第6讲 固体电介质特性(一).ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,*,高电压技术,高电压工程系,戴玲,dailing,mail.,hust,.,edu,.,cn,1.9 沿面放电,含义,：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现,象称为沿面放电。,研究意义,：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面,放电电压决定。,研究范围,：表面干燥、清洁时的沿面放电电压,表面潮湿、污秽时的沿面放电电压,2,1.9 沿面放电,沿面放电的几种典型电场分布形式,均匀电场,强垂直分量,弱垂直分量,3,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。,4,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,机理分析：,1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放,，形成的带电粒子沿介质表面移动。,在连接处涂导电粉末或者导电胶,2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动，,造成沿面电压分布不均，畸变电场。,憎水性材料,3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气,间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电,场，降低了闪络电压。,4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分,布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。,5,1.9.1 均匀电场中的沿面放电,6,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,沿套管表面的放电,电晕放电,细丝状的辉光放电,滑闪放电,7,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。,第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。,第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体,热电离,，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。,第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。,8,1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电,滑闪放电在交流和冲击下表现明显。,随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。,玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。,9,1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电,没有热电离和明显的滑闪放电；,介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；,沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大,。,实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。,10,1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电,11,三种情况比较：,均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；,具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。,12,提高沿面放电电压的方法,以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电,链形等值回路为:,略去了介质的体积电阻,13,提高沿面放电电压的方法,链性等值回路的方程：,边界条件：,14,提高沿面放电电压的方法,定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的,R,s,流过的电流大于远离法兰处的,R,s,中流过的电流。,措施：,1 减小比电容,C,0,可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数,2 减小电场较强处的表面电阻。,可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管,15,1.9.4 固体介质表面有水膜时的 沿面放电,湿闪电压,闪络途径：,1 ABBCA：,闪络电压下降到40%-50%,2 ABBA：,下降不多,3 AB,水流：湿闪电压降到很低值。,16,1.9.5 绝缘子污染状态下 的沿面放电,污闪电压,发展过程,：,积污,受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极,防止污闪,：1 改善环境，减小污染的可能性,2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积,累的可能,17,液体、固体电介质的绝缘特性,特 点,电气强度高,液体兼做灭弧；固体兼做支撑,电气强度不受外界影响,不可自恢复,会逐渐老化,18,2.1 电介质的极化、电导与损耗,极化的概念,固体介质表面出现,束缚电荷,相对介电常数,反映极化、储能特性,19,极化的基本形式,电子式极化,离子式极化,偶极子极化,夹层（界面）极化,空间电荷极化,20,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,-14,10,-15,s,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,1.,电子式极化,21,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,2.,离子式极化,22,极化机理,：偶极子定向排列,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,-10,10,-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,3.,偶极子极化,23,4.,夹层式（界面）极化,当,t=0:,当,t=:,24,一般情况下：,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,。,极化的时间常数：,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。注意安全。,4.,夹层式（界面）极化,25,极化机理：,带电质点移动,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,4.,夹层式（界面）极化,26,极化机理：,正负自由离子移动到电极附近，,形成空间电荷,介质类型：,含离子和杂质离子的介质,建立极化时间：,很长,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,5.,空间电荷极化,27,常用电介质的介电常数,28,讨论极化的意义：,选择电容器的介质时，希望,大；选择其他绝缘结构的材料，希望,小。,组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。,极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。,在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。,29,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。,电介质极化应用实例,30,解：,(1),插入前：,E,a,=V,0,/d=55/2=27.5 kV/cm,(2),插入后：,V,s,/,V,a,=,a,/,s,，得,V,a,=2.3V,s,V,0,=V,s,+,V,a,=3.3V,s,V,s,=V,0,/3.3=55/3.3=16.7(kV),E,s,=16.7 kV/cm,V,a,=V,0,-V,s,=55-16.7=38.3(kV),E,a,=38.3 kV/cm30 kV/cm,的空气击穿场强,故插入聚乙烯板后空气间隙击穿,31,2.1.2 电介质的电导,来源,：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）,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。,32,电介质的吸收现象,电介质中的电流与时间的关系,i=,i,c,+,i,a,+,i,g,i,c,:,电容电流,i,a,：,吸收电流，由各种,极化过程产生,i,g,：,电导电流，或泄漏,电流,33,电介质的绝缘电阻,定义,：,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。,34,讨论电导的意义：,1）在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏,电流判断绝缘是否受潮或者劣化。,2）直流设备中有多层介质时（如直流电缆），,其电压分布与电导成反比，设计时需考虑。,3）设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影,响。,4）对于某些能量较小的电源，如静电发生器，,要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。,5）有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压,套管附近涂上半导体釉等。,35,2.1.3 电介质的损耗,损耗,极化损耗（,DC,下无）,电导损耗（,DC、AC,都有）,36,介质损耗正切角（,tg,),：,泄漏电流，由电导引起,：,吸收电流，也叫极化电流，由极化引起,：,电容电流。,37,介质损耗正切角（,tg,）,介损：,损耗功率：,38,介质损耗正切角（,tg,),39,影响,tg,的主要因素之一：温度,tg,和温度的关系,tt,1,:,极化损耗、电导损耗都上升,t,1,tt,2,:,极化减弱，电导上升，电导占主导,当,f,增加时，极化程度降低，因此需要提高温度才能达到最大值。,40,影响,tg,的主要因素之二：频率,当频率不太高时，随,f,增加，偶极子转向加快，损耗增加,当频率大过某一值后，偶极子来不及转向，损耗减小,tg,和频率的关系,41,影响,tg,的主要因素之三：外加电压,外加电压低，,总损耗,电导损耗极化损耗,外加电压超过,U,0,时，介质内部开始出现局部放电，消耗电离能,总损耗,电导损耗极化损耗电离损耗,tg,和外加电压的关系,42,2.2 液体电介质的击穿,（一）电击穿理论,主要用于纯净液体的击穿解释,机理：对于纯净的液体，由阴极通过热发射或者强场发射出来的电子，碰撞液体分子，产生碰撞电离，并形成电子崩，电流大到一定值后，液体击穿。,液体的分子密度很高，因此电子的,很小，击穿电压就很高。,类似于汤逊放电理论,43,（二）气泡击穿理论（小桥理论）,主要用于不纯净的液体,机理：,1）液体中的气泡先发生放电，产生的带电粒子,撞击液体分子，使之分解，又产生气泡。气,泡逐渐增，形成贯通两级的“小桥”通道。,2）液体中的杂质（水、纤维）极化，并沿电场,方向排列，逐渐形成小桥。杂质的电导大，,引起泄漏电流增大，温度升高，水分气化，,形成气泡，贯通两级后，击穿。,44,影响液体电介质击穿的主要因素,自身品质,温度,电压作用时间,电场均匀度,压力,45,影响因素自身品质,总的来说，杂质多，击穿电压减低。,与水分的关系,：,与纤维的关系,：,击穿电压与含水量的关系,均匀电场,：纤维越多，,击穿电压越低,不均匀电场,：高场强处,发生的局放绕到液体,，不易形成小桥，杂,质影响小,冲击电压,：作用时间短,，也不易形成小桥。,46,影响因素温度,干燥的变压器油,：击穿电压随温度升高而降低；,受潮的变压器油：,当温度在,5,以下时，油很稠，小桥排列困难；在,060,范围内，由于油中的,悬浮状态的,水分随温度升高转变为融解状态，击穿电压升高；温度更高时，油中水分开始气化，产生气泡，易形成小桥，又使击穿电压降低。,击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、电场的均匀程度、电压形式的不同而不同。,47,影响因素电压作用时间,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,