的体积电导和表面电导,内蒙古科技大学电气教研室,实际测量时，因平行电极存在极间场强不均匀的问题需加保护电极，或者用三电极法上的同心圆环测量, 介质的表面电阻率和电导率,单位,内蒙古科技大学电气教研室,气体电介质的电导气体中无吸收电流气体离子的浓度约为5001000对/cm3,4、电介质的电导,内蒙古科技大学电气教研室,分成三个区域区域1：E1510-3 V/cm，电流密度j 随着E 增加而增加区域2：场强进一步增大，j趋向饱和以上两者的电阻率约10-22/cm量级区域3 ： 场强超过E2103V/cm时，气体电介质将发生碰撞电离，从而使气体电介质电导急剧增大,气体电介质中的电流密度场强特性,内蒙古科技大学电气教研室,液体中极化发展快，吸收电流衰减快电导构成：离子电导、电泳电导离子电导：由液体本身的分子和杂质的分子解离为离子电泳电导：液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点构成,液体电介质的电导,内蒙古科技大学电气教研室,非极性电介质电导率： 10-18/cm弱极性电介质电导率： 10-15/cm极性电介质的电导率：10-1010-12/cm如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，由于损耗太大，不能用作绝缘材料,内蒙古科技大学电气教研室,分成三个区域区域：电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律区域 ：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域区域 ：场强继续增大超过某一极限， 因Shottky效应电极发射电子引起电流激增，最终击穿,离子性电导与电场强度的关系,极纯净液体电介质中电压电流特性,内蒙古科技大学电气教研室,分成两个区域区域1：在电场强度小于某定值时，电导基本上为一常数区域2：在电场强度超过某定值，离子数剧增，电导迅速增加，电流密度随场强呈指数规律增长饱和电流段观察不到,离子性电导与电场强度的关系,工程用纯净液体电介质中电压电流特性,内蒙古科技大学电气教研室,离子性电导随温度的升高而增加,内蒙古科技大学电气教研室,中性分子电介质的电导主要是杂质离子引起的，高温时，中性分子可能发生分解产生自由离子，形成电导纯净介质的电导率可达10-1710-19 /cm 极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电导较大，较大的可达10-1510-16 /cm,固体电介质的电导,内蒙古科技大学电气教研室,离子式电介质的电导主要是由离子脱离晶格而移动，电导的大小和离子本身的性质有关，也与杂质离子有关固体电介质的电导与材料的宏观结构有关，如纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻率较小固体介质中电流的吸收现象比较明显,固体电介质的电导,内蒙古科技大学电气教研室,区域1：符合欧姆定律，也称低场强领域区域2：电流随场强非线性增加区域3：出现破坏先导电流区域2、3也称高场强领域和液体、气体不同，固体中的电压电流特性没有饱和状态,固体电介质的电压电流特性,内蒙古科技大学电气教研室,表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，干燥清洁的固体介质的表面电导很小介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质,固体介质的表面电导,亲水性介质：玻璃、陶瓷憎水性介质：石蜡、聚四氟乙烯、硅有机物,内蒙古科技大学电气教研室,绝缘预防性试验的理论依据预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理,5、讨论电导的意义,内蒙古科技大学电气教研室,主要内容 固体电介质的击穿过程 有机绝缘材料的电树老化 影响固体电介质击穿电压的主要因素 电介质的其它性能,固体电介质的击穿,内蒙古科技大学电气教研室,气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右液体的耐电强度在10 20 kV/mm固体的耐电强度在十几至几百kV/mm固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性,概述,内蒙古科技大学电气教研室, 固体电介质击穿特性的划分 电击穿 热击穿 电化学击穿（电老化,一、固体电介质的击穿过程,内蒙古科技大学电气教研室,固体电介质击穿特性的划分区域A：击穿时间小于10s 的区域，击穿电压随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒特性区域B ： 击穿时间在100.2s范围的区域，击穿电压恒定击穿都具有电击穿的性质,一、固体电介质的击穿过程,内蒙古科技大学电气教研室,区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点区域D ：C区以外，击穿时间在几十个小时以上，甚至几年，介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化,A、B 区：电击穿C 区：热击穿D 区：电化学击穿电老化击穿,内蒙古科技大学电气教研室,固体电介质中发生碰撞电离-固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电离的理论固有击穿理论电子崩击穿理论,电击穿,内蒙古科技大学电气教研室,A(E,T0) = B(,T0)A(E,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量B(,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量E：电场，a ：标志电子的状态因子，T0：晶格温度固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成立，获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引起破坏，称之为固有击穿理论电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得 到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩， 电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构破坏， 称之为电子崩击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,作用时间电压作用时间短，击穿电压高介质特性介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导致介质击穿电压降低电场均匀：电场的均匀程度影响极大累积效应在极不均匀电场中、冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关,电击穿的特点,内蒙古科技大学电气教研室,A范围：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质B范围：温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程,热击穿,内蒙古科技大学电气教研室,电介质不断发热升温过程：介质损耗-介质逐渐发热升温-介质电阻的下降，使电流进一步增大-损耗发热也随之增大电介质向外不断散热的过程：通过电极及其它介质向外散热同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称电介质的热击穿过程,热击穿的概念,内蒙古科技大学电气教研室,热击穿的理论分析曲线1, 2, 3 ：电介质发出热量Q与介质中最高温度tm的关系直线4：介质中最高温度大于周围环境温度t0时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系,内蒙古科技大学电气教研室,曲线1：发热永远大于散热，介质温度将不断升高，在电压U1下最终必定发生热击穿曲线2：与直线4相切U2 为临界热击穿电压；tk 为临界热击穿温度曲线3 ：两个热平衡点ttb时：情况类似曲线1，最终发生热击穿t=tb时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点t0ttb时：通过周围介质的散热调节，介质温度将逐渐稳定在ta，称ta为稳定热平衡点,内蒙古科技大学电气教研室,电化学击穿（电老化）概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生,一、固体电介质的击穿过程,内蒙古科技大学电气教研室,树老化类型电树老化和水树老化 树老化的原因电离性老化：介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，发生电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏，表现为变酥、炭化等形式，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作“电树枝”电导性老化：介质中存在液态导电物质（例如水），当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝”,二、有机绝缘材料的树老化,内蒙古科技大学电气教研室,Tree-like树枝状,Bush-like灌木丛状,chestnut-like栗子状,树枝老化的一般形状,内蒙古科技大学电气教研室,电介质中的树枝老化,内蒙古科技大学电气教研室, 电压作用时间 场均匀程度 温度 电压种类 局部放电 累积效应 受潮,三、影响固体介质击穿电压主要因素,内蒙古科技大学电气教研室, 热性能 机械性能 吸潮性能 化学性能及抗生物性,五、电介质的其它性能,内蒙古科技大学电气教研室,耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度热劣化：电介质在稍高的温度下，长时间后发生绝缘性能的不可逆变化寿命：在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命短时耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度,热性能,内蒙古科技大学电气教研室,电介质的耐热等级介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的耐热程度划分耐热等级（最高持续工作温度）。如Y A E B F H C90 105 120 130 155 180 180根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计,内蒙古科技大学电气教研室, 电介质的耐寒性耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40,内蒙古科技大学电气教研室,机械性能有脆性、塑性和弹性三种 吸潮性能在潮湿地区要选用吸湿性小、憎水性强的材料。一般而言，非极性电介质吸湿性低，极性电介质吸湿性较强 化学性能及抗生物性化学性能指材料的化学稳定性如耐腐蚀性气体、液体溶剂等抗生物性指材料抗霉菌、昆虫的性能，在湿热地区尤为重要,内蒙古科技大学电气教研室,主要内容 液体电介质的击穿理论 影响液体电介质击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的方法,液体电介质的击穿,内蒙古科技大学电气教研室,液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质,一、液体电介质的击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质击穿机理不同： 电击穿理论气泡击穿理论小桥击穿理论,一、液体电介质的击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,强场发射等原因产生的初始电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，首先在尖电极附近开始电离，有一个电离开始阶段，然后是流注发展阶段，流注是分级地向另一电极发展，后一级在前一级通道的基础上发展，放电通道会出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙，即贯通间隙的阶段与长空气间隙的放电过程很相,纯净液体电介质的电击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,各种原因产生气泡：电子电流加热液体，分解出气体电子碰撞液体分子，使之解离产出气体静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大电极凸起处的电晕引起液体气化,纯净液体电介质的气泡击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,机理：串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比。气泡r =1，小于液体的，rr ，承担比液体更高的场强，而气体耐电强度却低，因此，气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生,纯净液体电介质的气泡击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥”水分及纤维等的电导大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大液体电介质最后在气体通道中发生击穿与热过程密切相关-热击穿,非纯净液体电介质的小桥击穿理论,内蒙古科技大学电气教研室,液体介质本生品质的影响较均匀电场、持续电压作用下，油中稍有受潮、含杂，击穿电压就明显下降规程规定在标准油杯中的工频击穿电压：用来灌注高压电力变压器等的变压器油在2540kv以上(与设备的额定电压有关)灌注高压电缆和电容器的用油在50或60kv以上,二、影响液体电介质击穿电压的因素,用标准油杯来检查油的质量,内蒙古科技大学电气教研室,含水量,液体介质本生品质的影响,液态水在油中的两种状态：以分子状态溶解于油中以乳化状态悬浮在油中随着温度的变化而相互转化：080 oc含0.1%的水分，油的击穿电压降到干燥时的15%30%,变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,内蒙古科技大学电气教研室, 含纤维量在电场的作用下，纤维形成“小桥”，使油的击穿电压降低有很强的吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为严重 含碳量碳粒的产生：电弧碳粒对油耐电强度作用的两个方面：碳粒具有较好的导电，局部场强增加，击穿电压降低活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力,内蒙古科技大学电气教研室,内蒙古科技大学电气教研室,油吸收、溶解一定量的气体：温度、压力和化学成分溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降所溶气体的来源：直接、分解、电解油中气体析出后，危害：成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿电压与油分子发生化学结合，氧化，加速老化,含气量,内蒙古科技大学电气教研室,电压作用时间,内蒙古科技大学电气教研室,电压作用时间,作用时间小于毫秒级：电击穿性质，规律与气体的伏秒特性相似作用时间超过临界值：热击穿性质，显著下降后，几分钟后达到稳定值油的冲击系数大，特别在均匀场,内蒙古科技大学电气教研室,从以上冲击伏秒特性可知： 油中杂质聚集到电极间及介质的发热都需要时间，所以油间隙击穿电压会随加压时间的增加而下降 油不太脏时，1分钟下的电气强度和较长时间的气强度相差不大。耐压试验通常只加电压1分钟,内蒙古科技大学电气教研室,电场较均匀时油的品质对工频或直流电压下的击穿电压影响较大 电场极不均匀时，油的品质对工频或直流电压下的击穿电压影响很小，强烈的电离使油扰动，杂质的聚集和排列很困难无不论电场均匀与否，油的品质对冲击击穿电压均无显著影响 液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5，而在均匀电场中可达3040,电场均匀程度,内蒙古科技大学电气教研室,工频电压作用下较均匀电场：水的状态与温度有关，击穿电压变化复杂固态：介电常数与油接近液态：悬浮状、溶解状气态极不均匀电场：电离及扰动使“电桥”不易形成，影响很小冲击电压作用下电场、品质：击穿电压受温度影响很小,温度,内蒙古科技大学电气教研室,工频电压提高的原因：油中气体的状态与压力有关，压力增大，气体在油中的溶解量增大气泡的放电起始电压也提高 升高程度不及气体间隙,压力,内蒙古科技大学电气教研室, 提高以及保持油的品质 覆盖层 绝缘层 屏障 沿面放电时改善电场分布,三、提高液体电介质击穿电压的方法,内蒙古科技大学电气教研室, 过滤：除去纤维、水分、有机酸 防潮：制造、检修 祛气：除去水分和气体 防尘：,提高以及保持油的品质,内蒙古科技大学电气教研室,材料： 1mm的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展适用情况：油品质越差，电场越均匀，电压作用时间越长，则覆盖层的效果越显著,覆盖层,内蒙古科技大学电气教研室,材料： 厚可达几十毫米的固体绝缘层 作用机理：覆在曲率半径较小的电极上，降低这 部分空间的场强，且固体绝缘层的耐 电强度也较高，不易造成局部放电 适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏 蔽环、冲油套管的导电杆包有绝缘层）,绝缘层,内蒙古科技大学电气教研室,材料： 厚度为27mm的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层压板作用机理：能机械地阻隔杂质小桥改善电场分布适用情况：不均匀电场中效果显著，较均匀电场中也有效果,极间障,内蒙古科技大学电气教研室,内蒙古科技大学电气教研室,
