【正文】 高電壓技術(shù) 2 第 3章 電介質(zhì)的電氣性能 ?電介質(zhì) 的 電氣性能 ? 電介質(zhì) 電氣性能 的劃分 ? 極化特性： 介電常數(shù) ε ? 損耗特性： 介損 tgδ ? 電氣傳導(dǎo)特性： 載流子移動(dòng) 、 高場(chǎng)強(qiáng)下的電氣傳導(dǎo)機(jī)理等 ， 電導(dǎo) G 或電阻 R ? 電氣擊穿特性： 包括 擊穿 機(jī)理 、 劣化 、 電壓 時(shí)間特性曲線 （ V–t ） 等 ， 擊穿 電壓UC 或 擊穿 場(chǎng)強(qiáng) EC ?電介質(zhì) 的 極化及介電常數(shù) ? 電介質(zhì)物質(zhì) 結(jié)構(gòu) 的基本形式 ? 極化 (polarization) 與 電 介 質(zhì) (dielectrics) ? 電介質(zhì) 極化 的基本 類型 ? 電介質(zhì)的 介電常數(shù) ? 討論 極化的意義 電介質(zhì) 的 結(jié)構(gòu) ? 電介質(zhì)的分類 （ 根據(jù) 化學(xué)結(jié)構(gòu) ） ：分子及各聚集態(tài)（ 氣 、 液 、 固 態(tài) ） 的性質(zhì)和它的 鍵的形式 密切有關(guān) 離子鍵： 強(qiáng)極性鍵 ， 離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì) 玻璃 、 陶瓷 共價(jià)鍵： 非極性 共價(jià)鍵 （ 電負(fù)性 相同 ） ， 非極性分子 非極性電介質(zhì) 聚四氟乙烯 、 氮?dú)? 極性 共價(jià)鍵 （ 電負(fù)性 不同 ） ， 極性 分子 極性電介質(zhì) 環(huán)氧樹脂 、 三氯聯(lián)苯 弱極性電介質(zhì) 聚苯乙烯 ?電介質(zhì)極化 基本 類型 電介質(zhì)的極化有 五種 基本形式 電子 位移 極化 離子 位移 極化 轉(zhuǎn)向 極化 空間 電荷極化 夾層 介質(zhì)界面 極化 （ 歸到空間電荷極化 ） 建立時(shí)間： 極短 ， 1014?1015s 。彈性 極化 、無損 。影響因素： 電 場(chǎng)強(qiáng) 度 （ 有關(guān) ） ；電源 頻 率 （ 無關(guān) ） ； 溫度 （ 無關(guān) ） ? 電子位移極化 建立時(shí)間： 極短 ， 1012~1013 s；彈 性極化 、 無損 (極微量 無損 )； 影響因素： 電場(chǎng)強(qiáng) 度 （ 有關(guān) ） ；電源 頻率 （ 無關(guān) ） ；溫度 （ 隨溫度升高而增加 ） ?離子位移極化 ?轉(zhuǎn)向極化 （偶極 弛豫極化 ） 需時(shí)較長 ， 106?102 s；非彈 性極化 、 有損； 影響 因素： 電場(chǎng)強(qiáng)度（ 有關(guān) ） ；電源頻率 （ 有關(guān) ） ；溫度 （ 溫度較高時(shí)降低 ， 低溫段隨溫度增加 ） 9 帶電 質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)；不均勻夾層 介質(zhì)中；需時(shí) 很長； 非彈 性極化 、 有損；影響因素：場(chǎng)強(qiáng) （ 有關(guān) ） 。 電源 頻率（ 低頻下存在 ） 。 溫度 （ 有關(guān) ） ；介質(zhì)的 等值電容增大 。 ?夾層介質(zhì)界面極化（空間電荷極化） 10 ?氣體分子間的距離很大 ， 密度很小 ， 氣體的極化率很小 ， 一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近 1 ?氣體的介電常數(shù) 隨溫度 的 升 高 略有減 小 ， 隨壓力 的 增 大略有 增加 ，但 變化很小 ?氣體 電介質(zhì)的介電常數(shù) ?電介質(zhì)的介電常數(shù) 11 ? 非極性和弱極性電介質(zhì) 如石油 、 苯 、 四氯化碳 、 硅油等 ， ?r 數(shù)值不大 ， 在 ? 內(nèi) ?r 和溫度的關(guān)系 相似 單位體積中的分子數(shù)與溫度的關(guān)系 （ 密度與溫度 ） ?液體 電介質(zhì)的 介 電 常 數(shù) ? 極性電介質(zhì) 如蓖麻油 、 氯化聯(lián)苯 等 ， ?r數(shù)值在 2?6范圍 內(nèi) 。 還能用作絕緣介質(zhì) 12 ?強(qiáng)極性電介質(zhì) 如 酒精 、 水 等 , ?r10， 其 電導(dǎo)也很大 ， 不能用做絕緣材料 。 用作電容器浸漬劑時(shí) ， 可使電容器的比電容 增大 ， 但通常 損耗都較大 電場(chǎng)的 頻率 對(duì) 極性液體 電介質(zhì) 介電常數(shù) ?r的 影響很大！ ?非極性和弱極性固體電介質(zhì) 如聚乙烯 、 聚丙烯 、 聚四氟乙烯 、 聚苯乙烯 、 石蠟 、 石棉 、 無機(jī)玻璃等 電介質(zhì)只有 電子 式 極化 和 離子 式 極化 ，?r 在 ? ?r與溫度的關(guān)系 相似單位 體積內(nèi)的 分子數(shù)與溫度 的關(guān)系 (密度與溫度 ) ?固體 電介質(zhì)的 介 電 常 數(shù) ? 極性固體電介質(zhì) 樹脂 、 纖維 、 橡膠 、 蟲膠 、 有機(jī)玻璃 、聚氯乙烯和滌綸等 ?r 較大 ， 一般為 3~6， ?r和 T及 f 的關(guān)系和 極性液體 的相似 ? 離子性電介質(zhì) 如陶瓷 ， 云母等 ， 相對(duì)介電常數(shù) ?r 一般在 5~8左右 ? 介電常數(shù) ?直接關(guān)系到 多層 介質(zhì)的合理 配合 ?電介質(zhì) 的 電導(dǎo) 特性 ? 電介質(zhì)中的 傳導(dǎo) 電流 ? 電介質(zhì)中的 電導(dǎo) 特性 ? 電介質(zhì) 傳導(dǎo)電流 的測(cè)量 ? 電介質(zhì)的 電導(dǎo) ? 討論 電介質(zhì)電導(dǎo) 的意義 電介質(zhì)中 的（ 傳導(dǎo)）電流 ?導(dǎo)線中的 （ 傳導(dǎo) ） 電流的組成 電介質(zhì)中的電流含 漏導(dǎo)電流 和 位移電流 兩個(gè)分量 漏導(dǎo)電流： 由介質(zhì)中 自由 的或聯(lián)系弱的 帶電質(zhì)點(diǎn) 在 電場(chǎng)作用 下 運(yùn)動(dòng) 造成的 ，又稱 泄漏電流 位移電流： 由電介質(zhì) 極化 造成的電流 ic： 快速極化造成的 充電電流 ia： 空間電荷 極化等緩慢極化形成的 ， 又稱 吸收電流 ig： 趨向穩(wěn)定值 的漏導(dǎo)電流 ， 又稱 泄漏電流 tI 0i ci 39。 ci 39。 ai gt i a介質(zhì)中 的 電流與時(shí)間 的 關(guān)系 介質(zhì) 的 體積電導(dǎo) 和 表面電導(dǎo) 氣體中無 吸收電流 ?氣體 電介質(zhì)的 電導(dǎo) 氣體 離子的濃度 約為 500~1000對(duì) /cm3 氣體 電介質(zhì) 中 的 電流密度 — 場(chǎng)強(qiáng) （ 三個(gè)區(qū)域 ） ?液體中 極化發(fā)展快 ， 吸收電流 衰減快 ?電導(dǎo)構(gòu)成： 離子電導(dǎo) 、 電泳電導(dǎo) 離子 電導(dǎo)：由液體本身的分子和 雜質(zhì) 的分子 解離為離子 電泳 電導(dǎo)：液體中的 膠體質(zhì)點(diǎn) （ 如變壓器油中 懸浮的小水滴 ） 吸附電荷 后 ， 形成 帶電質(zhì)點(diǎn) 構(gòu)成 ?液體 電介質(zhì)的 電導(dǎo) 非極性 電介質(zhì) 電導(dǎo)率： 1018/Ω?cm 弱極性 電介質(zhì) 電導(dǎo)率： 1015/Ω?cm 極性 電介質(zhì)的 電導(dǎo)率： 1010~1012/Ω?cm 如水 、 乙醇 等實(shí)際上已是 離子性 導(dǎo)電液 ，由于損耗太大 ， 不能用作絕緣材料 純凈程度 相對(duì)介電常數(shù) 電導(dǎo)率 ? (S/m) 未凈化的 ?1010 凈化 2 ? 1013 兩次凈化的 ? 1013 高度凈化 1016 變壓器油 在溫度為 80o時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率 ?極純凈液體電介質(zhì)中 ,離子 性電導(dǎo) 與電 場(chǎng)強(qiáng) 度的關(guān)系 (分成三個(gè)區(qū)域 ) ?工程用 純凈液體電介質(zhì)中 ,離子 性電導(dǎo) 與電 場(chǎng)強(qiáng) 度的關(guān)系 (分成兩個(gè)區(qū)域 ) ?離子 性 電導(dǎo) 隨 溫 度的 升 高而 增 加 TBAe ???? 中性分子電介質(zhì)的電導(dǎo) 主要是 雜質(zhì)離子 引起的 ， 高溫 時(shí) ， 中性分子可能發(fā)生 分解產(chǎn)生自由離子 ， 形成電導(dǎo) 純凈介質(zhì)的 電導(dǎo)率 可達(dá) 1017~1019 /Ω?cm ? 極性電介質(zhì) ， 因本身 能解離 ， 此外還有 雜質(zhì)離子 共同決定電導(dǎo) ， 故電導(dǎo)較大 ， 較大的可達(dá) 1015~1016 /Ω?cm ?固體 電介質(zhì)的電導(dǎo) ?離子式電介質(zhì)的電導(dǎo) 主要是由 離子脫離晶格 而移動(dòng) ， 電導(dǎo)的大小和離子本身的性質(zhì)有關(guān) ， 也與 雜質(zhì)離子 有關(guān) ?固體電介質(zhì)的 電導(dǎo)與材料的宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān) ， 如纖維性材料或多孔性材料 因易吸水 ， 一般 電阻率較小 ?固體介質(zhì)中 電流的吸收現(xiàn)象 比較明顯 ? 固體 電介質(zhì)的 電壓－電流 特性 ， 與液體 、 氣 體 不同 ， 固體 中的 電壓－電流特性 沒有飽和狀態(tài) （ 歐姆段 ， 非線性段 、 快速增加段 （ 擊穿 ） 主要 由 表面吸附 的 水分和污物引起 ， 干燥清潔 的固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)很??；介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關(guān) ， 所以介質(zhì) 表面電導(dǎo) 也是介質(zhì)本身 固有的性質(zhì) ?固體介質(zhì)的 表面電導(dǎo) ? 絕緣 預(yù)防性試驗(yàn) 的理論依據(jù) ， 預(yù)防性試驗(yàn)時(shí) ， 利用 絕緣電阻 、 泄漏電流及吸收比 判斷設(shè)備的 絕緣 狀況 ? 直流電壓 下分層絕緣時(shí) ， 各層電壓分布與 電阻成正比 ， 選擇合適的電阻率 ， 實(shí)現(xiàn)各層之間的 合理分壓 ? 注意環(huán)境 濕度 對(duì)固體 介質(zhì)表面電阻 的影響 ， 注意 親水性材料 的表面防水處理 討論電導(dǎo)的意義 ?電介質(zhì) 能量損耗及 介 質(zhì) 損 失角 正切 ? 介 質(zhì) 損 耗和介質(zhì)損失角正切 ? 工程 介質(zhì)的 介 質(zhì) 損 耗 ? 討論介 質(zhì)損 耗的意義 介質(zhì)損失角正切 ?介 質(zhì)的能量 損 耗： 電導(dǎo) 引起的 損耗 周期性極化 引起的 損耗 直流 —— 電導(dǎo)損耗 —— R、 G 交流 —— 電導(dǎo) 和 極化 損耗 —— 介 質(zhì) 損 耗 ? 介 質(zhì)損 耗 定義 介質(zhì) 在 交流 電壓 下 的 有功功率損耗 Ig： 真空極化 和 無損極化 引起的電流 ， 純電 容性的 ， Cg Ip： 有損極化 引起的電流 ， 有功 和 無功 分量 ， Rp、 Cp Ilk： 漏導(dǎo)引 起的電流 ， 純 電 阻 性 ， Rlk 電介質(zhì)的等效電路 電介質(zhì)中的電流和電壓矢量 介 質(zhì) 損 失角正切值 tg? ， 如同 ?r一樣 ， 取決于材料 的特性 ， 而與材料 尺寸無關(guān) ， 可以方便地表示 介質(zhì)的品質(zhì) RCItgI? ?工程電介質(zhì) 的 介質(zhì)損耗 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于使氣體分子電離所需的值時(shí) ， 氣體介質(zhì)中的損耗極小 （ tg? 108） ， 工程中可以略去不計(jì) 。 所以常用氣體 （ 如空氣 ， N2； C02， SF6等 ）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì) 當(dāng)外施電壓 U超過起始放電電壓 U0時(shí) ， 將發(fā)生局部放電 ， 損耗 急 劇增 加 ? 氣體電介質(zhì)中的損耗 ? 在固體介質(zhì)中含有氣泡時(shí) ， 氣泡在高電壓下會(huì)發(fā)生電離 ， 并使固體介質(zhì)逐漸劣化 ， 常用浸油 、 充膠 等措施來消除固體介質(zhì)中的氣泡 ? 對(duì)于固體 介質(zhì)與金屬電極 接觸處的 空氣隙 ，則經(jīng)常用適中的方法 ， 使氣隙內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零 如 35kV瓷套內(nèi)壁上涂半導(dǎo)體釉 ， 通過彈性銅片與導(dǎo)電桿相連 高壓電機(jī)定子線圈槽內(nèi)絕緣外包半導(dǎo)體層后 ， 再嵌入槽內(nèi)等 ?液體 電 介 質(zhì)中的 損 耗 ?中性 液體固體電介質(zhì)中的 損耗 主要由 漏導(dǎo)決定 ， 介質(zhì)損耗與 溫度 、 電 場(chǎng)強(qiáng) 度等因素的關(guān)系決定于 電導(dǎo)與 這些因素 之間 的 關(guān)系 中性液體或中性固體電介質(zhì)的 tg?與溫度的關(guān)系示意圖 中性液體或中性固體電介質(zhì)的 tg?與電場(chǎng)的關(guān)系 示意圖 ?固體 電 介 質(zhì)中的 損 耗 ? 中性電介質(zhì) ， 如石蠟 、 聚苯乙烯等 ， 其損耗主要由電導(dǎo)引起 ， 通常很小 ， 在 高頻 下也 可 使 用 ? 極性電介質(zhì) ， 纖維材料 （ 紙 、 纖維板 等 ）和 含有極性基 的有機(jī) ， 材料 （ 聚氯乙烯 、有機(jī)玻璃 、 酚醛樹脂 、 硬橡膠等 ） ， tg? 值 較大 ， 高頻 下 更為嚴(yán)重 。 與 溫度 、 頻率的關(guān)系與 極性液體相似 ? 離子式 結(jié)構(gòu)介質(zhì) ， 其 tg? 與 結(jié)構(gòu) 特性有關(guān) 討論介質(zhì)損耗 的 意義 ?設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu) 時(shí) ， 應(yīng)注意到 絕緣材料 的 tg? 值 。 若 tg? 過大會(huì)引起 嚴(yán)重發(fā)熱 ， 使材料 劣 化 ， 甚至可能導(dǎo)致 熱擊穿 ?對(duì) 沖擊 測(cè)量的 連接電纜 ， 其 tg? 必須要小 ， 否則沖擊電壓波在其中傳播時(shí)將 發(fā)生畸變 ， 影響 測(cè)量精度 ?在絕緣試驗(yàn)中 ， tg? 的測(cè)量是一項(xiàng) 基本 測(cè)試項(xiàng)目 。 當(dāng)絕緣 受潮劣化 或 含有雜質(zhì) 時(shí) ， tg? 將顯著 增加；絕緣內(nèi)部 是否存在局部放電 ， 可通過測(cè) tg? — U 的 關(guān)系曲線 加以判斷 。 （ 1） 受潮 （ 2） 穿透性 導(dǎo)電通道 （ 5） 絕緣油 臟污 、 劣化 等 （ 3） ？ 絕緣 內(nèi)含氣泡 的 電離 ， 絕緣 分層 、 脫殼 （ 4） ？ 絕緣 老化劣化 ， 繞組上 附 積 油泥 ?tg? 可以以判斷 （ 6） 如果 （ ? ！ ） 所加 試驗(yàn)電壓 足以 使 絕緣中的 氣隙 電離或產(chǎn)生 局 部 放 電等情況時(shí) ，tgδ 的值 將 隨試驗(yàn)電 壓 的 升高 而迅速 增大 ；通過測(cè) tg? — U 的 關(guān)系曲線 加以判斷 。 第 1章 氣體放電的物理過程 主要內(nèi)容 ?氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的 產(chǎn)生 和 消失 ?氣體 放電機(jī)理 ?電暈 放電 ?不均勻電場(chǎng) 中氣體擊穿的發(fā)展過程 ?雷電 放電 若干名詞術(shù)語 ? 激勵(lì) ， 電離 ， 電子 平 均 自由 行程 ， 復(fù)合 ， 電子崩 ?氣體中 帶電質(zhì)點(diǎn) 的 產(chǎn)生 和 消失 ? 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 （ 一 ） 氣體 分子本身 的電離 ， 可由下列因素引起：