2014 第5章 液体和固体介质的电气特性

高电压工程基础
高电压工程基础
讨论电介质损耗的意义
1. 选择绝缘材料。tanδ 过大会引起绝缘介质发热，甚至 导致热击穿。如蓖麻油因tanδ 过大而仅限于DC或脉冲 电压下，不能用于AC
2. 在预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘材料受潮或劣 化， tanδ 将急剧上升，预防性试验中可通过tanδ 与U 的关系曲线来判断是否发生局部放电 3. 当tanδ 大的材料需要加热时，可加交流电压利用本身 介质发热损耗发热，而且发热非常均匀
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（2）液体介质的损耗 中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。 极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损耗， 所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。
电导损耗占主要部 分，tanδ重新随温度 上升而增加 分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损 耗减小
T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强， 极化损耗增加

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1. 吸收现象
i
i=ic+ia+ig
ia
i
ic
ig
ic: 瞬时充电电流，无损极化 ia：吸收电流，有损极化 ig：电导电流，或泄漏电流
t
电介质中的电流与时间的关系
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电介质的绝缘电阻
U R ig
定义：
U R (t ) i (t )
电介质中的绝缘电阻一般为M 特点： 1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。
tg
U Rs U Cs
损耗功率：
I2 P U RS I tan Cs
IRs Rs Cs 1 I Cs
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有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。 对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可 用三个并联支路的等值回路来表示。
2、多层介质的合理配合： 1 E1 2 E2 电场分布与 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理

成反比
3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因 4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁
液体介质
强极性
中性或 弱极性 固体介质 极性 离子性
可见，气体 r 接近于1，液体和固体大多在2～6之间。
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讨论电介质极化的意义
1、选择绝缘： 电容器 r 大 电容器单位容量体积和重可减少 r 小 可使电缆工作时充电电流减小 电缆 电机定子线圈槽出口和套管 r 小,可提高沿面放电电压
U1 C2 U 2 C1
U 1 G2 U 2 G1
B



当t=0:
U

当t=∞:
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4. 夹层式（界面）极化
C 2 G2 一般情况下： C1 G1 电荷从t=0到 t=∞ 时会重新分配，在介质的交界面处积累电 荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。
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讨论电介质电导的意义
1. 电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时， 利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况 2. 直流电压作用下，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，就可以实现各层之间的合理 分压 3. 注意环境湿度对固体绝缘表面电阻的影响，注意亲水性 材料的表面防水处理
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介质损耗正切角（tg ）（并联模型）
I
U
I R
R
Ic
C
IC
I R

I

U
IR U / R 1 介损： tg I C UC RC
损耗功率：
P UI cos UIctg U Ctg
2
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介质损耗正切角（tg ）（串联模型）
介损：
C0反映电子式和 离子式极化
R反映电导损耗
C′，r支路反映 吸收电流
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（1）气体介质的损耗 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的 损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ <10-8），所 以可以做电容器介质。 但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局 部放电，损耗急剧增加，如图所示。线路电晕损耗
介质类型：具有永久性偶极子的极性介质 建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s
极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关，频率升高，极化减弱） 温度（低温段增加，高温段降低（热运动））
极化弹性：非弹性 消耗能量：有
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4. 夹层式（界面）极化
A
G1 C1
P G2 U C2
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5.1.3 电介质的能量损耗
电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的 损耗和由极化引起的损耗。
损耗

极化损耗（DC下无）
电导损耗（DC、AC都有）
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5.1.3 电介质的能量损耗
介质损耗为： P Q tan U
2
C tan
P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于 互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ 来判断介质的品质。
《高电压工程基础》
华南理工大学电力学院
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液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘(internal isulation)，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 电介质电气特性的表征参数：


电介质的电气特性表现在电场作用下的： 介电特性:介电常数 tg 介质损耗角正切 传导特性:电导率(绝缘电阻率 ) 击穿特性/电气强度:击穿场强 Eb
解：设空气电介质常数为1， 设聚乙烯板电介 质常数为2 (1)插入电介质前：E1=U0/d=55/2=27.5 kV/cm (2)插入电介质后： 1E1= 2E2 U1/U2= 2 / 1，得 U1=2.3U2 U0=U1+U2=3.3U2 U2=U0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) E2=16.7 kV/cm U1=U0-U2=55-16.7=38.3 (kV) E1=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强 所以,插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿。
极化的时间常数：
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
高压绝缘介质的电导 G 通常都很小，因此夹层极化只有在 低频时才有意义。
同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。出 现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器 等复合绝缘中。
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接地杆
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4. 夹层式（界面）极化
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油间隙距 离2.5mm
黄铜电极
绝缘外壳
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
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5.2.1 影响液体介质击穿的因素
相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量
(a)
束缚电荷
Q' — 由电介质极化引起的
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极化概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此 中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面 出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增 + + + + + + + 大。 E0
-
-
-
-
-
-
极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长，从数s到数h 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
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材料类别 气体介质 弱极性 极性 名称 空气（大气压） 变压器油 硅有机液体 蓖麻油 丙酮 酒精 水 石蜡 聚乙烯 聚氯乙烯 云母 电瓷 εr（工频，20℃） 1.00059 2.2~2.5 2.2~2.8 4.5 22 33 81 2.0～2.5 2.25～2.35 3.2～4 5～7 5.5～6.5
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5.1.2 电介质的电导
电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。 它们在电场下的定向移动，形成电流。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要） 表征电导的参数是电导率γ，在高电压工程中一般常用 电阻率ρ来表征介质的绝缘电阻。 与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升 Ae kT
5、研发新型绝缘材料
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电介质极化应用实例
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=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 。
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5.2 液体介质的击穿
纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在 标准试油杯中所得数据） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引 起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”， 引起击穿，即“小桥理论”。
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第5章 液体和固体介质的电气特性
5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化
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5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.1.1 电介质的极化
平板真空电容器电容量： Q0 0 A C0 U d 插入固体电解质后电容量：
-
极化前
极化后
电子式极化
极化的基本形式
离子式极化 偶极子极化 界面极化
无损极化 有损极化
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1. 电子式极化
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
f2 >f1
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（3）固体介质的损耗 分子式结构介质： 中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等； 极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相似， 如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等， 离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等； 不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间 的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等； 强极性电介质：在高压设备中极少使用。
Q0 Q ' A C U d

Q Q0 U
Q Q0 Q ' U
(b)
相对介电常数： ' Q Q r C 0 0 C0 Q0
表面电阻率为：
l s Rs d
表面电导率为： 1 1 d d s Gs s Rs l l
表面电阻的测量电路
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体积电导和表面电导： 表面电导通常远大于体积电导，受环境影响很大， 如受潮、脏污。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排 除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在 测量电极上采取一定的措施。
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2. 体积电阻 RV=U/ig 体积电阻率为： S v Rv d 体积电导率为： 1 1 d d v Gv v Rv S S 其中， d（cm）为电介质厚度， S（cm2）为电极表面积。
体积电阻的测量电路
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3. 表面电阻
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
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2. 离子式极化
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，10-12~10-13 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，离子结合力）
极化弹性：弹性
消耗能量：无
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3. 偶极子极化
极化机理：偶极子定向排列