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1、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,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: 正常情况下，任何电介质都是呈中性的。但在电场作用下，其电荷质点就会沿电场方向产生有限的位移，这种现象称为电介质的极化。介电常数来表示极化强弱。,平行平板电容器在真空中的电容为 当极板间插入固体介质后，电容为 式中 A极板面积，cm2; d极间 距离，cm；介
2、质的介电常数 0真空的介电常数， 0=8.8610-14F/cm 定义 为介质 相对介电常数。,气体r接近于1，液体和固体大多在 26之间,1）电子式位移极化 任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，且正负电荷作用中心重合，对外不显电性。 在外电场的作用下，原子外层电子轨道相对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态。,二、极化的形式,2）离子式位移极化 固体有机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在无外电场时，正、负离子对称排列，各离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零。 在外电场作用下，正、负离
3、子将发生相反方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩，对外呈现出电性。,3）偶极子极化,偶极子：正、负电荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正电荷，另一端呈负电荷，分子本身就是一个永久性的偶极矩。 极性介质：由永久性偶极子构成的介质叫极性介质。,单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介质分子处于不停的热运动状态，宏观上正负电荷平衡，对外不显电性。 在外电场的作用下，原来混乱分布的极性分子沿电场方向作定向排列，因而呈现出极性。,无外电场时,有外电场时,4）夹层极化,在高压设备中，常应用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器绕组等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上产生“夹
4、层极化”现象。,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。,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。,2.1.2 电介质的电导,（1）泄漏电流和绝缘电阻 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，这一稳定电流以称为泄漏电流，与之相应的电阻称为电介质的绝缘电阻。,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
5、阻。,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，不随时间变化,绝缘电阻：,(一)电介质的损耗及介质损失角正切 介质在电压作用下有能量损耗。一种是电导引起的损耗；另一种是由有损极化引起的损耗。在直流电压下，由于无周期性极化过程，因此，当外施电压低于发生局部放电电压时，介质损耗中仍由电导引起，此时用绝缘电阻就足以表达，而在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的损耗，所以，定义为：在交流电压下，介质的有功功率损耗为介质损耗。,2.1.3、电介质的
6、能量损耗,交流时：流过电介质的电流：,电源提供的视在功率： 介质损耗(有功损耗) 对同类试品绝缘的优劣可用tg来代替P值，对绝缘进行判断 tg取决于材料的特性，与材料尺寸无关：,（二） 有损介质的等值电路分析 并联电路： 串联电路：,(a)损耗主要由电导引起采用并联 (b)损耗主要由极化引起采用串联,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）.影响介质损耗的因素,温度 频率 电压,气体中的 tan与电压的关系,气体的介质损耗 气体中的电场强度
7、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。,极性液体介质与温度的关系,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。,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 。,电力系统中电源频率固定为50Hz，一般频率只有很小变化，可视为对 tan无影响 .,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
8、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。,一、液体介质的击穿机理,（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。 液体的击穿机理很复杂。到目前为止都是用气泡(“小桥”)理论进行定性的分析。,气泡击穿理论（小桥理论） 液体中由于某些原因出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的相对介电常数r
9、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。,2.2.2影响液体介质击穿的因素和改进措施,1.油品质的影响,液体中所含杂质成分及数量对液体介质中的击穿电压有显著影响,在标准油杯中变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,水分、杂质对变压器油击穿电压的影响,2.温度的影响,变压器油工频击穿电压与 温度的关系 l干燥的油；2潮湿的油,变压器油的击穿电压与电压作用时间的关系,3
10、.电压作用时间的影响,3、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。,5.压力的影响,变压器工频击穿电压与压力的关系,改进措施 (1)提高以及保持油的品质 过滤、防潮、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,固体介质击穿后材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自行恢复绝缘性能
11、，固体介质为非自恢复绝缘。,固体介质的击穿可分为三种：电击穿、热击穿、电化学击穿。,2.3 固体介质的击穿,2.3.1 固体介质的击穿机理,1. 电击穿 在强电场作用下，介质内的少量自由电子得到加速，产生碰撞电离，使介质中带点质点数目增多，导致击穿。 特点：施加电场高，作用时间短，介质温度不高；,2. 热击穿 热击穿是由于电介质内部热不稳定过程所造成的。当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高。 特点：施加电场稍低，作用时间稍长。,特点：施加电场低，作用时间长。,由于介质逐步老化，导致绝缘性能下降，以致绝缘 在工作电压下或短时过电压下发生击穿，称此击 为电化学击穿。
12、,3. 电化学击穿,2.3.2影响固体介质击穿的因素和改进措施,1.电压作用时间,电工纸板的伏秒特性,外施电压作用时间对击穿电压的影响很大,2.温度,工频下电瓷的击穿电压与温度的关系,应改善绝缘的工作条件，加强散热冷却，防止臭氧及有害气体与绝缘介质接触等。,3.电场均匀程度,均匀致密的介质，在均匀电场中的击穿电压较高，且与介质厚度有直线关系； 在不均匀电场下，击穿电压随介质厚度增加而下降，当厚度增加时，散热困难，可能出现热击穿，故增加厚度的意义更小。,4.受潮,介质受潮后击穿电压迅速下降，对易吸潮的纤维影响特别大。,5.累积效应 在多次冲击或工频试验电压下，一系列的不完全击穿将导致介质的完全击穿，反映出随着施加冲击或工频试验电压次数增多，固体介质的击穿电压将下降的现象，称为累积效应 6.机械负荷 介质在机械负荷作用下发生裂缝，其击穿电压显著降低 。,2.4 绝缘介质的其他特性,2.4.1 热性能,所谓电介质的耐热性能是保证运行可靠而不产生热损坏的最高允许温度 温度过高，会引起热击穿；有机材料在高温下易氧化、分解，性能劣化 。,绝缘材料的耐热等级,2.4.2机械性能 2.4.3 吸潮性能 2.4.4 生化性能,绝缘材料：脆性、塑性、弹性材料 机械性能相差很大,