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1、高电压技术,李 卫 国 80798486，60105052,第一章 电介质的极化、电导和损耗,2,1-1 电介质极化,电介质的极化有4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),3,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,一、电子位移极化,4,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，10-1210-13 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）极化弹性：弹性消耗能量：无,二
2、、离子位移极化,5,三、转向极化（偶极弛豫极化）,极化机理：极性分子转向介质类型：偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质建立极化时间：需时较长，10-610-2 s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关）温度（温度较高时降低，低温段随温度增加）极化弹性：非弹性消耗能量：有,6,四、空间电荷极化（夹层介质界面极化）,夹层介质界面极化概念：当t=0:当t=:,7,一般有 电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，高压绝缘介质的电导通常都很小，这种性质的极化只有在低频时才有意义,8,极化机理：带电质点移动介质类型
3、：不均匀（或夹层）介质中建立极化时间：很长极化程度影响因素：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,9,1-2 电介质的介电常数,一、介电常数及其物理意义,真空中的介电常数0相对介电常数r介电常数=0 r介电常数是反映电介质极化程度的物理量，介电常数越大，极化出的电荷越多。在多层介质中，不同的介电常数会影响电场分布。,10,气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小,二、气体电介质的相对介电常数,11,部分气体的相对介电常数（环境条件 20,1 at
4、m）,12,(1)中性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r数值不大，在1.82.5范围内。(2)极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等 r数值在26范围内。(3)强极性电介质：如酒精、水等 r10，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大,三、液体电介质的介电常数,13,根据转向极化的特点，对介电常数随温度及频率变化的趋势作出解释：（1）T不变时 f增大，r 减小（2）f不变时 T升高，r先增后减,频率 f1f2f3,(4)介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）,14,（1）中性固体电介质：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类电介质
5、，只有电子式极化和离子式极化形式，r不大，通常在2.02.7范围。陶瓷，云母等晶体型离子结构的中性电介质，相对介电常数r 一般在58左右。（2）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，还可能更大。r和T及f的关系和极性液体的相似,四、固体电介质的介电常数,15,16,五、讨论极化的意义,1.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 选择用于电容器中的绝缘材料时，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r 较大的介质，这样，电容器单位容量的体积和重量就可以减小。选择时要注意电气强度，对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的介
6、质又如电机定子线圈出槽口和套管等情况，如果固体绝缘材料的r减小，则交流下沿面放电电压可以提高。,17,2.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3.材料的介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。4.夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等电容量很大的设备时，必须特别注意吸收电荷可能对人身安全造成的威胁。,18,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
7、=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。,电介质极化应用实例一,19,解：(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,20,对于同轴电缆，可采用多层介质，在靠近内电极处采用介电常数大的好处是什么？为什么？从介电常数的角度来分析油纸绝
8、缘在套管中是如何改善电场分布的。目前固体绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选择呢？,电介质极化应用思考题,21,1-3 电介质的电导,任何电介质都不是理想的绝缘体，在它们内部总有一些联系较弱的带电质点存在。在外电场作用下，这些带电质点作定向运动，形成电流。因而任何电介质都具有电导。,22,01、漏导电流和绝缘电阻,在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种极化的存在，流过电介质的电流很大，之后随时间而变化。经过一定时间后，极化过程结束，流过介质的电流趋于一定值I，这一稳定电流称为漏导电流，与之相应的电阻称为电介质的绝缘电阻R。这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻,R1体积绝缘
9、电阻；R2表面绝缘电阻。,23,介质的绝缘电阻或介质电导决定了介质中的泄漏电流。泄漏电流大，将引起介质发热，加快绝缘介质的老化。因此，一般所指泄漏电流是流过介质内部的电流，相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况。由于表面电阻受外界的影响很大，因此在工程上测量绝缘电阻时，应在测量回路中加以辅助电极，使表面泄漏电流不通过测量表。以后如不加以特殊说明，绝缘电阻均指体积绝缘电阻。,24,测量介质中电流的电路图,25,介质电导的大小与带电质点的密度、速度、电荷量、外施电场有关。温度越高，参与漏导的离子越多，即电导电流越大。因此，介质电阻具有负的温度系数，与金属电阻相反。当介质中出现自由电
10、子构成的电子电流时，表明介质即将击穿或已击穿，此时介质不能再作绝缘体，这时绝缘电阻值将急剧下降。电介质的绝缘电阻随温度上升而下降，近似于指数关系：R0温度为0的绝缘电阻；Rit温度为t的绝缘电阻；温度系数,26,ic：快速极化造成的位移电流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,02、电介质的电导电流,27,03、介质等值电路,其中Cg为纯电容支路，代表介质的几何电容及无损极化过程，流过的电流ig；Cp Rp代表有损极化（空间电荷极化）电流支路，流过电流ip；Rlk 代表电导电流支路，流过的电流为ilk。,28,在工程中使用得最多的是空气，其
11、带电质点来源主要有两方面：一是外界紫外线、宇宙射线等照射，产生游离,离子浓度约为5001000对/cm3；二是在强电场作用下，气体中电子的碰撞游离。实验电路如图所示,一、气体电介质的电导,29,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趋向饱和区域3：场强超过E2103 V/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,当外加电压小于击穿场强时，空气的电导率是很小的，为10-1510-16（-1 cm-1），故是良好的绝缘体。气体电导主要是电子电导。,30,形成电导电流的带电质点主要有两种：一是
12、构成液体的基本分子或杂质离解而成带电质点，构成离子电导。二是由于相当大的带有电荷的胶体质点构成电泳电导。中性和弱极性液体，在纯净时，电导很小，而当含有杂质和水分时，其电导显著增加，绝缘性能下降，其电导主要由杂质离子构成。极性和强极性液体介质，其分解作用很强，离子数多，电导很大；一般情况下，不能作绝缘材料。液体的分子结构、极性强弱，、纯净程度、介质温度等对电导影响很大，各种液体电介质的电导可能相差悬殊，工程上常用的变压器油、漆和树脂等都属于弱极性。,二、液体电介质的电导,31,区域1：液体电介质的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律区域2：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域区域3：场强继
13、续增大超过某一极限，电极发射电子引起电流激增，最终击穿,液体电介质中电压电流特性,32,固体介质电导分为离子电导和电子电导两部分。离子电导很大程度取决于介质中所含杂质，特别是对中性及弱极性介质，杂质离子起主要作用。当电场很高时，由于碰撞游离和阴极电子发射，电子电导急增，预示绝缘接近击穿。,三、固体电介质的电导,33,固体介质的表面电导,固体介质的表面在干燥、清洁时，其电导很小，故其表面电导主要是由于附着于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物而引起的，其中水分起着特别重要的作用。对中性和弱极性介质（如石蜡、聚苯乙烯、硅有机物等），水分子与固体介质分子的附着力很小，水分不易在介质表面形成
14、连续水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面电阻较高，电导较小，称这类介质为僧水性介质。极性介质（如云母、玻璃等）及离子性介质，水分子与固体介质分子的附着力很强，在介质表面形成连续水膜，表面电导较大，且与湿度有关。称这类介质为亲水性介质。采取使介质表面洗净、光洁、烘干、或表面涂以石蜡、绝缘漆、有机硅等措施，可以降低介质表面电导。,34,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,35,（1）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
15、收比判断设备的绝缘状况（2）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（3）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,四、讨论电导的意义,36,1-4 电介质能量损耗及介质损失角正切,介质损失角正切 工程介质 的介质损耗讨论介质损耗的意义,37,一、介质损耗的基本概念,介质损耗定义：介质在交流电压下的有功功率损耗介质损耗包括两部分：电导引起的损耗 周期性极化引起的损耗 直流 电导损耗R、G 交流电导和极化损耗介质损耗,38,对同类试品绝缘,电介质的等效电路,电介质中的电流和电压矢量,39,定义 为介质损失角，是功率因数角
16、的余角介质损失角正切值tg，如同r 一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质,40,电介质的并联与串联等值电路,并联等值电路,41,串等值电路,42,二、气体电介质中的损耗,当电场强度小于使气体分子电离所需的值时，气体介质中的损耗极小（tg 10-8），工程中可以略去不计。所以常用气体（如空气，N2；CO2，SF6等）作为标准电容器的介质当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加,43,三、液体电介质中的损耗,中性液体固体电介质中的损耗主要由漏导决定。介质损耗与温度、电场强度等因素的关系决定于电导与这些因素之间的关系,中性液体或中性固体电介质的t
17、g与温度的关系示意图,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系示意图,44,极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损托两部分。损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系,松香油的tg 与温度的关系,极性电介质中的损耗与频率的关系,45,四、固体电介质中的损耗,中性介质如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起，通常很小，在高频下也可使用 极性的纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），tg 值较大，高频下更为严重。与温度、频率的关系与极性液体相似,46,离子式结构的介质，其tg 与结构特性有关结构紧密的不含杂质的离子晶体，如云母，其tg 主要是
18、由电导引起，tg 极小，且云母的电气强度高，耐热性能好，耐局部放电性能也好，故云母是优良的绝缘材料，在高频下也可使用结构不紧密的离子结构中，有极化损耗，故介质的tg 较大，玻璃、陶瓷属此类，但随成分和结构的不同，tg 相差悬殊,47,五、不均匀结构的电介质 如：电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质）和油浸纸、胶纸绝缘等。不均匀结构的电介质的tg 取决于其中各成分的性能和数量间的比例,峰值可能由纸极化损耗引起,峰值可能由复合胶极化损耗引起,48,1、反映单位体积中的损耗，与绝缘体的体积大小无关 例1：当试品绝缘有两种不同绝缘并联组成 则：需分解测量（如分别对变压器线
19、圈和套管进行测量）例2：当集中性缺陷所占的体积相对于被试绝缘的体积越小，则集中性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗中的比重越小 如：电机、电缆设备，被试绝缘体积较大，虽然集中性缺陷的发展是运行中故障的主要原因，但测很难发现,六、电介质损耗的特点及影响因素,49,2、与温度和频率有复杂的关系3、与试验电压的关系 当所加试验电压足以使绝缘中的气泡游离或足以使绝缘产生电晕或局部放电等情况时，tg 的值将随试验电压的升高而迅速增大 因此，测定 tg 所用的电压，最好接近于被试品的正常工作电压，所加电压过低不易发现绝缘中的缺陷；而过高则容易对绝缘造成不必要的损伤,50,七、讨论介质损耗的意义,tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。用于冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度。在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U的关系曲线加以判断。可利用tg 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程。,51,谢谢!,李 卫 国 高电压与电磁兼容研究所+80798486，60105052,Q&A,
