液体固体介质的绝缘强度.ppt

第一篇高电压绝缘与试验,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,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。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,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,表征参数,电导率(绝缘电阻率)介电常数 介质损耗角正切tg 击穿电场强度,通过本章的学习要掌握液体和固体介质的极化、电导和损耗；掌握液体和固体介质的击穿特性；了解组合绝缘的意义。,第二章 液体、固体介质的绝缘强度,2-1 介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2-1电介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2.1电介质的极化、电导和损耗,一、介质的极化和相对介电常数,电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：,真空介质相对介电常数,2.1电介质的极化、电导和损耗,是反映电介质极化特性的一个物理量。,2.1电介质的极化、电导和损耗,气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r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r较小的电介质，这是因为较大的r往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。,2.1电介质的极化、电导和损耗,在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的r值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的r成反比。,2.1电介质的极化、电导和损耗,特点：极化时间很短；各种频率下均可发生，与外加频率无关；具有弹性，无损耗；温度影响不大。,二、电介质极化的类型,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,(1)电子式位移极化,2.1电介质的极化、电导和损耗,特点：极化时间稍长；与频率无关；弹性极化，无损；温度影响：T离子结合力极化（主要）T密度极化（次要）T极化,(2)离子式位移极化 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。,2.1电介质的极化、电导和损耗,（a）无外电场（b）有外电场,特点：极化时间较长；非弹性极化；频率偶极子来不及转向极化；温度影响：T转向容易极化 T热运动加剧阻碍转向极化,(3)偶极子极化 极性分子无外电场作用时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。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。,2.1电介质的极化、电导和损耗,(4)夹层介质界面极化合闸瞬间：到达稳定：介质不均匀电压重新分配放电时间：由于G很小，所以极化速度非常缓慢。,2.1电介质的极化、电导和损耗,2.1电介质的极化、电导和损耗,电介质的相对介电常数气体：一切气体的r都接近1；液体：非极性和弱极性电介质 1.82.8 偶极性电介质 36固体：非极性和弱极性电介质 22.7 偶极性电介质 36 离子性电介质 58,2.1电介质的极化、电导和损耗,讨论极化在工程实际中的意义(1)选择绝缘 对于电容器，要求相同体积有较大电容量，r 对于电缆，为减小电容电流，r(2)多层介质的合理配合 在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r成反比，选择r使各层介质电场分布较均匀。(3)研究介质损耗的理论依据 掌握不同极化类型对介质损耗的影响(4)预防性试验项目的理论依据,2.1电介质的极化、电导和损耗,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。任何电介质都有电导按载流子的不同，电介质电导分为离子电导、电子电导,三、电介质的电导,2.1电介质的极化、电导和损耗,1、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：本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率10101014 cm.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10171019cm.,2.1电介质的极化、电导和损耗,3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。4、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。,2.1电介质的极化、电导和损耗,电介质的泄漏电流和绝缘电阻ic-充电电流：为无损极化对应的纯电容电流ia-吸收电流：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化)ig-泄漏电流：为电介质中的离子或电子移动形成的电流绝缘电阻：,2.1电介质的极化、电导和损耗,固体、液体介质的电导率与温度T 的关系：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。,2.1电介质的极化、电导和损耗,绝缘电阻的特点：(1)测量介质或设备的R时应加压1或10分钟(2)R具有负的温度系数(3)由于R与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加的自由电子导电现象，造成R剧烈下降(4)对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电阻RS，由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。,2.1电介质的极化、电导和损耗,工程电介质电导的性质(1)气体：电子电导(2)液体：离子电导、电泳电导(3)固体：离子电导、电子电导讨论电介质电导的意义(1)电导是绝缘预防性试验的依据(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，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压(3)注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响(4)在某些情况下要减小绝缘电阻,2.1电介质的极化、电导和损耗,(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。,四、电介质的能量损耗,2.1电介质的极化、电导和损耗,交变电场，电介质能量损耗包括：电导损耗 通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗极化损耗 在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗,2.1电介质的极化、电导和损耗,交流时：流过电介质的电流：,2.1电介质的极化、电导和损耗,视在功率：介质损耗(有功损耗)式中：电源角频率；功率因数角；介质损耗角。对同类试品绝缘的优劣可用tg来代替P对绝缘进行判断tg取决于材料的特性，与材料尺寸无关中：,2.1电介质的极化、电导和损耗,（二）有损介质的等值电路分析并联电路：串联电路：,2.1电介质的极化、电导和损耗,实际上，电导损耗和极化损耗都同时存在介质等值电路可用三个并联支路表示C0：反映电子式和离子式极化Ca、ra：反映吸收电流，表示 有损极化R：反映电导损耗，该支路流过 的电流为泄漏电流,2.1电介质的极化、电导和损耗,（三）影响介质损耗的因素温度、频率、电压气体的介质损耗 气体中的电场强度达到放电起始电压U0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。,2.1电介质的极化、电导和损耗,2.1电介质的极化、电导和损耗,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。,2.1电介质的极化、电导和损耗,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。,2.1电介质的极化、电导和损耗,固体的介质损耗(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；20C和50Hz时25；玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分tg 有关。,2.1电介质的极化、电导和损耗,(2)有机绝缘材料可分为非极性和极性 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。,小结,电介质的极化电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化 电介质的电导：表征电介质导电性能的主要物理量 电介质的损耗：在电场作用下电介质中的能量损耗,2-1电介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2-2 液体介质的击穿,一、液体介质的击穿机理,二、影响液体介质击穿电压因素和改进措施,2-2 液体介质的击穿,一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。,2-2 液体介质的击穿,一、液体介质的击穿机理,液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。（一）纯净液体介质的击穿理论电子碰撞电离理论（电击穿理论）在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。,2-2 液体介质的击穿,气泡击穿理论（小桥理论）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的r 成反比。由于气泡的r 最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。,2-2 液体介质的击穿,（二）工程用变压器油的击穿过程及其特点 可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥，有热的过程，属于热击穿的范畴。由于水和纤维的r很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。油中受潮水分(r=81)纸布脱落纤维(r=67)发生两种情况：,沿电场极化定向排列,杂 质“小桥”,2-2 液体介质的击穿,(a)如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。,2-2 液体介质的击穿,(a)桥贯穿：G水、G纤大i油发热水分汽化气泡扩大(b)桥未贯穿：r纤r油E纤小 U纤小 E油 油电离 Eb气 Eb油气泡电离增强带电粒子碰撞液体分子 气体气泡小桥贯通两极击穿,(b)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。,2-2 液体介质的击穿,二、影响液体介质击穿电压因素和改进措施,(一)水分和其他杂质水在变压器油中有两种状态：溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。,影响因素,若气体和水分溶于液体介质则对Ub影响不大；若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显下降。含水继续增多仅增加几条击穿并联通道，Ub不再下降当有纤维存在时，水分影响特别明显,2-2 液体介质的击穿,2-2 液体介质的击穿,(二)油温在060时，t Ub(油中悬浮水分溶解)温度更高80，t Ub(油中水分汽化增多),Ub极大值,2-2 液体介质的击穿,(三)电场均匀度优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。,2-2 液体介质的击穿,(四)电压作用时间油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。,2-2 液体介质的击穿,电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。,2-2 液体介质的击穿,(五)油压的影响 不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。,油中含气体时：压力 Ub油(气体在油中溶解量)油经脱气处理：压力对Ub油影响较小,2-2 液体介质的击穿,改进措施(1)提高以及保持油的品质 过滤、防潮、祛气、防尘(2)改进绝缘结构以减小杂质的影响 机理：阻止杂质小桥的形成和发展,小结,纯净液体介质的击穿可用以下理论来解释：电子碰撞电离理论 气体小桥理论 用气泡击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程 变压器油击穿电压的影响因素 水分和其他杂质 油温 电场均匀度 电压作用时间 油压的影响,2-1电介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2-3 固体介质的击穿,一、固体介质的击穿机理,二、影响固体介质击穿的因素和改进措施,2-3 固体介质的击穿,一、固体介质的击穿机理,在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：电过程（电击穿）热过程（热击穿）电化学过程（电化学击穿）,2-3 固体介质的击穿,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）,2-3 固体介质的击穿,(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。,2-3 固体介质的击穿,3、电击穿的主要特征：与周围环境温度有关；除时间很短的情况，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。,2-3 固体介质的击穿,(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。,由于电导存在损耗发热T(负温度系数)R I损耗发热(Q发Q散)T介质分解、劣化击穿,特点：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。击穿时间较长，击穿电压较低。,2-3 固体介质的击穿,（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。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：,电,化学,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。,2-3 固体介质的击穿,在电场长时间作用下逐渐使介质物理、化学性能发生不可逆性的劣化，最终导致击穿，称为老化。(1)电离性老化电树枝(2)电导性老化水数枝(3)电解性老化(4)表面漏电起痕及电蚀损又可分为：(1)沿面放电(2)空隙放电(3)气隙放电,2-3 固体介质的击穿,电化学击穿电压的大小与施加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：,可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。,2-3 固体介质的击穿,在电化学击穿中，还有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝化放电劣化。,2-3 固体介质的击穿,在交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所造成的结果。,2-3 固体介质的击穿,二、影响固体介质击穿的因素和改进措施,(一)电压作用时间,如果电压作用时间很短(例如0.1s以下)，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。,2-3 固体介质的击穿,不过二者有时很难分清，例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。,2-3 固体介质的击穿,(二)电场均匀程度 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。,常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。,2-3 固体介质的击穿,(三)温度固体介质在某个温度范围内tt0后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度t0一般也是不同的。,2-3 固体介质的击穿,(四)受潮受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。,所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。,2-3 固体介质的击穿,(五)累积效应 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。,以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着施加冲击或工频试验电压次数的增多，很可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此，特别注意，对这些电气设备进行耐压试验，加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保证一定的绝缘裕度。,一.热性能二.机械性能三.吸潮性能四.生化性能,介质的其他性能,小结,在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿热击穿电化学击穿 实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于介质本身的特性、绝缘结构形式和电场均匀性。,2-1电介质的极化、电导和损耗,2-2 液体介质的击穿,2-3 固体介质的击穿,2-4 组合绝缘,2-4 组合绝缘,对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合：“油-屏障”式绝缘 油纸绝缘,2-4 组合绝缘,油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障式绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高3050。1、覆盖 紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。,一、“油屏障”式绝缘,2-4 组合绝缘,2、绝缘层 当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。3、屏障 放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。,电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。“油屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度；而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂。因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差.,二、油纸绝缘,2-4 组合绝缘,2-4 组合绝缘,绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达500600kVcm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的击穿场强约为200kVcm，而干纸只有100150kVcm)。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。,2-4 组合绝缘,油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮)因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。,小结,高压电气设备一般采用多种电介质组合的绝缘结构；“油-屏障”式绝缘结构中应用的固体介质有三种不同的形式，即覆盖、绝缘层和屏障；绝缘油和绝缘纸组成“油-纸”绝缘，击穿场强大大提高；,