2013 第5章 液体和固体介质的电气特性解读

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极化前
极化后
电子式极化
极化的基本形式
离子式极化 偶极子极化 界面极化
无损极化 有损极化
高电压工程基础
1. 电子式极化
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，10-1410-15s 极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性 消耗能量：无
解：设空气电介质常数为1， 设聚乙烯板电介 质常数为2 (1)插入电介质前：E1=U0/d=55/2=27.5 kV/cm (2)插入电介质后： 1E1= 2E2 U1/U2= 2 / 1，得 U1=2.3U2 U0=U1+U2=3.3U2 U2=U0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) E2=16.7 kV/cm U1=U0-U2=55-16.7=38.3 (kV) E1=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强 所以,插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿。
极化的时间常数：
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
高压绝缘介质的电导 G 通常都很小，因此夹层极化只有在 低频时才有意义。
同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。出 现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器 等复合绝缘中。
高电压工程基础
4. 夹层式（界面）极化
极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长，从数s到数h 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）
极化弹性：非弹性 消耗能量：有
高电压工程基础
高电压工程基础
材料类别 气体介质 弱极性 极性 强极性 名称 εr（工频，20℃） 1.00059 空气（大气压） 2.2~2.5 变压器油 2.2~2.8 硅有机液体 4.5 蓖麻油 丙酮 酒精 水 22 33 81
液体介质
固体介质
中性或 弱极性 极性 离子性
有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。 对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可 用三个并联支路的等值回路来表示。
C0反映电子式和 离子式极化
R反映电导损耗
直流情况呢？
C′，r支路反映 吸收电流
高电压工程基础
2. 体积电阻 RV=U/ig 体积电阻率为： S v Rv d 体积电导率为： 1 1 d d v Gv v Rv S S 其中， d（cm）为电介质厚度， S（cm2）为电极表面积。
体积电阻的测量电路
高电压工程基础
3. 表面电阻
固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质 的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。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
（V-t）等；主要物理量为击穿场强
高电压工程基础
第5章 液体和固体介质的电气特性
5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化
高电压工程基础
5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.1.1 电介质的极化
平板真空电容器电容量： Q0 0 A C0 U d 插入固体电解质后电容量：
Q0 Q ' A C U d

Q Q0 U
Q Q0 Q ' U
(b)
相对介电常数： ' Q Q r C 0 0 C0 Q0
高电压工程基础
5.1.3 电介质的能量损耗
电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的 损耗和由极化引起的损耗。
介质损耗为： P Q tan U
2
C tan
P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于 互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ 来判断介质的品质。
高电压工程基础
标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系
高电压工程基础
（2）温度的影响
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系 0～80℃，Ub提高 （水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下 降（水分汽化）； 低于0℃，Ub提高 （水滴冻结成冰粒）
干燥的油
受潮的油
标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
石蜡 聚乙烯 聚氯乙烯 云母 电瓷
2.0～2.5 2.25～2.35 3.2～4 5～7 5.5～6.5
高电压工程基础
讨论电介质极化的意义
1、选择绝缘： 电容器 r 大 电容器单位容量体积和重可减少 r 小 可使电缆工作时充电电流减小 电缆 电机定子线圈槽出口和套管 r 小,可提高沿面放电电压
表面电阻率为：
l s Rs d
表面电导率为： 1 1 d d s Gs s Rs l l
表面电阻的测量电路
高电压工程基础
讨论电介质电导的意义
1. 电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时， 利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况 2. 直流电压作用下，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，就可以实现各层之间的合理 分压 3. 注意环境湿度对固体绝缘表面电阻的影响，注意亲水性 材料的表面防水处理
介质类型：具有永久性偶极子的极性介质 建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s
极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关，频率升高，极化减弱） 温度（低温段增加，高温段降低（热运动））
极化弹性：非弹性 消耗能量：有
高电压工程基础
4. 夹层式（界面）极化
A
G1 C1
P G2 U C2
高电压工程基础
5.2 液体介质的击穿
纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在 标准试油杯中所得数据） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引 起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”， 引起击穿，即“小桥理论”。
不能将实验室中对小体积 油的测试结果，直接用于 高压电气设备绝缘的设计
高电压工程基础
5.1.2 电介质的电导
电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。 它们在电场下的定向移动，形成电流。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要） 表征电导的参数是电导率γ，在高电压工程中一般常用 电阻率ρ来表征介质的绝缘电阻。 与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升 Ae kT
高电压工程基础
高电压工程基础
讨论电介质损耗的意义
1. 选择绝缘材料。tanδ 过大会引起绝缘介质发热，甚至 导致热击穿。如蓖麻油因tanδ 过大而仅限于DC或脉冲 电压下，不能用于AC
2. 在预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘材料受潮或劣 化， tanδ 将急剧上升，预防性试验中可通过tanδ 与U 的关系曲线来判断是否发生局部放电 3. 当tanδ 大的材料需要加热时，可加交流电压利用本身 介质发热损耗发热，而且发热非常均匀
高电压工程基础
油间隙距 离2.5mm
黄铜电极
绝缘外壳
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
高电压工程基础
5.2.1 影响液体介质击穿的因素
（1）杂质的影响 水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多
大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。 均匀场中 影响较大
W为1×10-4时已使 油的击穿强度降得 很低。含水量再增 大时，影响不大
高电压工程基础
（3）油体积的影响
稍不均匀电场 T=100℃
稍不均匀电场 T=20℃ 极不均匀电场 T=20℃
随着间隙长 度的增加变 压器油的击 穿场强下降
变压器油中水分含量为31×10-6时的Ub与d的关系
高电压工程基础
规律：油的击穿强度随油体积的
增加而明显下降。
原因：间隙中缺陷(即杂质)出现
的概率随油体积的增加而增大。
U1 C2 U 2 C1
U 1 G2 U 2 G1
Βιβλιοθήκη Baidu
B



当t=0:
U

当t=∞:
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4. 夹层式（界面）极化
C 2 G2 一般情况下： C1 G1 电荷从t=0到 t=∞ 时会重新分配，在介质的交界面处积累电 荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。
电导损耗占主要部 分，tanδ重新随温度 上升而增加 分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损 耗减小
T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强， 极化损耗增加
f 2 >f 1
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（3）固体介质的损耗 分子式结构介质： 中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等； 极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相似， 如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等， 离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等； 不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间 的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等； 强极性电介质：在高压设备中极少使用。
5、研发新型绝缘材料
高电压工程基础
电介质极化应用实例
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 。
高电压工程基础
相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量
(a)
束缚电荷
Q' — 由电介质极化引起的
高电压工程基础
极化概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此 中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面 出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增 + + + + + + + 大。 E0
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2、多层介质的合理配合： 1 E1 2 E2 电场分布与 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理

成反比
3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因 4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁
高电压工程基础
2. 离子式极化
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，10-12~10-13 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）
极化弹性：弹性
消耗能量：无
高电压工程基础
3. 偶极子极化
极化机理：偶极子定向排列
《高电压工程基础》
华南理工大学电力学院
高电压工程基础
电介质电气特性的划分
四个电气特性：电介质极化特性、电介质损耗特性、 电气传导特性、电气击穿特性 介 电 特 性：
电介质极化机理，主要物理量为介电常数ε 电介质损耗机理，主要物理量为介损tgδ 主要物理量为绝缘电导和泄漏电流
电气传导特性： 如载流子移动、高场强下的电气传导机理等； 电气击穿特性： 包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线
高电压工程基础
（1）气体介质的损耗 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的 损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ <10-8），所 以可以做电容器介质。 但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局 部放电，损耗急剧增加，如图所示。线路电晕损耗
高电压工程基础
（2）液体介质的损耗 中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。 极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损耗， 所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。

高电压工程基础
1. 吸收现象
i
i=ic+ia+ig
ia
i
ic
ig
ic: 瞬时充电电流，无损极化 ia：吸收电流，有损极化 ig：电导电流，或泄漏电流
t
电介质中的电流与时间的关系
高电压工程基础
电介质的绝缘电阻
U R ig
定义：
U R (t ) i (t )
电介质中的绝缘电阻一般为M 特点： 1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。