液体与固体电介质

1.油品质的影响 较均匀电场，持续电压作用下，品质对Ｕb 有较大影响 。用标 准试油器按标准试验方法所测得的工频击穿电压来衡量油的品 质 。同一种油在不同条件下的耐受电压有很大不同 ⑴含水量： 一定的温度下，含一定量的水分 三种形态：分子状态溶解于水――影响不大 乳化状态悬浮于水――很强影响（↓Ｕｂ ） 沉渣状态――影响不大 ＜０℃，结冰 ； ０℃～８０℃，Ｔ↑，悬浮→溶解 ＞８０℃，蒸发汽化 (2)含纤维量 易形成纤维小桥，使Ｕｂ大为降低，吸附水分后尤甚
液体中气泡产生的原因： 1. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质， 分解出气体； 2. 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离 产生气体； 3. 电极表面吸附的气泡脱离出来； 4. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液 体气化
液体中沿气泡击穿过程：
交流电压下串联介质中
E 的分布与 成反比
i i1 i2 i3
i1 i2 R2
C2
C1—无损极化 C2-R2—有损极化 R3—电导损耗
u
C1
i3 R3
3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象
i
i i1 i2 i3
|
吸收曲线
充 电 电 流
|
|
泄 漏 电 流
i
吸 收 电 流
i2 i1
0
i3
t (s)
4. 介质损耗角正切tgδ 交流电压作用下的向量图：
偶极子极化
E0

E 0
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
r 与电源频率有很大关系；极化消耗能量；
r 都会减小 温度过高或过低，
夹层极化 特点：
存在于复合介质、不均匀介质中；极化过程很缓慢 ，只在直 流 和低频交流下表现出来；极化伴随着能量损耗
3. 讨论电介质极化的意义
温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是
电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、
主要因素
液体和固体电介质的γ与温度的关系：
Ae
B /T
温度↑ ａ．热运动加剧→离子迁移率↑→γ↑ ｂ．介质分子或杂质热离解↑→γ↑ 电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温 度系数。
电阻率
1/
绝缘材料的电阻率：108~1020 m
导体的电阻率：10-8~10-4 m 半导体的电阻率：10-4~107 m
2.电介质电导与金属电导的区别
带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）； 金属中为自由电子
数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大
4. 固体电介质的体积电阻和表面电阻 体积电阻－电介质内部绝缘状态的真实反映 表面电阻－受介质表面吸附的水分和污秽影响 水分起着特别重要作用。 亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大 憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）表面电导小
讨论电介质电导的意义
(1)电导是绝缘预防性试验的依据
(2)直流电压作用于分层绝缘时，各层电压分 布与电阻
成正比，选择合适的电阻率可实 现各层间合理分压 (3)注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响
三.电介质的损耗(dielectric loss) 1. 介质损耗的含义
任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由 电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介 质的能量损耗简称介质损耗。
2. 电介质的三支路等值电路
Chapter 4. 液体和固体介质的电气性能
内绝缘具有的特点： ▼不受外界大气条件变化的影响；
▼对包含固体介质的内绝缘，绝缘击穿 是非自恢复的； ▼长时间工作下逐渐老化；
电介质的电气特性，表现为在电场作用下的： 导电性能 －电导率
介电性能 －介电常数 、介质损耗角正切 tg
电气强度 －击穿场强 E
§4.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗 一.电介质的极化(dielectric polarization) 和介电常数
1. 极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负
电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶 极矩）
束缚电荷
U
Q´
Q0 C0U
Q Q0 Q CU
相对介电常数： relative dielectric constant
5. 用tgδ 作为综合反映介质损耗特性优劣的指标 理由：介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容量、 电源频率等许多因素有关，而tgδ 是一个仅取决 于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无关的物理 量。 tgδ 的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中常通 过测量tgδ 来判断设备绝缘的好坏。
6. 影响tgδ 的因素
串联等值电路：
I


~U
rs
Cs
UC Ur




U

I

串联电路中：
由相量图：
Irs Ur tg Cs rs U C I / Cs
2 2
∴
U U P I rs rs rs 1 2 2 Z rs ( ) Cs
2
U C r U Cs tg 2 2 1 (Cs rs ) 1 tg
气体电介质
tg
E<E0时tgδ 很小，忽略不计；
E>E0时，气体介质发生电离， tgδ 随电压升高急剧增加， 多发生在液体和固体介质中含气泡的场合 液体电介质 中性或弱极性：主要是电导损耗， tgδ 较小，随温度的升高 按指数规律增大 极性介质： 包括电导损耗和极化损耗， tgδ 与温度、频率、 外加电压有关
Q C r Q0 C0
注意： 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 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 表示极化程度的物理量为相对介电常数 ，宏观的介电常数的大 小，反映了微观的极化现象和强弱。 气体电介质的极化现象比较弱，所以各种气体的相对介电常数
纤维的 r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强
2. 如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增
大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也会出现气 体小桥，使油隙发生击穿。
三. 影响变压器油击穿电压的因素 1. 油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量 2. 电压作用时间 3. 电场均匀度 4. 温度 5. 压力
接近1，液体、固体的
r 则各不相同， r与温度、电源频率有关。
2. 电介质的极化种类
电子式极化
E0

E 0
特点：存在于一切电介质，极化所需时间短， r不随频率变化； 极化具有弹性，不损耗能量
离子式极化
E
特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短； r 随温度升高而增大 极化具有弹性，无能量损耗；
0
E0
E
tg
tg
0
t1
t2
t (C )
0
0

固体电介质 无机绝缘材料和有机绝缘材料中的非极性电介质：主要是电 导损耗， tgδ 较小 有机绝缘材料中的极性电介质： tgδ 与温度、频率的关系与 极性液体介质相似，且tgδ 较大
讨论损耗的意义
• 选择绝缘 :tgδ过大会引起绝缘介质严重发热，甚 至导致热
§4.2 液体电介质的击穿
一. 常用的液体介质 天原矿物油和人工合成油
目前常用的主要有变压器油、电容器油、
电缆油等矿物油 二. 液体电介质的击穿理论 电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发射 或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最 后导致液体击穿
气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气 泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气泡 内的气体放 电而引起液体击穿。
（１）不同应用场合，对εr 大小的要求不同 （２）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质场强Ｅ与εr
成反比，要注意各种材料的 εr值的配合；
（3）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿
二. 电介质的电导(electrical conduction) 1. 定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流 要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率γ(s/ｃｍ)表示
击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为 tgδ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，
tgδ将急剧上升，在预防试验中可通过tgδ～ U的关系曲线来 判断是否发生局部放电；
• 均匀加热： 当tgδ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。
5. 油的压力：工频电压下，因含气体，压力↑，气体在油中溶解 度增加，油中气泡的电离电压也增高，所以Ｕｂ↑ 冲击电压下，无显著影响
四. 提高变压器油击穿电压的措施
１．提高并保持油的品质 提高：去杂质、水分、有机酸――过滤、防潮 去气体――真空注油法 保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化 2 ．采用“油－屏障”绝缘 如覆盖 、绝缘层、加隔板 阻止贯通型杂质小桥的形成和发展 ，改善油隙中的电场分布
3. 电场的影响 ： 工频和直流电压下，纯度高的油，改善电场，Ｕｂ↑ ；品质差的 油，改善电场分布，Ｕｂ提高不明显，因为这时杂质的聚集、 排列已使电场畸变。 冲击电压下，因为杂质来不及形成小桥，改善电场，Ｕｂ↑ 4. 温度：随油品质、电场均匀度和电压作用时间而不同 在0~60度范围内，受潮的液体介质的击穿电压，往往随温度升 高而明显增加，其原因是油中悬浮状态的水分随温度增加而转 变为溶解状态的缘故，温度更高时，油中所含的水分汽化增加， 又使击穿电压下降。
b
液体和固体电介质在运行过程中会出现逐渐 老化的现象，使 它们的物理、化学性能及 各种电气参数发生改变，从而影响 绝缘的电 气强度及其寿命。所以对液体和固体电介质， 我们不仅要了解它们在强电场下的击穿特性， 还要了解它们在弱电场下的电气特性，如极 化、电导、损耗等。 气体电介质的极化、电导、损耗很微弱，一 般可以忽略不计。
工程用变压器油的击穿机理：（小桥理论）
工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的 r 很大 容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥：
1. 如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于
度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电
离增强，这样发展下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
(3) 含气量 饱和溶解量主要由气体的化学成分、气压、油温等决定 来源：大气 ; 油、水、有机绝缘物分解 分子状态短时间对油的性能影响不大 主要危害：气体析出后会使油的耐电强度有较大降低 氧气会使油氧化、老化
2. 电压的作用时间： 有很大的影响。由于加上电压后，油中的杂质聚集到电极 或介质的发热都需要一定的时间，所以油间隙击穿电压随加压 时间的增加而下降。


I 2R

I3


I 2C
I2

I1

I

U

并联等值电路：
I IR IC



~U

源自文库
IC
Cp

IR

IR


Rp I C


I

U

并联电路中：
U IR Rp I C UC p
2
∴
P UI R UIC tg U C ptg
I R U / Rp 1 由相量图： tg I C UC p C p R p
气体的击穿场强
气泡先电离

比液体低得多 气泡温度升高、
体积膨胀、电离 进一步发展 电离产生的带电粒子撞击 液体分子，使之分解出气 体，扩大气体通道 电离的气泡在电场作用 下容易排列形成连通两
极的气体“小桥”，击
穿 沿“小桥”通道发生
气泡击穿理论依赖与气泡的形成，发热膨胀、气泡通道扩 张并积聚成小桥，有热的过程，属于热击穿的范畴，这一理论 可以推广到其他悬浮物体引起的击穿，例如工程用变压器油的 击穿过程。
2 2 2 s s 2
比较并、串联电路中P、 tgδ 表达式可得到：
Cs Cp 1 tg 2
∵
rs CP 2 tg R p CS
∴ C p Cs C
tg 1
2
rs RP
电介质的介质损耗可统一表示为：
P U Ctg
小结：
1. 理想电介质可用一电容等值表示，考虑到损 耗，则可用R， C并联或串联电路等效；进一步细分，则可用三支路等值电路 表示。 2. 并联等值电路和串联等值电路的本质是一样的，并联电路中 R很大，串联电路中R很小，R既包含了电导损耗，也包含了极 化损耗。忽略损耗，则两个电路都简化为一个电容等值电路。