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1、第六章液体和固体第六章液体和固体电介介质的的电气气性能性能本讲稿第一页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.1 1.1 1.1 1.1 极化极化极化极化极化概念：极化概念：极化概念：极化概念：在外施电压在外施电压在外施电压在外施电压下介质中原来彼此中和下介质中原来彼此中和下介质中原来彼此中和下介质中原来彼此中和的正负电荷产生了相对的正负电荷产生了相对的正负电荷产生了相对的正负电荷产生了相对位移，形成电矩，使介位移，形成电矩，使介位移，形成电矩，使介位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷。质表面出现了束缚电荷。质表面出现了束缚电荷。质表面出现了
2、束缚电荷。现象：电容增大现象：电容增大现象：电容增大现象：电容增大表征参数：相对介表征参数：相对介表征参数：相对介表征参数：相对介电常数电常数电常数电常数本讲稿第二页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.1 1.1 极化种类极化种类(a)(a)(a)(a)无外无外无外无外电场电场电场电场E=0E=0-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+(b)(b)(b)(b)有外电场有外电场有外电场有外电场+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E E+-电子位移极化电子位移极化电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化离子位移极化离子
3、位移极化转向极化转向极化转向极化转向极化本讲稿第三页，共十九页1 1 1 1 电子位移极化：电子位移极化：电子位移极化：电子位移极化：所有物质；所有物质；所有物质；所有物质；电子与原子核相对位移；电子与原子核相对位移；电子与原子核相对位移；电子与原子核相对位移；时间极短，时间极短，时间极短，时间极短，与频率无关；与频率无关；与频率无关；与频率无关；无能量损耗；无能量损耗；无能量损耗；无能量损耗；温度升高时略微下降；温度升高时略微下降；温度升高时略微下降；温度升高时略微下降；2 2 2 2 离子位移极化：离子位移极化：离子位移极化：离子位移极化：离子式无机物；离子式无机物；离子式无机物；离子式无
4、机物；正负离子相对位移；正负离子相对位移；正负离子相对位移；正负离子相对位移；时间极短，与时间极短，与时间极短，与时间极短，与频率无关；频率无关；频率无关；频率无关；微弱能量损耗；微弱能量损耗；微弱能量损耗；微弱能量损耗；温度升高时略微升高温度升高时略微升高温度升高时略微升高温度升高时略微升高3 3 3 3 偶极子转向极化：偶极子转向极化：偶极子转向极化：偶极子转向极化：极性共价化和物；极性共价化和物；极性共价化和物；极性共价化和物；分子转向；分子转向；分子转向；分子转向；时间较长，频率时间较长，频率时间较长，频率时间较长，频率增大时减小；增大时减小；增大时减小；增大时减小；有较大能量损耗；有
5、较大能量损耗；有较大能量损耗；有较大能量损耗；温度升高时先增大后减小温度升高时先增大后减小温度升高时先增大后减小温度升高时先增大后减小4 4 4 4 夹层极化：夹层极化：夹层极化：夹层极化：多层介质；多层介质；多层介质；多层介质；夹层界面聚集电荷；夹层界面聚集电荷；夹层界面聚集电荷；夹层界面聚集电荷；时间很长，仅在低频时间很长，仅在低频时间很长，仅在低频时间很长，仅在低频率下存在；率下存在；率下存在；率下存在；有较大能量损耗；有较大能量损耗；有较大能量损耗；有较大能量损耗；5 5 5 5 空间电荷极化：空间电荷极化：空间电荷极化：空间电荷极化：含有自由离子的介质；含有自由离子的介质；含有自由离
6、子的介质；含有自由离子的介质；离子向电极集结；离子向电极集结；离子向电极集结；离子向电极集结；时间很时间很时间很时间很长，仅在低频率下存在；长，仅在低频率下存在；长，仅在低频率下存在；长，仅在低频率下存在；有较大能量损耗；有较大能量损耗；有较大能量损耗；有较大能量损耗；第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.1 1.1 极化种类极化种类本讲稿第四页，共十九页本讲稿第五页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.1 1.1 讨论极化的意义讨论极化的意义1 1 1 1 选材：选材：选材：选材：电容器介电常数较大增大
7、电容值；电容器介电常数较大增大电容值；电容器介电常数较大增大电容值；电容器介电常数较大增大电容值；电缆介电常数较电缆介电常数较电缆介电常数较电缆介电常数较小减小电容电流；小减小电容电流；小减小电容电流；小减小电容电流；套管介电常数较小提高沿面闪络电压套管介电常数较小提高沿面闪络电压套管介电常数较小提高沿面闪络电压套管介电常数较小提高沿面闪络电压2 2 2 2 控制电场分布：控制电场分布：控制电场分布：控制电场分布：交流及冲击电压下，串连介质中的电场强度与介交流及冲击电压下，串连介质中的电场强度与介交流及冲击电压下，串连介质中的电场强度与介交流及冲击电压下，串连介质中的电场强度与介电常数成反比电
8、常数成反比电常数成反比电常数成反比3 3 3 3 控制介质发热：控制介质发热：控制介质发热：控制介质发热：转向极化等有较大能量损耗转向极化等有较大能量损耗转向极化等有较大能量损耗转向极化等有较大能量损耗介质发热介质发热介质发热介质发热老老老老化劣化和热击穿化劣化和热击穿化劣化和热击穿化劣化和热击穿4 4 4 4 绝缘检测：绝缘检测：绝缘检测：绝缘检测：夹层极化电荷积累时间很长夹层极化电荷积累时间很长夹层极化电荷积累时间很长夹层极化电荷积累时间很长时间取决于电导时间取决于电导时间取决于电导时间取决于电导介质受潮后往往电导增大介质受潮后往往电导增大介质受潮后往往电导增大介质受潮后往往电导增大时间缩
9、短时间缩短时间缩短时间缩短本讲稿第六页，共十九页第一节：液体固体电介质第一节：液体固体电介质的极化电导损耗的极化电导损耗 1.2 1.2 1.2 1.2 电介质电导电介质电导电介质电导电介质电导施加直流电压于固体介质施加直流电压于固体介质施加直流电压于固体介质施加直流电压于固体介质时的泄漏电流：时的泄漏电流：时的泄漏电流：时的泄漏电流：1 1 1 1 瞬时充电电流瞬时充电电流瞬时充电电流瞬时充电电流IcIcIcIc：冲击：冲击：冲击：冲击性质性质性质性质2 2 2 2 吸收电流吸收电流吸收电流吸收电流IaIaIaIa：渐减性：渐减性：渐减性：渐减性质：夹层极化电荷与空质：夹层极化电荷与空质：夹
10、层极化电荷与空质：夹层极化电荷与空间极化电荷的来源间极化电荷的来源间极化电荷的来源间极化电荷的来源3 3 3 3 泄漏电流泄漏电流泄漏电流泄漏电流IgIgIgIg：恒定值；：恒定值；：恒定值；：恒定值；由介质电导决定由介质电导决定由介质电导决定由介质电导决定IaIa本讲稿第七页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.2 1.2 讨论电导的意义讨论电导的意义1 1 1 1 控制电场分布：控制电场分布：控制电场分布：控制电场分布：直流电压下，串连介质直流电压下，串连介质直流电压下，串连介质直流电压下，串连介质中的电场强度与电导率成反比；中的电场强度与
11、电导率成反比；中的电场强度与电导率成反比；中的电场强度与电导率成反比；套管法兰套管法兰套管法兰套管法兰附近上半导体釉；附近上半导体釉；附近上半导体釉；附近上半导体釉；发电机线棒出槽部位上半发电机线棒出槽部位上半发电机线棒出槽部位上半发电机线棒出槽部位上半导体涂层导体涂层导体涂层导体涂层2 2 2 2 绝缘检测：绝缘检测：绝缘检测：绝缘检测：介质受潮后往往电导增大，泄介质受潮后往往电导增大，泄介质受潮后往往电导增大，泄介质受潮后往往电导增大，泄漏电流增大漏电流增大漏电流增大漏电流增大本讲稿第八页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.3 1.3 介
12、质损耗介质损耗JgJg：真空和无损极化引起的电流密度真空和无损极化引起的电流密度真空和无损极化引起的电流密度真空和无损极化引起的电流密度JlkJlk ：漏导引起的电流密度漏导引起的电流密度漏导引起的电流密度漏导引起的电流密度JpJp：有损极化引起的电流密度有损极化引起的电流密度有损极化引起的电流密度有损极化引起的电流密度本讲稿第九页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.3 1.3 介质损耗介质损耗单位体积介质中的损耗功率：单位体积介质中的损耗功率：单位体积介质中的损耗功率：单位体积介质中的损耗功率：含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：含有均匀介
13、质的平板电容器总损耗功率：含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：表征参数：表征参数：表征参数：表征参数：本讲稿第十页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.3 1.3 介质损耗与温度、频率的关系介质损耗与温度、频率的关系t t t tt t t t1 1 1 1时时时时：电电电电导导导导和和和和极极极极化化化化损损损损耗耗耗耗都都都都很很很很小小小小，随随随随着温度的升高，极化损耗显著增加着温度的升高，极化损耗显著增加着温度的升高，极化损耗显著增加着温度的升高，极化损耗显著增加t t t t1 1 1 1t t
14、t tt t t t2 2 2 2:由由由由于于于于分分分分子子子子热热热热运运运运动动动动加加加加快快快快，妨妨妨妨碍碍碍碍极极极极性性性性分分分分子子子子的的的的转转转转向向向向极极极极化化化化，极极极极化化化化损损损损耗耗耗耗的的的的减减减减小小小小比电导损耗的增加更快比电导损耗的增加更快比电导损耗的增加更快比电导损耗的增加更快t t t tt t t t2 2 2 2时：时：时：时：电导损耗占主要部分电导损耗占主要部分电导损耗占主要部分电导损耗占主要部分非非非非极极极极性性性性或或或或弱弱弱弱极极极极性性性性电电电电介介介介质质质质损损损损耗耗耗耗很很很很小小小小，损损损损耗耗耗耗主主
15、主主要要要要由电导决定由电导决定由电导决定由电导决定本讲稿第十一页，共十九页第一节：液体固体电介质的极化电导损耗第一节：液体固体电介质的极化电导损耗 1.3 1.3 讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义1 1 1 1 绝缘结构设计：介损过大绝缘结构设计：介损过大绝缘结构设计：介损过大绝缘结构设计：介损过大=发热发热发热发热=材料材料材料材料劣化与热击穿劣化与热击穿劣化与热击穿劣化与热击穿散热散热散热散热2 2 2 2 绝缘检测：绝缘检测：绝缘检测：绝缘检测：介质受潮后往往电导增大，介损介质受潮后往往电导增大，介损介质受潮后往往电导增大，介损介质受潮后往往电导增大，介损增大增大增大增大本讲稿第十
16、二页，共十九页第二节：液体电介质的击穿第二节：液体电介质的击穿 2.1 2.1 液体击穿理论液体击穿理论1 1 1 1 电击穿：电击穿：电击穿：电击穿：阴极发射电子阴极发射电子阴极发射电子阴极发射电子电子撞击液体分子发生电离电子撞击液体分子发生电离电子撞击液体分子发生电离电子撞击液体分子发生电离正离子形正离子形正离子形正离子形成空间电荷层，加强阴极表面电场成空间电荷层，加强阴极表面电场成空间电荷层，加强阴极表面电场成空间电荷层，加强阴极表面电场电流剧增，击穿电流剧增，击穿电流剧增，击穿电流剧增，击穿2 2 2 2 气泡击穿：气泡击穿：气泡击穿：气泡击穿：产生气体（产生气体（产生气体（产生气体（
17、1 1 1 1）电子撞击液体分子发生分解，）电子撞击液体分子发生分解，）电子撞击液体分子发生分解，）电子撞击液体分子发生分解，2 2 2 2）阴极）阴极）阴极）阴极发射电子电流加热分解液体，发射电子电流加热分解液体，发射电子电流加热分解液体，发射电子电流加热分解液体，3 3 3 3）尖电极电晕液体汽化，）尖电极电晕液体汽化，）尖电极电晕液体汽化，）尖电极电晕液体汽化，4 4 4 4）原有气泡）原有气泡）原有气泡）原有气泡带电后体积变大）带电后体积变大）带电后体积变大）带电后体积变大）气泡电离气泡电离气泡电离气泡电离气泡温度升高，电离发展气泡温度升高，电离发展气泡温度升高，电离发展气泡温度升高，
18、电离发展产产产产生更多气体生更多气体生更多气体生更多气体气泡堆积形成气体气泡堆积形成气体气泡堆积形成气体气泡堆积形成气体“小桥小桥小桥小桥”沿沿沿沿“小桥小桥小桥小桥”击穿击穿击穿击穿3 3 3 3 工程液体的工程液体的工程液体的工程液体的“小桥小桥小桥小桥”击穿：击穿：击穿：击穿：杂质（多数介电常数较大）极化，并杂质（多数介电常数较大）极化，并杂质（多数介电常数较大）极化，并杂质（多数介电常数较大）极化，并沿电场方向排列沿电场方向排列沿电场方向排列沿电场方向排列沿杂质通道泄漏电流增大，使水分汽化、液体沿杂质通道泄漏电流增大，使水分汽化、液体沿杂质通道泄漏电流增大，使水分汽化、液体沿杂质通道泄
19、漏电流增大，使水分汽化、液体分解分解分解分解气泡电离、膨胀，形成气泡电离、膨胀，形成气泡电离、膨胀，形成气泡电离、膨胀，形成“小桥小桥小桥小桥”沿沿沿沿“小桥小桥小桥小桥”击穿击穿击穿击穿本讲稿第十三页，共十九页第二节：液体电介质的击穿第二节：液体电介质的击穿 2.2 2.2 2.2 2.2 影响液体击穿电压的因素影响液体击穿电压的因素影响液体击穿电压的因素影响液体击穿电压的因素1 1 1 1 杂质：杂质：杂质：杂质：处于悬浮状态的气体、水分和固体处于悬浮状态的气体、水分和固体处于悬浮状态的气体、水分和固体处于悬浮状态的气体、水分和固体颗粒；电场越均匀影响越大，击穿电压颗粒；电场越均匀影响越大
20、，击穿电压颗粒；电场越均匀影响越大，击穿电压颗粒；电场越均匀影响越大，击穿电压分散性也越大；不均匀电场中局部放电分散性也越大；不均匀电场中局部放电分散性也越大；不均匀电场中局部放电分散性也越大；不均匀电场中局部放电扰动液体，不易形成扰动液体，不易形成扰动液体，不易形成扰动液体，不易形成“小桥小桥小桥小桥”；对冲击；对冲击；对冲击；对冲击击穿电压影响不大。击穿电压影响不大。击穿电压影响不大。击穿电压影响不大。2 2 2 2 温度：温度：温度：温度：冰溶解汽化冰溶解汽化冰溶解汽化冰溶解汽化击穿电压击穿电压击穿电压击穿电压“N N N N”形形形形变化变化变化变化3 3 3 3 电压作用时间：电压作
21、用时间：电压作用时间：电压作用时间：杂质与小桥的形成时间杂质与小桥的形成时间杂质与小桥的形成时间杂质与小桥的形成时间 电场均匀程度电场均匀程度电场均匀程度电场均匀程度 压力压力压力压力本讲稿第十四页，共十九页第三节：固体电介质的击穿第三节：固体电介质的击穿 3.1 3.1 3.1 3.1 固体击穿理论固体击穿理论固体击穿理论固体击穿理论1 1 1 1 电击穿：电击穿：电击穿：电击穿：少量传导电子少量传导电子少量传导电子少量传导电子电子撞击原子发生电离电子撞击原子发生电离电子撞击原子发生电离电子撞击原子发生电离当电当电当电当电子崩发展到一定程度时子崩发展到一定程度时子崩发展到一定程度时子崩发展到
22、一定程度时击穿。击穿。击穿。击穿。特点：时间短，电压高，温度特点：时间短，电压高，温度特点：时间短，电压高，温度特点：时间短，电压高，温度低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环境无关。低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环境无关。低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环境无关。低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环境无关。2 2 2 2 热击穿：热击穿：热击穿：热击穿：介损发热介损发热介损发热介损发热温度升高温度升高温度升高温度升高电导增大电导增大电导增大电导增大发热增发热增发热增发热增大大大大介质分解炭化。介质分解炭化。介质分解炭化。介质分解炭化。特点：与各种使热量聚集的因素有特点：与
23、各种使热量聚集的因素有特点：与各种使热量聚集的因素有特点：与各种使热量聚集的因素有关关关关3 3 3 3 电化学击穿：电化学击穿：电化学击穿：电化学击穿：局部放电引起劣化击穿。局部放电引起劣化击穿。局部放电引起劣化击穿。局部放电引起劣化击穿。（很多有机材料虽（很多有机材料虽（很多有机材料虽（很多有机材料虽然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差。）然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差。）然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差。）然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差。）本讲稿第十五页，共十九页第三节：固体电介质的击穿第三节：固体电介质的击穿 3.1 3.1 3.1 3.1 固体击穿理论
24、固体击穿理论固体击穿理论固体击穿理论概念：概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化劣化，最终导致击穿，这过程称电老化电老化的类型：电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生电离性老化：电离性老化：在介质夹层或介质内部如果存在气隙或气泡，在交变场下气隙在介质夹层或介质内部如果存在气隙或气泡，在交变场下气隙或气泡的场强会比邻近固体介质
25、内的场强大得多，而气体的起始电离场强又或气泡的场强会比邻近固体介质内的场强大得多，而气体的起始电离场强又比固体介质低得多，所以在该气隙或气泡内很容易发生电离。气隙或气泡的比固体介质低得多，所以在该气隙或气泡内很容易发生电离。气隙或气泡的电离，通过上述综合效应，会造成邻近绝缘物的分解、破坏电离，通过上述综合效应，会造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、表现为变酥、炭化等形式炭化等形式)，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作呈树枝状发展，称作“电树枝电树枝”电导性老化：电导性老化：如果在两电极之间的绝缘层中存
26、在液态导电物质如果在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质(例如例如水水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝水树枝”本讲稿第十六页，共十九页第三节：固体电介质的击穿第三节：固体电介质的击穿 3.2 3.2 局部放电水树枝局部放电水树枝本讲稿第十七页，共十九页第三节：固体电介质的击穿第三节：固体电介质的击穿 3.3 3.3 3.3 3.3 影响固体击穿电压的因素影响固体击穿电压的因素影响固体击穿电压的因素影响固体击穿电压的因素1 1 1 1 电压作
27、用时间：电压作用时间：电压作用时间：电压作用时间：很短时间电击穿；很短时间电击穿；很短时间电击穿；很短时间电击穿；较长热击穿、电热联较长热击穿、电热联较长热击穿、电热联较长热击穿、电热联合；合；合；合；很长时间电化学击穿很长时间电化学击穿很长时间电化学击穿很长时间电化学击穿2 2 2 2 温度：温度：温度：温度：环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低3 3 3 3 电场均匀程度：电场均匀程度：电场均匀程度：电场均匀程度：均匀电场中击穿电压与厚度成正比；均匀电场中击穿电压与厚度成正比
28、；均匀电场中击穿电压与厚度成正比；均匀电场中击穿电压与厚度成正比；不均匀不均匀不均匀不均匀电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。4 4 4 4 电压种类：电压种类：电压种类：电压种类：冲击击穿电压长大于工频击穿电压冲击击穿电压长大于工频击穿电压冲击击穿电压长大于工频击穿电压冲击击穿电压长大于工频击穿电压5 5 5 5 积累效应：积累效应：积累效应：积累效应：局部损伤积累注意冲击或工频试验次数局部损伤积累注意冲击或工频试验次数局部损伤积累注意冲击或工频试验次数
29、局部损伤积累注意冲击或工频试验次数6 6 6 6 受潮：受潮：受潮：受潮：易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至1 1 1 17 7 7 7 机械负荷：机械负荷：机械负荷：机械负荷：出现微观裂缝后击穿电压显著下降出现微观裂缝后击穿电压显著下降出现微观裂缝后击穿电压显著下降出现微观裂缝后击穿电压显著下降（零值绝缘子）（零值绝缘子）（零值绝缘子）（零值绝缘子）本讲稿第十八页，共十九页第四节：电介质其他性能第四节：电介质其他性能1 1 1 1 热性能：热性能：热性能：热性能：短时耐热；长时耐热；短时耐热
30、；长时耐热；短时耐热；长时耐热；短时耐热；长时耐热；耐热等级（耐热等级（耐热等级（耐热等级（A-105A-105A-105A-105度，度，度，度，B B B B130130130130度）；度）；度）；度）；耐寒等级（耐寒等级（耐寒等级（耐寒等级（10101010变压器油变压器油变压器油变压器油10101010度凝固）度凝固）度凝固）度凝固）。2 2 2 2 机械性能：机械性能：机械性能：机械性能：脆性、塑性、弹性脆性、塑性、弹性脆性、塑性、弹性脆性、塑性、弹性3 3 3 3 吸湿性能：吸湿性能：吸湿性能：吸湿性能：4 4 4 4 化学稳定性和抗生物特性化学稳定性和抗生物特性化学稳定性和抗生物特性化学稳定性和抗生物特性本讲稿第十九页，共十九页