电介质的电气强度.ppt
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1、第一篇 高电压绝缘及试验,唐小波2010.9,电介质是指通常条件下导电性能极差的物质,云母、变压器油等都是电介质。电介质中正负电荷束缚得很紧,内部可自由移动的电荷极少,因此导电性能差。电介质在电气设备中作为绝缘材料使用,按其物质形态,可分为:气体介质液体介质固体介质,在电气设备中:外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成内绝缘:一般由固体介质和液体介质联合构成,在电气作用下,电介质中出现的电气现象可分为两类:弱电场电场强度比击穿场强小得多 极化、电导、介质损耗等强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强 放电、闪络、击穿等,高电压绝缘及试验,电介质的基本电气特性气体放电的
2、基本理论气体电介质的击穿特性固体电介质和液体电介质的击穿特性电气设备绝缘特性的测试电气设备绝缘的耐压试验及高电压测量,第一章 电介质的基本电气特性,电介质的极化电介质的电导电介质的损耗电介质的击穿,一、介质的极化,构成电介质分子的分类(1)中性分子(原子):分子(或原子)中正负电荷的作用重心是重合的,对外不显电性。(如固体无机化合物云母、陶瓷、玻璃等)(2)极性分子:分子中正、负电荷的作用重心不重合,而保持一定的距离,单个分子对外显电性,由于热运动的原因,各分子的排列杂乱无章,不同分子对外电性相互抵消,故对外不显电性。(偶极分子)(如变压器油、松香、橡胶、胶木、聚氯乙烯、纤维素等),一、介质的
3、极化,电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化,电子位移极化,弹性的,不引起能量损耗;完成时间极短,约10-1410-15s;单元粒子的电子位移极化与温度无关,离子位移极化,完成时间约10-1210-13s;极微量的能量损耗;离子位移极化率随温度的升高略有增加,转向极化,固有偶极矩:极性电介质中,即使没有外加电场,由于分子中正、负电荷的作用中心不重合,就单个分子而言,就已具有偶极矩。由于分子不规则热运动,分子偶极矩的排列无序,不能体现合成电矩。转向极化:电场作用下,定向排列。,伴有能量损耗;需要较长时间,约10-610-2s,甚至更长;外电场越强,极性分子的转向定向就越充分,转向极化就越强
4、,空间电荷极化,极化机理,电子位移极化,离子位移极化,转向极化,空间电荷极化,带电质点的弹性位移或转向,带电质点的移动,空间电荷极化,设C1=1,C2=2,G1=2,G2=1,U=3,注意:夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G来完成的。由于高压绝缘介质的电导通常都很小,所以极化过程缓慢,几十分之一秒几分钟。伴有能量损耗。,这种极化只有在低频时才有意义,空间电荷极化,注意1,当两层不同电介质串联构成的复合绝缘时,刚开始加压时,各层介质的极化程度不一样,各层电介质中极化产生的电荷量也不一样,于是分界面显示出电的极性来,称为夹层极化。极化结束后,电荷要重新分配,就在两层介质的交界面形成一定的吸收电流
5、。这种过程非常缓慢,那么在去掉电压后介质内部的吸收电荷要释放出来也非常缓慢。因此对于使用过的大电容设备,应将两极短接,彻底放电,以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来危及人生安全。,注意2,(1)是束缚电荷而不是自由电子。(2)是有限位移而不是电荷流通,不产生电流。(3)内部电荷的总和仍为零,但由于外电场的作用对外显现电场力。,二、电介质的介电常数,介电常数的物理意义气体介质的相对介电常数液体介质的相对介电常数固体介质的相对介电常数,介电常数的物理意义,真空,插入电介质后,介电常数的物理意义,相对介电常数,以该物质为介质的电容器的电容与以真空中为介质的同样大小电容器电容量的比值,称为相对介电常数
6、,简称介电系数。它表征电介质在电场的作用下极化程度的物理量。,相对介电常数的物理意义:相对真空时感应电荷(电容量)变化的倍数。,介电常数在工程应用中的意义,(1)越大,电介质极化作用越强,其绝缘性能越差。故要合理选用。例如电容器:要求 大些,这样电容器单位 容量的体积和质量就会减小。电力电缆:要求 小些,则工作时的充电 电流和极化损耗就会降低。(2)几种串联电介质组合在一起使用时,有如下公式,介电常数在工程应用中的意义,即串联电介质的场强分布与 成反比。越小其介质中的场强越大,越大其介质中的场强越小。故在串联介质中要合理考虑电场的分布,尽量使电场分布均匀。(3)通过测量 可以判断电介质是否受潮
7、或所含气体的多少。当电介质受潮及老化分解气体时,会明显增大。,气体介质的相对介电常数,气体的相对介电常数均随温度的升高而减小,随压力的增大而增大,但影响程度都很小。,气体物质分子距离相对很大,即气体密度很小,气体极化率很小,一切气体的相对介电常数都接近于1,液体介质的相对介电常数,1.中性液体介质 相对介电常数一般在1.82.8之间。相对介电常数与温度的关系与介质分子密度与温度的关系接近一致。举例:石油、苯、四氯化碳、硅油,液体介质的相对介电常数,2.极性液体介质(1)介电常数与温度的关系,低温时,分子间的黏附力强,转向较难,转向极化对 的贡献较小;温度升高,分子间的黏附力减弱,转向极化对 的
8、贡献较大,随之增大;温度进一步升高,分子热运动加强,对极性分子定向排列的干扰也随之增强,阻碍转向极化的完成,反而减小。,液体介质的相对介电常数,(2)介电常数与电场频率的关系电场频率对极性液体介电常数的影响很大,频率相当低时,偶极分子来得及跟随电场交变转向,介电常数较大,接近于直流电压下的;频率超过f0时,极性分子转向跟不上电场的变化,介电常数开始减小;随着频率的增高,介电常数最终接近于仅有电子位移极化所引起的介电常数值。,固体介质的相对介电常数,2.极性固体介质 由于分子具有极性,相对介电常数都较大,一般为3-6。极性固体介质的相对介电常数与温度和频率的关系类似极性液体所呈现的规律。举例:树
9、脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃等,固体介质的相对介电常数,1.中性或弱极性固体介质 只具有电子式极化和离子式极化,其介电常数较小。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。举例:石蜡、硫磺、聚乙烯 云母、石棉、无机玻璃等,三、电介质的电导,电介质中的电流介质加直流电压后测得电流为 Ia 夹层极化的吸收电流 Ig 泄漏电流 Ic 位移极化电流 吸收现象的意义:对判断绝缘是否受潮很有用。,三、电介质的电导,电介质的电导与金属的电导的本质区别电介质电导是离子式,即电解式电导气体介质:电离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动而造成的;液体和固体:介质的基本物质(包括杂质)分子发
10、生化学分解或热离解的带电质点沿电场方向移动造成的。,电介质的电导与金属的电导的本质区别,(2)数量级不同:电介质的电导率小,泄漏电流小;金属电导的电流很大。(3)电导电流的受影响因素不同:电介质中由离子数目决定,对所含杂质、温度很敏感;金属中主要由外加电压决定,杂质、温度不是主要因素。,三、电介质的电导,气体介质的电导液体介质的电导固体介质的电导,气体介质的电导,无电场时,离子的产生与复合达到平衡;存在电场时,离子在电场力作用下,克服与气体介质分子碰撞的阻力而移动,得到速度v离子的迁移率b=v/E E电场强度,气体介质的电导,电场强度很小时,b接近于常数,即电流密度与电场强度几乎成正比电场强度
11、增大,外界因素造成的离子全部趋向于电极时,电流密度饱和,但其值仍很小场强超过E2时,气体介质中将发生撞击电离,从而使电流密度迅速增大,液体介质的电导,中性液体介质的电导主要由离解性的杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子所引起的极性液体介质的电导不仅由杂质引起,而且与本身分子的离解度有关。极性液体介质的介电常数越大,则其电导也越大。,液体介质的电导,1.温度温度升高,液体介质的黏度降低,离子移动所受阻力减小,离子迁移率增大,电导增大温度升高,液体介质分子的离解度增大,电导增大,液体介质的电导率与温度的关系可以近似地以下式表示,式中 A、B常数 T绝对温度 电导率,液体介质的电导,当温度变化不大时,液
12、体介质的电导与温度的关系也可以写成,式中 常数 液体介质的温度,时的电导率,液体介质的电导,2.电场强度 在极纯净的液体介质中,电导与电场强度的关系与气体介质相近 一般工业用纯净液体介质饱和电流这一段通常是观察不到的电场强度小于某定值时,电导接近一常数;电场强度超过某定值时,电场将使离解出来的离子数量迅速增加,电导也就迅速增加,电流密度随场强呈指数规律增长,固体介质的电导,中性分子的固体介质的电导主要是由杂质离子引起的离子式结构的固体介质的电导主要是由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的,杂质在离子式结构的固体介质中也是造成电导的原因之一,固体介质的电导,1.温度 与液体介质相似2.电场强度
13、 与液体介质相似,可以近似地以下式表示,式中 电导率与电场强度尚无关范围内的电导率 电导率与电场强度尚无关范围时的最大电场强度 b 常数,由材料特性所决定,固体介质的电导,3.杂质表面电导:由于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物而形成的,其中水分起着特别重要的作用。,因此,亲水性介质的表面电导要比憎水性介质的表面电导大得多。,一般,中性介质的表面电导最小,极性介质次之,离子性介质最大。,相当于固体介质中加入了强极性的杂质,电介质电导在工程上的意义,1、电介质电导的倒数即为介质的绝缘电阻。通过测量绝缘电阻可以判断绝缘是否受潮或有其它劣化现象。2、多层介质串联时在直流电压下各层的稳态电
14、压分布与各层的电导成反比,故对直流设备应注意电导率的合理配合。3、电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导产生的能量损耗使设备发热,为限制设备的温度升高,有时必须降低设备的工作电流。在一定的条件下,电导损耗还可能导致介质发生热击穿。,四、电介质中的能量损耗,介质损耗的基本概念气体介质中的损耗液体和固体介质中的损耗,介质损耗的基本概念,电场的交变速度远低于极化建立速度时,介电常数可视为一实数,接近于静态介电常数。电场的交变速度与极化建立速度相近时,极化就跟不上电场的变化,电通量密度 就滞后于电场强度 一个相位角。,介质损耗的基本概念,介电常数将是一个复数,介质中的电流密度(不计漏导),电容性
15、电流密度,超前场强90,有功电流密度,与场强同相位,形成有功损耗,实际上,还存在漏导,在电场作用下,形成与交变电场同相位的漏导电流密度,它是纯有功损耗电流密度。,介质损耗的基本概念,有损极化所引起的电流密度,真空和无损极化引起的电流密度,纯容性,漏感引起的电流密度,纯阻性,通常用 来表征介质中损耗的大小,直流电压下的介质损耗,ic:无损极化造成的电流(电子式极化+离子式极化)衰减时间短。ia:有损极化所造成的电流(偶极式极化+夹层式极化)衰减时间较长。ig:电导电流。(恒定电流即泄露电流),吸收现象与吸收比,由前面等值电路的分析可知,电介质在直流电压作用下泄露电流是逐渐衰减致稳定值的。这一现象
16、在绝缘中称为吸收现象。依据吸收现象表现的情况也可以来判断绝缘的好坏。当绝缘干燥良好时,良好绝缘的吸收现象明显,故通常用加压后60s和15s的电阻比值作为判断依据,称为吸收比K。,一般规定吸收比K1.3,表明绝缘干燥良好,交流电压下的介质损耗,Rlk泄漏电阻Ilk漏导电流,Cp有损极化形成的电容Rp有损极化形成的等效电阻,Cg介质真空和无损极化形成的电容,介质损耗的基本概念,单位体积介质中的损耗功率可用下式表示,对于含有均匀介质的平板电容器,总损耗功率为,式中,V为介质体积;U为所加电压,气体介质中的损耗,气体介质的极化率很小。当场强小于气体分子电力所需值时,气体介质的电导很小,损耗也很小,可以
17、忽略不计。当场强超过气体分子电力所需值时,气体介质将产生电离,介质损耗增大,且随着电压升高,损耗增长很快。,液体和固体介质中的损耗,中性液体和固体介质中的损耗主要由漏导决定,介质损耗与温度、场强等因素的关系也就决定于电导与这些因素之间的关系。,中性液体(固体)电介质的 tg 与温度的关系,中性液体(固体)电介质的 tg 与场强的关系,液体和固体介质中的损耗,温度较低时,松香油的黏度大,偶极子的转向较难,故tg较小,极性液体和固体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分,温度升高,松香油的黏度减小,偶极子转向较易,故tg增大,温度再高时,偶极子回转时的摩擦损耗减小很多,所以tg反而减小,
18、温度更高时,虽然黏度小,摩擦损耗减小,但电导迅速增大,电导损耗增大,所以tg也迅速增大,液体和固体介质中的损耗,频率很低时,介质中的损耗主要由电导决定,偶极式损耗很少,总损耗功率小,频率很低,电容电流小,tg比较大,频率增高,偶极子回转频率和偶极损耗增高;与此同时,偶极式极化不充分,介电常数减小,电容电流不能与频率成比例增加,tg在某频率范围内随着频率增高而增大,频率更高时,偶极子回转已完全跟不上电源频率,损耗功率趋于稳定,介电常数达到较低的稳定值,电容电流与频率成正比例增长,tg近乎与频率成反比例减小,液体和固体介质中的损耗,极性固体介质的tg与温度的关系如图所示,其规律性类似与极性液体介质
19、,液体和固体介质中的损耗,玻璃和石英在角频率 时,tg随着频率而增大,即损耗功率的增长比频率增长更快。,电介质损耗在工程上的意义,(1)选用绝缘介质,必须注意材料的tg。介 质的损耗越大,交流下的发热越严重,这不仅使介质的容易劣化,严重时导致介质的热击穿。(2)绝缘受潮时其tg会增大,绝缘中存在气隙或大量气泡时在高电压下tg也会显著增大。因此通过测量tg或tgU曲线可发现绝缘是否存在受潮、开裂等缺陷。(3)使用电气设备时必须注意它们对频率、温度和电压的要求,超出规定的范围时,不仅对电气设备本身绝缘不利,还可能给其它工作造成不良影响。,小 结,电介质的极化,小 结,电介质的介电常数介电常数的物理
20、意义结点常数与温度和频率的关系电介质的电导气体、液体和固体电介质的电导与温度、场强的关系电介质中的能量损耗电介质的等效电路介质中的损耗与温度和频率的关系,第二章 气体放电的基本理论,研究气体放电的目的 了解气体在高电压(强电场)作用下逐步由电介质变成导体的物理过程 掌握气体介质的电气强度及其提高方法电气设备中常用气体介质空气、压缩的高电气强度气体(如SF6),气体放电的主要形式,1、辉光放电(1)放电条件:当电场均匀,气压较低,电源功率较小,外施电压增加到一定值后。(2)现象:通过气体的电流明显增加,气体间隙两极间整个空间忽然出现发光现象,这种放电形式称为辉光放电。辉光放电的电流密度较小,放电
21、区域通常占据整个电极间的空间。(3)例子:霓虹管中的放电就是辉光放电,气体放电的主要形式,2、火花放电特点(1)条件:电场均匀,大气条件下,电源功率较小时,电压升高到一定值时。(2)现象:气体突然发生明亮的火花,火花向对面电极伸展出细光束。这种火花会瞬时熄灭,接着又突然发生。,气体放电的主要形式,3、电晕放电(1)条件:当电极的曲率半径很小时,电场很不均匀,大气条件下,当外施电压的升高到一定数值时。(2)现象:在电极尖端附近会出现暗蓝色的放电微光,并发出声音。如不继续提高电压,放电就局限在较小的范围内,成为局部放电。发生电晕放电时,气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能,放电电流很小,间隙仍能耐受电
22、压的作用。(3)各种高压装置的电极尖端。常常发生这种电晕放电。,气体放电的主要形式,4、电弧放电(1)条件:当气体间隙两极的电源功率足够大时(2)现象:气体发生火花放电之后,便立即发展至对面电极,出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放电时,电弧的温度极高。,2.1 带电粒子的产生和消失,带电粒子的产生负离子的形成带电粒子的消失,原子的结构,原子是由带正电的原子核和绕核旋转的电子组成。电子在原子核外是分层排布的,各层具有不同的轨道半径。电子运动的轨道半径不同,其能量也不同。,原子的能量,(1)动能:原子的动能取决于原子的质量和运动速度。(2)位能:原子的位能则取决于其中电子的能量。当电
23、子从其正常轨道上跃迁到能量更高的轨道上时,原子的位能也相应增加。(3)能级:根据原子中电子的能量状态,原子具有一系列可取的确定的位能,称为原子的能级。原子的正常状态相当于最低的能级。,一、带电粒子的产生,产生带电粒子的物理过程称为电离,是气体放电的首要前提。激励 当原子获得外部能量,一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去,该现象称为激励。电离能 使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量称为电离能。,碰撞电离,电子获得加速后和气体分子碰撞时,把动能传给后者引起碰撞电离。电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为:,式中 m电子的质量;e电子的电荷量。,如果W大于
24、或等于气体分子的电离能Wi,该电子就有足够的能量完成碰撞电离。由此可得碰撞电离时应满足以下条件:,x表示为使碰撞导致电离,带电粒子在碰撞前必须行径的距离(行程)。增大E可以减小x。,自由行程,概念:任一带电质点每两次碰撞之间自由地走过的距离称为自由行程。影响因素:和气体的密度成反比。电子和离子的自由行程比较:电子的平均自由行程比离子的大得多。正因为电子的平均自由行程大,在电场作用下加速运动时能积聚到足够的动能。碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起,离子和气体分子碰撞使其游离的概率很小。,光电离,频率为v的光子的能量为,产生光电离的条件应为,式中 h普朗克常数,h=6.6310-34Js=4.
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- 电介质 电气 强度
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