章电介质的电气性能优质课件专业知识讲座.ppt

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,第4章液体,固体电介质的电气性能,4.1液体,固体电介质的极化,电导与损耗,4.2液体电介质的击穿,4.3固体电介质的击穿,4.4组合绝缘的电气性能,4.1液体,固体电介质的极化,电导与损耗,4.1.1电介质物质结构的基本知识,4.1.2极化与电介质,4.1.3电介质的电导特性,4.1.4电介质的能量损耗及介质损失角正切,4.1.1电介质物质结构的基本知识,电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，在外电场作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的固体、液体和气体物质总称为电介质.,电介质的地位：电介质与导体、半导 体、磁体等作为材料，在电工电子工 程领域中占有重要的地位,为什么要讨论电介质：电介质放入外场后，内部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变化。我们有必要对变化后的物理量进行讨论。,电介质的主要用途：利用大介电常数构成电容器;利用高绝缘阻抗构成电工绝缘材料;驻极体、压电体、热敏元件等等,电介质电气性能的划分（四类表征参数）,介电特性：指介电常数、介损等,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（V-t）等,二次效应：如空间电荷效应、陷阱、局域态中心、界面现象、化学结构、形态、杂质等效应,电负性的概念:,1932年L.鲍林最先提出:电负性是元素的原子在分子中吸引电子的能力。,可见电负性不是一个孤立原子的性质而是在周围原子影响下的分子中原子的性质即电负性决定于原子在分子中的价态和环境.非金属吸引电子能力较大,电负性数值大.而金属吸引电子能力较弱,电负性较小.,电负性不仅可以用来判断元素的金属性和非金属性,还可以合理地说明键长、键能、键偶极矩、键型过渡及其他一系列结构与性能规律,是化学上应用最广的基本概念之一。,分子的等效正电中心和等效负电中心,：,电介质均由分子和原子组成，每个分子中所有正电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的正电荷中心；,同理，每个分子中所有负电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的负电荷中心,1.形成分子和聚集态的各种健,分子由原子或离子组成;气体,液体和固体是3种聚集态,是由原子,离子或分子组成.,键代表质点间的结合方式,分子及3种聚集态的性质与键的形式密切有关.,分子内相邻原子间的结合力称为化学键,有两大类:离子键和共价键.,分子与分子间的结合力称为分子键.,1.形成分子和聚集态的各种健,离子键：电负性相差很大的原子相遇,相互发生电子转移,电负性小的原子失去电子成为正离子,电负性大的原子获得电子成为负离子.正、负离子由静电库仑力结合成分子，即正负离子间形成离子键。离子键键能很高,很多正负离子通过离子键结合形成离子性固体,如NaCl晶体.大多数无机介质都是靠离子键结合起来的,如玻璃,云母等.,1.形成分子和聚集态的各种健,共价键：由电负性相等或相差不大的两个或几个原子通过共有电子对结合起来，达到稳定的电子层结构，称之共价键。有机电介质都由共价键结合而成,某些无机晶体如金钢石也是共价键.,共价键分为非极性键和偶极性键.非极性键的电子对称分布,分子正,负电荷中心重合,构成非极性分子,如CCl4、CH4等.偶极性键的电子分布不对称,分子的正,负电荷中心不重合.,分子键：分子以相互间的吸引力结合在一 起，形成分子键.,2.电介质的分类：根据化学结构分为4类,非极性电介质：分子由共价键结合，由非极性分子组成的电介质称非极性电介质。如氮气、聚四氟乙烯,弱极性电介质：有些非极性电介质由于存在分子异构或支链，多少有些极性，称弱极性电介质。如聚苯乙烯,偶极性电介质：由极性分子组成的电介质。如聚氯乙烯、有机玻璃等,离子性电介质：离子性电介质没有个别的分子，只以固体的形式存在。分为晶体和无定形体两类。如石英(无定形体)、云母(晶体),4.1.2极化与电介质,极化的基本概念：电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极化,偶极矩:正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩rq,单位是D德拜,是一个矢量，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。偶极矩用于表示极性大小,偶极矩越大，极性越大。,极化的总效果是在介质边缘出现电荷分布,这些电荷仍束缚在每个分子中,所以称之为束缚电荷或极化电荷.,未加外电场时电介质中的粒子,在电介质中各粒子的正、负电荷中心重合,或者各分子的原子,(,或离子,),处在各自的平衡位 置，均无感应偶极矩,或者极性分子,(,偶极子,),混乱分布，在各个方向的 合成偶极矩为零,施加外电场后电介质中粒子极化,或由于正、负电荷的相对位移,位移极化;或由于偶极子的转向,偶极转向极化.均在电场方向产生偶极矩,一个平行平板电容器在真空中电容量为C,0,在平板间插入一个固体介质,电容器的电容量变为:,r,*C,0,r,为介质相对介电常数.电容量增大的原因是介质发生极化现象.,1.电介质极化的基本形式,位移极化,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,电子位移极化:介质中的原子,分子或离子中的电子在外电场的作用下,使电子轨道相对于原子核发生位移,从而产生感应电矩的过程.,离子位移极化:在由离子结合的电介质内,外电场的作用使正负离子产生微小位移,平均地具有了电场方向的偶极矩,这种极化形式称为离子位移极化.,转向极化:又称取向极化,对于偶极性分子,在无外电场作用下,偶极性分子处于热运动状态,对外不具有偶极矩.外电场作用下,偶极性分子在电场方向取向概率增加,对外平均具有了电场方向的偶极矩,称为转向极性.,空间电荷极化:介质内的自由正负离子在电场作用下移动,改变分布状况,在电极附近形成空间电荷,称为空间电荷极化.,夹层介质界面极化:实际的许多电气设备是多层电介质的绝缘结构.在不均匀夹层介质中,外加电场时介质交界面会积累电荷,称为夹层介质界面极化.,以双层电介质模型为例分析,下页图示:合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定,稳态时分压比由,电导决定:,当t=0,U1/U2=C2/C1;当t ,U1/U2=G2/G1,如果 C2/C1=G2/G1,则双层介质表面电荷不重新分配.但实际上很难满足上述条件，电荷要重新分配，这样在两层介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化.,2.电介质的介电常数,电介质的介电常数的特性,电工术语上称作介电常数和相对介电常数,r,并不是常数,随温度、频率而变化,是一虚数，分实部和虚部,通常使用的是实数部分,气体电介质的介电常数:气体分子间距离很大,密度很小,气体的极化率很低,因此气体的相对介电常数都接近1.,气体介电常数随温度升高而减小,随压力增大而变大,但是变化很小.,液体电介质的介电常数,分为:,非极性和弱极性电介质,相对介电常数较小:1.8,2.8,偶极性电介质,相对介电常数较大:3 80,固体电介质的介电常数,分为:,非极性和弱极性固体电介质,只有电子式极化和离子式极化,相对介电常数较小:2.0,2.7,固体电介质的介电常数,分为:,偶极性固体电介质.相对介电常数较大:3,6,离子性电介质,相对介电常数较大:,5,8,3.讨论极化的意义,选择绝缘：在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，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,多层介质的合理配合：对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其,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,研究介质损耗的理论依据：极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响,电气预防性试验：项目的理论根据,其他：如驻极体、铁电体、压电体、热电体等新型材料的研发,4.1.3电介质的电导特性,1.电介质中的传导电流,电气传导电流概念：是表征单位时间内通过某一截面的电量,电介质中的传导电流包括:漏导电流和位移电流两个分量,漏导电流：又称泄漏电流,由介质中自由的或相互联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的,位移电流：由电介质极化造成的吸收电流,几种材料的电导特性与电阻率,电介质:电导主要由离子造成,电阻率：10,9,10,22,.cm,温度升高电阻率下降,金属:电导主要由电子造成,电阻率：10,-6,10,-2,.cm,温度升高电阻率增大,半导体:电导主要由离子造成,电阻率：10,2,10,9,.cm,温度升高电阻率下降,测量介质试品电流的方法：三电极法,注意：测量时，仪表应避开 瞬时充电电流,i,c和放电电流,i,c以避免过大的瞬时值损坏仪表,2.体积电导和表面电导,体积电阻率:,V,单位.cm,用三电极法测量介质的,V,为:,式中,A,为测量电极的有效面积，,h,为介质厚度，,R,V,由测量的漏导电流,i,g,及电压值决定，,R,V,=,U,/,i,g,。,那么介质的体积电导率,V,则为,介质的表面电阻率和电导率：改变三电极的回路，设法测量上电极与辅助电极间的表面电流,屏蔽上下电极间的体积电流,即可测量表面电阻.其中,g,代表两电极间距,电阻率:单位,电导率,3.气体电介质的电导,吸收特性：气体中无吸收电流,气体电介质的电导构成：带电粒子在电场中运动,气体离子的浓度：由外电离因素造成，约为5001000对/cm,2,如图所示,OA和AB段气体电导极微小,电阻率：10,22,cm,当场强超过Eb,气体电介质发生碰撞电离,气体电介质的电导急剧增大.,均匀电场中气体的伏安特性,4.液体电介质的电导,吸收特性：液体中极化发展快，吸收电流衰减快,构成液体电介质的电导的因素：离子电导、电泳电导.离子电导是由液体本身或杂质的分子解离的离子决定;电泳电导是由固体或液体杂质以高度分散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附离子而带电造成的.,电阻率：与分子极性及液体的纯净程度有关,纯净的非极性液体电介质:10,18,cm,弱极性10,15,cm,偶极性,极性越大分子的解离度越大,10,10,cm10,12,cm，在高频下由于损耗太大，实 际上不使用。,强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能用作绝缘材料,4.液体电介质的电导,温度特性：离子性电导随温度的升高而增加.因为温度升高,使分子的解离度加大,而且离子较易克服周围位垒而成为自由离子,从而造成液体电导率迅速增加.,杂质和水分对液体电介质的绝缘有很大危害,电气设备在运行中一定要注意防潮,可以采用过滤,吸附,干燥等方法除去液体电介质中的水分和杂质.,5.固体电介质的电导,吸收特性：固体介质中电流的吸收现象比较明显,电导构成：离子电导（电导的机理,规律和液体类似），无电泳电导,电阻率,离子性电介质,电导大小与离子本身的性质有关：,结构紧密，洁净的电介质，电阻率为10,17,cm10,19,cm,结构不紧密且含单价小离子的电介质的电阻率仅达10,13,cm10,14,cm,非极性或弱极性电介质,：主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达10,17,cm10,19,cm,偶极性：因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达10,15,cm10,16,cm,固体电介质的电导不仅与微观结构有关,而且与材料的宏观结构有关,如纤维性材料或多孔性材料因为易吸水,一般电阻率很小.,固体介质的表面电导,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,表面状态分类：固体介质可按水滴在介质表面的浸润情况分为:憎水性和亲水性两大类,憎水性：水滴的内聚力大于水和介质表面的亲和力，表现为水滴的接触角大于90。憎水性材料的表面电导小，表面电阻率,s,:10,15,10,17,亲水性：水滴的内聚力小于水和介质表面的亲和力，表现为水滴的接触角小于90。亲水性材料的表面电导大，受环境湿度的影响大，表面电阻率,s,:10,13,10,15,憎水性表面水滴状态,现场运行合成绝缘子表面憎水性的变化,6.讨论电介质电导的意义,电导是绝缘预防性试验的理论依据：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,绝缘配合：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,运行维护：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,4.1.4电介质的能量损耗及介质损失角正切,介质损失与电压波形的关系,直流电压下的损耗,损失类型：在直流电压作用下介质的损失仅有漏导损失,表征方式：可用体积电阻率,V,或表面电导率,S,表征,交流电压下的损耗,损失类型：在交流电压作用下介质的损失除 了漏导损失外，还有极化损失,表征方式：仅有,V,或,S,不够,需要另外的特征量来表示介质在交流电压作 用下的能量损耗.,交流电压电流向量图,由于存在损耗，U 和I 之间的夹角不再是90,的关系，I,C,代表流过介质总的无功电流，I,R,代表流过介质的总有功电流，I,R,包括了漏导损失和极化损失,介质损失角正切tg=I,R,/I,C,:仅反映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关,2.电介质的串并联等值回路,分析介质在交流电压作用下的能量损耗，常用两种等值回路，并联等值回路和串联等值回路,并联等值回路:介损角正切 tg,=I,R,/I,C,=1/,C,p,R,功率 P=U,2,/R=,C,p,U,2,tg,串联等值回路:介损角正切 tg,=U,r,/U,C,=,C,s,r,功率 P=I,2,r=U,2,C,s,tg,/(1+,tg,2,),等效电路只有计算上的意义,并不反映介质损耗的物理过程.,如果介质损耗主要由电导引起,常采用并联等效电路;,如果介质损耗主要由介质极化及连接导线的电阻引起,则常采用串联等效电路;,如果计算多种介质串联或并联引起的损耗问题,则应根据计算方便,灵活选用某种等效电路.,电介质的损耗（三态介质）,气体介质:损耗极小;常用来构成标准电容器;注意避免放电的发生.,液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关.,非极性或弱极性和结构不紧密的离子性:损耗决定于漏导;损耗小，tg,约为10,介质4,;代表性介质有聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡胶、云母等,偶极性液体、固体和结构不紧密的离子性固体介质:损耗决定于漏导和极化损失,损耗和温度、频率等因素有关，关系复杂.,例:松香油的tg,与温度的关系,如图所示:,低温时：电导损失和极 化损失都小,温度升高：偶极子转向容易，极化损失显著增加，电导损耗略有增大,极值温度：介质损失达到最大值,温度继续升高：分子热运动妨碍偶极子顺电场定向排列，极化损耗减小。此时电导损耗虽增大，但增幅比极化损耗的减幅小，介损总体减小,温度的进一步升高：电导急剧增大，电导损耗起主要作用，介质损耗也因之急剧增大,此种情况下,介质损失率p的温度特性与介损tg,的温度特性相同,例:极性液体介质中的损耗与频率的关系,如图所示,低频时：弛豫极化充分，介电常数较大.,高频时：弛豫极化跟不上电场变化，决定于位移极化，数值较小.,tg,反映了电场变动一周内的能量损耗.由以下关系式可以分析:p和tg,频率f 的关系,tg p/fr,5.讨论损耗的意义,选择绝缘：tg,过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为 tg 大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流.,预防性试验中判断绝缘状况：如果绝缘受潮或劣 化，tg 将急剧上升，在预防试验中可通过 tg U 的关系曲线来判断是否发生局部放电,均匀加热：当tg 大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损的发热。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法.,4.2 液体电介质的击穿,4.2.1 液体电介质的击穿理论,4.2.2 影响液体电介质击穿电压的因素,4.2.3 提高液体电介质击穿电压的方法,4.2.1 液体电介质的击穿理论,概述,耐电强度：比气体高,且具有绝缘,散热冷却和灭弧作用,击穿理论研究现状：不及气体介质，目前尚缺乏完善的击穿理论.,按击穿机理分类:纯净的和工程用(非纯净).,纯净的液体电介质的击穿机理,(1)电击穿理论,(2)气泡击穿理论,工程用液体电介质的击穿机理,(1)纯净液体电介质的击穿理论,电击穿理论：液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离.击穿特点：和长空气间隙的放电过程很相似,气泡击穿理论：当外加电场较高时,液体介质会由于各种原因产生气泡.由于串联介质中，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,r,，因而气泡承担比液体更高的场强，而气体耐电强度又低，所以气泡先行电离;然后气泡中气体温度升高体积膨胀,电离进一步发展使油分解出气体;一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通道内发生.,(2)非纯净液体电介质的小桥击穿理论,油中杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解,小桥形成：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”，由于水和纤维的介电常数分别 为81和67，比油的介电常数1.82.8大得 多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥,小桥发热：组成小桥的纤维及水分电导大，从而使泄漏电流增加，并进而使小桥强烈发热,小桥贯穿：使油和水局部沸腾汽化，最后沿此气桥发生击穿,小桥击穿的特点,与热过程紧密相连,如是长间隙则难以形成小桥，但因小桥畸变场强而引起间隙击穿电压降低,小桥的形成和电极形状及电压种类有关:电场极不均匀时,由于尖电极附近发生局部放电现象造成油的扰动,而难以形成小桥;冲击电压下,由于作用时间极短,小桥来不及形成.,4.2.2 影响液体电介质击穿电压的因素,杂质（悬浮水、纤维）的影响:水在油中的存在方式2种:溶解于油对耐压影响不大;悬浮状,则易于形成小桥对击穿电压影响较大.,影响程度：含水量十万分之几即可显著降低击穿电压;含水量再增多,只增加击穿通道,击穿电压基本不再下降.,4.2.2 影响液体电介质击穿电压的因素,1.杂质（悬浮水、纤维）的影响:,纤维存在时,含水量对击穿电压影响明显:,电场均匀度影响:均匀场中,电场越均匀影响越大;不均匀场中,由于强场处扰动大，杂质不易成桥，含水量或杂质对击穿电压影响小;,冲击击穿电压由于作用时间太短,杂质来不及形成桥,含水量对击穿电压不影响.,2.温度的影响,温度影响相关因素:油的品质,电场均匀度,电压作用时间,水在油中的存在状态,溶解态:对油的击穿电压影响小,乳浊态:对油的击穿电压影响大,受控于温度的受潮油的击穿过程:如下图所示,受潮油从0度温度逐渐升高,水分在油中溶解度增大,油的击穿电压升高;,温度超过6080度时,水分汽化,油的击穿电压降低;,0度时水分乳浊态最多,油的击穿电压最低;,温度再低,水分结成冰粒不能被电场拉长,且油凝固,击穿电压增加.,干燥油没有这种变化,随温度升高油击穿电压逐渐稍降.,极不均匀电场中,由于强场处扰动大，油中水分和杂质不易成桥，受潮油的击穿电压和温度的关系没有均匀场复杂,只是随着温度升高略有下降.,冲击击穿电压由于作用时间太短,水分和杂质来不及形成桥,温度对击穿电压影响不大.,3.电压作用时间的影响,电压作用时间很短时,击穿电压随时间变化的规律与气体相似.,电压作用时间很长时,主要是杂质影响.时间越长,杂质成桥,介质发热越充分,击穿电压越低.,对不太脏的油做1分钟击穿电压与长时间击穿电压的试验结果差不多,通常油耐压试验只做1分钟.,4.电场均匀程度,液体电介质击穿电压的分散性与电场均匀度有关,电场不均匀程度增加，击穿电压的分散性减小,工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中常不超过5;而在均匀电场中可达3040,油的纯净程度的作用,纯净度较高时：电场越均匀直流和工频击穿电压越高,品质较差的油中：杂质聚集排列使电场畸变，因此电场均匀性对击穿电压的提高作用不明显,冲击电压下：含杂质的油由于杂质来不及形成小桥，则改善电场均匀度可提高击穿电压,应对措施,如液体电介质绝缘时,运行中保持油的清洁或承受冲击电压作用,则应尽可能使电场均匀;,如长时间承受电压作用,且运行中油容易变脏老化,则应想办法提高油的品质,尽量减少杂质影响.,5.压力对击穿电压的影响,介质品质的影响,对于工程液体电介质，由于随着压力增加,气体在油中溶解度增加,另外气泡的局部放电起始电压提高,因而击穿电压随压力增加而提高.如图所示.,对于极纯净液体,压力对液体击穿电压无影响,冲击电压下,压力也无影响.,说明,:,压力对液体击穿电压的影响,主要原因在于油中所含的气体,.,总体来说,液体电介质击穿电压随压力上升的程度远不如气隙,.,4.2.3 提高液体电介质击穿电压方法,1.提高以及保持油的品质,滤纸过滤：过滤油中杂质,油中水分和有机酸被滤纸纤维吸附,滤油机：去除油中溶解的气体,如:加热真空喷雾,吸附剂过滤器：运行中保持品质,常用吸附剂:天然水合硅酸铝;硅胶;活性氧化铝;钠氟石,2.覆盖层:紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层（1mm）,使油中杂质水分形成的小桥不能直接与电极接触,从而减少流经小桥的电流,阻碍小桥的热击穿过程的发展.,4.2.3 提高液体电介质击穿电压方法,3.绝缘层：电极表面包覆上较厚的绝缘层（几十mm）,不仅起覆盖层作用,且承担一定电压,改善电场分布.,固体绝缘层介电常数比油大,可以降低绝缘层内部场强,其耐电强度也较高.常覆在曲率半径小的电极上,使其曲率半径变大,减少此处场强,不发生局部放电或电晕.如:变压器高压引线,屏蔽环和充油套管的导电杆等都包有绝缘层.,4.屏障：放在电极间的固体绝缘板,又称”极间障”.作用:阻隔杂质小桥形成;另外与气体介质中放置屏障作用相似,通过改善电场分布均匀度,提高油间隙的击穿电压.,5.油中发生沿面放电时,改善电场分布：如滑闪时减小比电容等.,4.3固体电介质的击穿,4.3.1 固体电介质的击穿过程,4.3.2 影响固体电介质击穿电压的主要因素,4.3.3 电介质的其他性能,三态电介质的耐电特性,普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，所谓的缺陷可以指电场的集中，也可指介质的不均匀性,击穿特性：,一般情况下，在气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度也最高,耐电强度:空气一般在34kV/mm;,液体一般在1020 kV/mm;,固体一般在十几几百 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,4.3.1 固体电介质的击穿过程,1.固体电介质击穿特性的划分（四个区域）,区域A：0.2s，热击穿.击穿电压随击穿前时间增加而明显下降.,区域D：数十小时，电化学（老化）击穿,2.电击穿,电击穿理论的建立：建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上的，固体电介质中存在的少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿.,电击穿理论分类：固有击穿与电子崩击穿理论,固有击穿理论：在某一场强值内，电场作用下单位时间内电子获得的能量和电子碰撞损失的能量平衡，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,电击穿的影响因素,时间影响：电压作用时间短，击穿电压高,介质特性：如果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,电场均匀度：电场的均匀程度影响极大,累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，不完全击穿导致绝缘性能逐渐下降的效应称累积效应。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：电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,3.热击穿（击穿电压与温度有关）,电击穿的击穿电压和介质温度无关,而热击穿的击穿电压随温度增加而下降.,热击穿的概念：由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。如果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.,热击穿与绝缘厚度的关系:一旦发生热击穿，采取加厚绝缘的办法往往不能起到提高电介质击穿电压的作用，因而是不经济的.,热击穿的理论分析:如下图所示,电介质发热曲线1,2,3对应于电压U,1,U,2,U,3,直线4表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t,0,时,散出的热量Q与介质中最高温度t,m,的关系,曲线1:发热永远大于散热,介质温度t不断升高,在U1下最终发生热击穿.,曲线3:,tt,a,时,不发生热击穿,介质温度升高最终稳定到t,a,t,a,称为稳定热平衡点;,tt,b,时,类似曲线1,发生热击穿;,t=t,b,时,发热=散热,介质温度不上升,但是一旦稍有扰动,温度升高,则介质升温直至热击穿,t,b,称为不稳定热平衡点;,t,a,tt,b,不发生热击穿,介质温度最终将稳定在t,a,.,曲线2与直线4相切,U,2,为临界击穿电压,t,k,为临界击穿温度.,4.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，这过程称电老化击穿,电老化的类型（可归纳成四类）,电离性老化：高分子在,交流电压作用下产生,，气泡放电，电树枝老化,电导性老化：高分子在,交流电压作用下产生,，液体沿电场定向深入，水树枝老化,电解性老化：离子性无机绝缘材料,在直流电压作用下产生,电解老化,表面漏电起痕与电蚀损：有机电介质表面产生,电离性老化：,介质夹层或内部如存在气隙气泡,在交变场下气隙气泡的场强比固体介质大很多,而气体起始电离场强很小,容易产生电离.,这种电离对固体介质的绝缘有很多不良后果:气泡体积膨胀造成介质开裂分层;使有机绝缘物分解出气体又促进电离;产生对绝缘材料或金属有腐蚀作用的气体;造成电场局部畸变促进电离.总之电离的综合效应会造成绝缘物分解,破坏(变酥,炭化等),并沿电场方向向绝缘层深处发展,在有机绝缘材料中放电发展通道会呈树枝状,称为”电树枝”.,电离性老化与局部放电有关,许多高压电气设备将局部放电水平作为检验绝缘质量的重要指标.,电导性老化：,如果在两电极间的绝缘层中,存在液态导电物质(例如水),当该处场强超过某值时,液体沿电场方向向绝缘层深入,形成树枝状痕迹,称为”水树枝”.,产生发展”水树枝”所需的场强比”电树枝”低得多.产生”水树枝”原因是水或电解液中离子在交变场下,反复冲击绝缘物,使其发生疲劳损坏和化学分解,电解液随之渗透扩散.,电解性老化：,在直流电压长期作用下,即使电压远低于局部放电的起始电压,由于介质内部进行着电化学过程,电介质会逐步老化,最终导致击穿.,无机绝缘材料,如陶瓷,玻璃,云母等,在直流电压长期作用下,存在显著的电解性老化现象.,潮气侵入电介质时,水分子会发生分离,加速电解性老化.,表面漏电起痕与电蚀损：,是有机介质表面的一种电老化现象.,在潮湿,脏污的介质表面会流过泄漏电流,在电流密度较大处先形成干燥区,电压分布随之不均匀,干燥区分担较高电压,从而形成火花或电弧放电.放电造成绝缘体表面过热,局部炭化烧蚀,形成漏电痕迹.持续发展将形成绝缘体表面贯通两端电极的放电通道.,在潮湿,脏污地区,这种放电现象会对设备绝缘造成严重危害.,耐漏电起痕和耐电蚀损能力也是衡量介质性能的重要指标.,表面漏电起痕与电蚀损,树老化类型：电树老化，水树老化,树枝老化的一般形状,4.3.2 影响固体介质击穿电压的主要因素,电压作用时间:电压作用时间越长,击穿电压越低.当作用时间足够长,引起热击穿或电击穿时,击穿电压急剧下降.,温度:当环境温度高度一定程度,电击穿转为热击穿,击穿电压迅速下降.温度越高,热击穿电压越低.,电场均匀程度:均匀场中击穿电压随介质厚度增加而线性增加;不均匀场中,介质厚度越大电场越不均匀,击穿电压不再线性增加.,电压种类:冲击击穿电压比工频峰值击穿电压高;直流电压下固体电介质损耗小,直流击穿电压比工频峰值高;高频下局部放电严重,发热严重,击穿电压最低.,4.3.2 影响固体介质击穿电压的主要因素,累积效应,固体的特有性能:固体绝缘损伤是不可恢复性,多次施压若每次有绝缘损伤,则损伤会逐步累积,最终在该电压下发生击穿.,受潮:对固体电介质的击穿影响很大:不易吸潮材料,如聚四氟乙烯,受潮后击穿电压下降一半;容易吸潮材料,如纸,纤维,受潮后击穿电压只有几百分之一.,机械负荷:机械应力可能造成绝缘材料开裂,松散,使击穿电压下降.,4.3.3 电介质的其它性能,1.热性能,2.机械性能,3.吸潮性能,4.化学性能及抗生物性,1.热性能,热性能的基本特性,(1)耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度.电介质的耐热性决定电介质的工作温度.提高电介质的工作温度对提高电气设备的容量,减小重量,降低成本都有重要意义.耐热性分为:,热劣化和长期耐热性,寿命：,在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命.,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.,长期耐热性：,在给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度.,短时耐热性：电介质在高温作用下,短时就能发生明显损坏的温度.如软化,硬化,气化,炭化,氧化和开裂等.,(2)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最高持续工作温度为耐热程度划分耐热等级。如,温度规则,材料使用若超过规定温度,则劣化加速.使用温度越高,寿命越短.如:A级材料温度超过规定8、B级10、H级12，寿命约缩短一半.,运行负荷的经济性与寿命,对于绝缘寿命主要由热老化决定的设备,设备寿命与负荷情况紧密相关.同一个设备,如允许负荷大则运行期间投资效益高,但是设备升温高,绝缘热老化快,寿命短;防止温度规定低,则设备使用寿命长,当允许负荷小,运行效益低.,根据绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计,规定电气设备经济合理的正常使用期限,以此确定设备标准使用温度.如一般电力设备使用期限定为20-25年.,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.,因此,对可能运行在低温条件下的设备要考虑耐寒性.,机械性能:,固体绝缘材料按其机械性能有脆性、塑性和弹性3种,彼此间性能差别很大.,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,4.4 组合绝缘的电气性能,电力设备内的绝缘除了采用单一绝缘介质外,也大量使用几种绝缘介质组合起来的组合绝缘.,如变压器中,采用油间隙,绝缘层,屏障等组合绝缘方式;,电缆和电容器中用纸或高分子薄膜迭层和各种浸渍剂组合绝缘;,电机中采用云母,胶粘剂和浸渍剂等组合绝缘;,充油套管中用油隙和胶纸层或油纸层组合绝缘.,油浸纸的油纸绝缘方式使用最普遍.,干纸或纯油的耐电强度都很低,但两者组合后,油填充了纸中薄弱点的空气隙,纸又在油中起到屏障作用,总体耐电强度提高近10倍.,4.4 组合绝缘的电气性能,外加电压在组合绝缘中各介质上的电压分布,将决定组合绝缘整体的击穿电压.,电压分布情况和电压的性质,持续时间等因素有关.,对于串联的多层绝缘结构,理想的电压分布应是各层介质承受的场强与该层介质的耐电强度成正比,这样可使各层绝缘材料的利用最充分.,以油浸纸绝缘为例:,其击穿过程也分为:,短时电压作用下的电击穿,稍长时间电压作用下的热击穿,长时间电压作用下的电化学击穿.,油浸纸绝缘的短时电气强度很高;,但组合绝缘的不同介质交界处容易出现气隙,易产生局部放电,对油浸纸绝缘的长期电气强度威胁很大,有电,热,化学等腐蚀作用.,油浸纸绝缘的长时耐电强度取决于其工作场强;短时耐电强度取决于其试验场强.,纸密度越大,相对介电常数越大,分配在油介质的场强变大,油成容易发生局部放电,导致整体绝缘能力下降.因此选用介电常数较小的纸或选用介电常数较大的油,可以改善局部放电性能.,油浸纸绝缘在工频电压下局部放电,损耗严重,因此直流电压下的击穿电压是工频峰值的2倍.,