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1、长春工程学院 刘望来,第二章 液体和固体电介质的绝缘强度,在弱电场中描述电介质性能用介电常数、电导和介质损耗角正切值三个参数，与之对应的是电介质极化、电导和介质损耗三种物理现象。,长春工程学院 刘望来,2.1电介质的极化、电导、损耗,第一部分：极化一、问题提出 在密闭容器中加入两平板电极，容器抽真空。在电极上加上外加电压进行充电。静止后电量为Q0，Q0=C0U=0A/d。,长春工程学院 刘望来,在两电极间加入厚度与极间距相同的固体电介质重新完成试验。发现极板上的电量增加了Q，Q=Q0+Q=A/d。问Q这些电量是如何来的呢？,用相对介电常数来描述=Q/Q0=（Q0+Q）/Q0,-+-+,在电场的
2、作用下，电介质相对电极两面呈现电性的现象称为极化。,长春工程学院 刘望来,二、极化的形式,1、电子式极化,特点：1）速度快 10-1410-15S；2）弹性的；3）不消耗能量。,长春工程学院 刘望来,其特点是：1）速度较快，10-1210-13S；2）弹性的；3）不消耗能量。,2、离子式极化,长春工程学院 刘望来,3、偶极子极化：,特点：1）速度较慢，10-210-6S；2）非弹性的；3）消耗能量。,长春工程学院 刘望来,4、夹层极化：,特点：1）速度慢：几十分之一秒到几分钟；2）非弹性的；3）消耗能量。,长春工程学院 刘望来,极化可以归纳为空间电荷的弹性位移或转向及电荷的重新分配；也可以归纳
3、为快速的无损极化和慢速的有损极化。,3、利用夹层极化可以判断绝缘受潮的情况。,2、在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强分布与介电常数成反比。,研究极化的意义：1、选择制造电容的绝缘材料时，一方面注意材料的绝缘强度，另一方面希望介电常数要大；,问题：用两种介电常数的绝缘纸分别缠电缆芯线，是先缠介电常数大的呢，还是先缠介电常数小的呢？,长春工程学院 刘望来,常用电介质的介电常数,长春工程学院 刘望来,第二部分：电导,电导：任何电介质都有一定的导电性。,一、试验电路,金属电导是电子电导、电介质电导是离子电导。电介质的电导极小，其电阻率高达1091022cm，而金属的电阻率仅为10-610-
4、2cm,长春工程学院 刘望来,二、等效电路,2、由慢速有损极化形成的电流i2称为吸收电流。由于是由极化形成的，可以等值出电容C2，又有损耗，可以等值出电阻r2。,3、电介质中的起始带电粒子在电场的作用下定向运动形成电流i3，称为泄漏电流。因为是纯阻性的，可以等值出电阻r3。,1、由电源对电介质等效电容充电建立电场及快速无损极化形成的电流i1称为几何电容电流。由于其是纯容性的，所以可以用一个电容C1来等值。,长春工程学院 刘望来,三、绝缘电阻与吸收现象 在电压作用下流过电介质的电流随加压时间的延长逐渐稳定在泄漏电流上，这种电流随时间逐渐衰减的现象称为吸收现象。与这个稳定电流相对应的电阻值称为设备
5、的绝缘电阻。由于吸收现象的存在，在对电介质进行高压试验时，电介质表面会有吸收电荷存在，这些电荷在没有外因作用时需很长时间才能泄放掉，可能对人构成危险，所以高压试验结束时必须对试品进行放电。,长春工程学院 刘望来,四、气体电介质的电导是由气体分子本身及气体中杂质离解出来的带电粒子形成的，其值很小。液体电介质的电导一种是由液体本身的分子和杂质的分子离解的带电粒子形成的离子电导，另一种是由液体中胶体质点吸附电荷后变成带电质点构成的电泳电导。固体电介质的电导分体积电导和表面电导两部分。,长春工程学院 刘望来,五、研究电导的意义：1）在高压设备绝缘预防性试验中，测量电介质的电导和吸收比可以判断绝缘是否受
6、潮。2）多层介质在直流电压作用下的稳态电压分布与各层介质的电导成反比。在设计用于直流的设备时，要注意所用介质的电导率，尽量使材料得到合理的使用。3）设计绝缘时，要考虑到绝缘的使用条件，特别是湿度的影响。如有些胶纸外壳的高压设备，在潮湿天气时，由于受潮引起表面电导太大，无法在额定电压下使用。4）并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘电阻。,长春工程学院 刘望来,第三部分、电介质的损耗,电介质损耗包括极化损耗和电导损耗。在直流电压的作用下，由于电介质中没有周期性的极化过程，当外施电压低于发生局部放电的电压时，介质中的损耗仅由电导所引起。在交流电压作用下：,长春工程学院 刘望来,
7、用有功功率P来表示介质损耗是不方便的，因为P值与实验电压、试品尺寸等因素有关，不同试品间难以互相比较，而对一定结构的试品，在外界电压一定的情况下，介质损耗仅决定于tg，而如同介电常数和电导率一样，tg仅取决于介质本身的特性参数。因此，为了比较不同介质在交变电压作用下的损耗性能，tg就成为衡量介质损耗大小的物理量。,长春工程学院 刘望来,研究介质损耗的意义：1、在设计绝缘结构时，必须注意到绝缘材料的tg，若tg值过大则会引起严重发热，使材料容易劣化，甚至可能导致热击穿。2、用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的tg值必须很小，否则冲击波在电缆中传播时将引起严重畸变，影响测量精确度。3、预防性试验的一种
8、。4、作为绝缘材料，希望其tg越小越好。,长春工程学院 刘望来,前言 充当高压绝缘的液体介质主要有矿物油和合成油两大类，应用最广的是矿物油。矿物油是按照不同成分和经不同精制过程后分别适用于不同电气设备的绝缘油，分别称为变压器油、电容器油、电缆油和开关油。由于矿物油易老化、会燃烧、有爆炸危险等原因，所以国内外正致力于研究合成油，如有机硅油、十二烷基苯等。,2.2 液体介质的击穿,长春工程学院 刘望来,一、液体分纯净液体和工业上应用的液体，纯净液体的放电理论是电击穿理论，工业上应用的液体的放电理论是“小桥理论”。,二、“小桥理论”油中含有水分和纤维时，由于水和纤维的介电常数很大，尤其是纤维吸潮后，
9、很容易沿电场方向极化定向排列，排列成杂质小桥，并在电极间形成电导较大的通道，引起泄漏电流增大，温度升高，促使油和水分汽化，气泡扩大，最后击穿。,长春工程学院 刘望来,三、标准试油杯为什么要作成均匀电场的？,在标准试油杯中，液体（变压器油）的击穿电压为2060kV，其击穿场强为2060kV/0.25cm=80240kV/cm。而均匀电场中空气的击穿场强为30kV/cm，所以气体的击穿场强比液体的低很多。,长春工程学院 刘望来,1、含水量对液体击穿电压的影响 变压器油在不同的环境中，吸收水分的能力和程度是不同的，因此变压器油中的含水量也不相同。比较干燥的油在潮湿的环境中，经过一段时间后，含水量会逐
10、渐增加，最后达到某一饱和值。水分在油中以溶解状态、悬浮状态和在容器底部沉积三种状态出现。悬浮状态的小水滴能够在电场作用下极化并在极间排成导电的“小桥”，使油的击穿电压显著下降。,四、油的品质对液体击穿电压的影响,长春工程学院 刘望来,2、含纤维量的影响 当变压器油中有纤维存在时，在电场作用下，纤维将沿着电场方向定向排列，形成“小桥”，使变压器油的击穿电压大为降低。,长春工程学院 刘望来,3、含碳量的影响 某些电气设备中的绝缘油在运行中常受到电弧的作用，电弧的高温会使绝缘油分解而产生碳粒。新生的活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力，从而使油的绝缘强度提高，同时碳粒本身是导体，它分散在油中使附近的
11、局部电场增强而使油的绝缘强度降低。总之，细而分散的碳粒对油的绝缘强度影响并不显著，但碳粒吸附水分逐渐沉积到电气设备的固体介质表面，形成油泥，易造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。,长春工程学院 刘望来,五、温度对液体绝缘强度的影响1、当温度由00C开始逐渐上升时，悬浮状态溶解状态2、当温度超过60-800C时，水汽化，油汽化，产生气泡3、在0-50C时，油中水分是悬浮状态的，击穿电压最低。4、温度再降低，水将结成冰粒,长春工程学院 刘望来,六、压力的影响 不论电场均匀与否，工程上用的变压器油在工频电压作用下，其击穿电压均随压力的增加而增大，这个关系在均匀电场中更为显著。压力对击穿电压
12、的影响的原因是由于油中含有气体。,七、电场均匀程度的影响 电场越均匀，水分等杂质对击穿电压的影响越大，击穿电压的分散性也越大。所以当油的纯净度较高时，改善电场的均匀度能大大提高工频或直流电压下油的击穿电压；而在品质较差的油中，因杂质的聚集和排列已使电场畸变，故改善电场分布对击穿电压的影响不大。,长春工程学院 刘望来,八、电压作用时间的影响,1、液体击穿需要时间；2、加压时间长、小桥易形成。,长春工程学院 刘望来,九、提高液体介质击穿电压的措施,措施：1、提高液体品质（1）过滤。在油中先加入白土、硅胶等吸附剂后用滤油机滤纸阻隔油中的纤维等固态杂物，吸收部分水分等液体杂质；（2）干燥。绝缘及夹件、
13、绕组等浸油前必须烘干，必要时采用真空干燥法去除水分，在油箱呼吸器的空气入口处放干燥剂。（3）祛气。,途径：提高液体的品质，限制小桥的形成。,长春工程学院 刘望来,2、限制小桥的形成（1）覆盖。在电场中曲率半径小的电极上覆盖很薄的电缆纸（或黄蜡布或涂漆膜），组成油纸绝缘组合。在均匀电场中覆盖能够使击穿电压提高70%100%，在极不均匀电场中能够提高10%15%，所以充油设备中很少采用裸导体的。（2）绝缘层（3）屏障,长春工程学院 刘望来,小 结,在电场作用下，电介质中发生的物理现象可用四个特性参数：介电常数、绝缘电阻率、介质损耗角正切及绝缘强度来表征。前三个参数是表征在较弱电场中的性能，绝缘强度
14、是在强电场中表征电介质性能的参数（电场的强弱是以能否使电介质发生放电来区分的）。这四个参数有三个是物理量，而tg是一个比值。,长春工程学院 刘望来,这四个参数既有联系，又相互独立，不能由一个参数推断另一个参数。评价电介质的电气性能要以四个参数全面衡量，只是在不同的应用场合，对这四个参数的要求主、次和数值有所不同；多数情况是绝缘强度这一参数起主导作用。,长春工程学院 刘望来,在较弱电场作用下，离子的定向运动形成电介质电导。温度升高介质中离子数加多，运动加快，故其电阻温度系数为负。,电介质在直流电压作用下，因偶极子极化、夹层极化等缓慢极化过程形成了电介质的吸收现象。当除去外加电压，将电介质两端的电
15、极短路放电时，因极化的缓慢消失，使极板上电荷完全放掉所需的时间比充电时间要更长。,长春工程学院 刘望来,由固、液体电介质构成的电容器，当外加电压作用时，为建立电场、缓慢极化和介质漏电流使电流分三部分：几何充电电流、吸收电流和泄漏电流。三部分电流对应三个支路：纯电容、电容与电阻串联、纯电阻支路。故电介质可用电阻与电容的串联或并联电路来等值。,由于通过介质的泄漏电流和有损极化使电介质在交变电场作用下产生介质损耗，介质损耗的大小用tg来表示。,长春工程学院 刘望来,工程上应用的变压器油中总是含有少量的杂质，主要是水分和纤维等。水分和纤维的相对介电常数比油的大，在外加电场作用下很容易极化，因而在极间形成漏电大的通道，即杂质小桥，这漏电大的通道发热使局部温度升高，水分汽化而形成气体通道，气体通道因碰撞游离而击穿，故变压器油的击穿是用小桥理论来解释的。,长春工程学院 刘望来,油中含有杂质多，杂质小桥易于形成，其击穿电压就降低。在均匀电场中油较平稳，油中杂质易于搭成“小桥”，故油品质试验要在均匀电场的标准试油杯中进行。,提高油间隙击穿电压的措施：一方面是提高油的品质，另一方面是限制小桥的形成。,长春工程学院 刘望来,习 题,一、测定变压器油品质好坏，为什么要采用标准试油杯？为何要取第二到第六次的五次击穿电压的平均值？二、介质吸收电流曲线变化的快、慢为什么与受潮有关？,
