固體電介質(zhì)特性一

11.9沿面放電含義：沿空氣與固體介質(zhì)表面發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象稱為沿面放電。研究意義：一個(gè)絕緣裝置的實(shí)際耐壓水平由沿面放電電壓決定。研究范圍：表面干燥、清潔時(shí)的沿面放電電壓表面潮濕、污穢時(shí)的沿面放電電壓第1頁(yè)/共61頁(yè)21.9沿面放電沿面放電的幾種典型電場(chǎng)分布形式

均勻電場(chǎng)強(qiáng)垂直分量弱垂直分量第2頁(yè)/共61頁(yè)31.9.1均勻電場(chǎng)中的沿面放電在平行平板中放置瓷柱，雖然瓷柱不影響電場(chǎng)分布，但放電總發(fā)生在瓷柱表面，且擊穿電壓比純空氣的低很多。第3頁(yè)/共61頁(yè)41.9.1均勻電場(chǎng)中的沿面放電機(jī)理分析：1）固體介質(zhì)與電極接觸不良，空氣間隙發(fā)生局放，形成的帶電粒子沿介質(zhì)表面移動(dòng)。

在連接處涂導(dǎo)電粉末或者導(dǎo)電膠2）潮氣形成水膜，其中的離子在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，造成沿面電壓分布不均，畸變電場(chǎng)。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹處，發(fā)生電場(chǎng)畸變，產(chǎn)生空氣間隙擊穿。帶電粒子分布在固體表面，畸變?cè)须妶?chǎng)，降低了閃絡(luò)電壓。4）固體表面電阻不均，造成泄漏電流的壓降分布不均，使電場(chǎng)畸變，降低沿面閃絡(luò)電壓。第4頁(yè)/共61頁(yè)51.9.1均勻電場(chǎng)中的沿面放電第5頁(yè)/共61頁(yè)61.9.2極不均勻場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細(xì)絲狀的輝光放電滑閃放電第6頁(yè)/共61頁(yè)71.9.2極不均勻場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量

的沿面放電第一階段：由于接地法蘭附近電力線密集，首先出現(xiàn)電暈。第二階段：隨著電壓升高，出現(xiàn)平行的許多火花細(xì)線，具有輝光放電的特征。第三階段：電壓繼續(xù)升高，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)造成介質(zhì)表面局部發(fā)熱，引起氣體熱電離，出現(xiàn)樹枝狀火花，位置不固定，稱為滑閃放電。第四階段，電壓再升高，滑閃貫通兩級(jí)，形成沿面閃絡(luò)。第7頁(yè)/共61頁(yè)81.9.2極不均勻場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量

的沿面放電滑閃放電在交流和沖擊下表現(xiàn)明顯。隨電壓增加，滑閃長(zhǎng)度增長(zhǎng)變快，因此單靠加長(zhǎng)距離提高閃絡(luò)電壓效果不明顯。玻璃管壁變薄，滑閃電壓降低。第8頁(yè)/共61頁(yè)91.9.3極不均勻場(chǎng)具有弱垂直分量

的沿面放電沒(méi)有熱電離和明顯的滑閃放電；介質(zhì)表面電荷聚集對(duì)電場(chǎng)畸變影響不大；沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓差別不大。實(shí)驗(yàn)表明：這種絕緣子的干式閃絡(luò)電壓基本上隨極間距離的增加而增加。第9頁(yè)/共61頁(yè)101.9.3極不均勻場(chǎng)具有弱垂直分量

的沿面放電第10頁(yè)/共61頁(yè)11三種情況比較：均勻場(chǎng)中的沿面閃絡(luò)電壓最高，有垂直分量的沿面放電電壓低得多；具有強(qiáng)垂直分量的沿面放電電壓很低，因?yàn)槌霈F(xiàn)了熱電離和滑閃放電。第11頁(yè)/共61頁(yè)12提高沿面放電電壓的方法以套管型結(jié)構(gòu)為例，也即強(qiáng)垂直分量下的沿面放電鏈形等值回路為:略去了介質(zhì)的體積電阻第12頁(yè)/共61頁(yè)13提高沿面放電電壓的方法鏈性等值回路的方程：邊界條件：第13頁(yè)/共61頁(yè)14提高沿面放電電壓的方法定性來(lái)看，電壓分布的不均勻性在于靠近法蘭處的Rs流過(guò)的電流大于遠(yuǎn)離法蘭處的Rs中流過(guò)的電流。措施：1減小比電容C0可加大瓷套外徑、壁厚，或減小介電常數(shù)2減小電場(chǎng)較強(qiáng)處的表面電阻?？赏堪雽?dǎo)體釉、半導(dǎo)體漆等，采用電容式套管、充油式套管第14頁(yè)/共61頁(yè)151.9.4固體介質(zhì)表面有水膜時(shí)的

沿面放電濕閃電壓閃絡(luò)途徑：1AB－BCA’：閃絡(luò)電壓下降到40%-50%2AB－BA’：下降不多3AB－水流：濕閃電壓降到很低值。第15頁(yè)/共61頁(yè)161.9.5絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電污閃電壓發(fā)展過(guò)程：積污受潮電導(dǎo)增加，電流增大烘干，形成干區(qū)干區(qū)電阻大，壓降大，電場(chǎng)強(qiáng)，開始放電輝光（電暈）轉(zhuǎn)為電弧局部電弧烘干周圍，干區(qū)擴(kuò)大，電弧伸長(zhǎng)爬電到一定程度，自動(dòng)延伸，貫穿兩極防止污閃：1改善環(huán)境，減小污染的可能性2改進(jìn)絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低污穢積累的可能第16頁(yè)/共61頁(yè)17液體、固體電介質(zhì)的

絕緣特性特點(diǎn)電氣強(qiáng)度高液體兼做滅??；固體兼做支撐電氣強(qiáng)度不受外界影響不可自恢復(fù)會(huì)逐漸老化第17頁(yè)/共61頁(yè)182.1電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗極化的概念固體介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷相對(duì)介電常數(shù)反映極化、儲(chǔ)能特性第18頁(yè)/共61頁(yè)19極化的基本形式電子式極化離子式極化偶極子極化夾層（界面）極化空間電荷極化第19頁(yè)/共61頁(yè)20極化機(jī)理：電子偏離軌道介質(zhì)類型：所有介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-14

10-15s極化程度影響因素： 電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)） 電源頻率（無(wú)關(guān)） 溫度（無(wú)關(guān)）極化彈性：彈性消耗能量：無(wú) 1.電子式極化第20頁(yè)/共61頁(yè)21極化機(jī)理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類型：離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-12~10-13s極化程度影響因素： 電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)） 電源頻率（無(wú)關(guān)） 溫度（隨溫度升高而增加，離子結(jié)合力）極化彈性：彈性消耗能量：無(wú)2.離子式極化第21頁(yè)/共61頁(yè)22極化機(jī)理：偶極子定向排列介質(zhì)類型：具有永久性偶極子的極性介質(zhì)建立極化時(shí)間：需時(shí)較長(zhǎng)，10-10

10-2s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)，頻率升高，極化減弱）溫度（低溫段增加，高溫段降低（熱運(yùn)動(dòng)））極化彈性：非彈性消耗能量：有3.偶極子極化第22頁(yè)/共61頁(yè)234.夾層式（界面）極化當(dāng)t=0:

當(dāng)t=∞:第23頁(yè)/共61頁(yè)24

一般情況下：電荷從t=0到t=∞時(shí)會(huì)重新分配，在介質(zhì)的交界面處積累電荷。這些電荷形成的極化形式稱夾層式（界面）極化。極化的時(shí)間常數(shù)：

高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)G通常都很小，因此夾層極化只有在低頻時(shí)才有意義。同樣，去掉外加電壓后，釋放極化電荷的時(shí)間也很長(zhǎng)。注意安全。4.夾層式（界面）極化第24頁(yè)/共61頁(yè)25極化機(jī)理：帶電質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)介質(zhì)類型：不均勻夾層介質(zhì)中建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)，從數(shù)s到數(shù)h極化程度影響因素：

電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有

4.夾層式（界面）極化第25頁(yè)/共61頁(yè)26極化機(jī)理：正負(fù)自由離子移動(dòng)到電極附近，形成空間電荷介質(zhì)類型：含離子和雜質(zhì)離子的介質(zhì)建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)極化程度影響因素：

電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有

5.空間電荷極化第26頁(yè)/共61頁(yè)27常用電介質(zhì)的介電常數(shù)第27頁(yè)/共61頁(yè)28討論極化的意義：選擇電容器的介質(zhì)時(shí)，希望

大；選擇其他絕緣結(jié)構(gòu)的材料，希望小。組合絕緣的配合。如油紙絕緣、氣泡局放。極化形式關(guān)系到介損，即材料的發(fā)熱、劣化。在絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)中，夾層極化可用來(lái)判斷絕緣受潮情況。第28頁(yè)/共61頁(yè)29平行平板電極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時(shí)未發(fā)生間隙擊穿，當(dāng)板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板(

r=2.3)時(shí)，問(wèn)此時(shí)是否會(huì)發(fā)生間隙擊穿現(xiàn)象？為什么？并請(qǐng)計(jì)算插入聚乙烯板前后的各介質(zhì)中的電場(chǎng)分布。電介質(zhì)極化應(yīng)用實(shí)例第29頁(yè)/共61頁(yè)30

解：

(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入后：Vs/Va=

a/

s，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV) Es=16.7kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV) Ea=38.3kV/cm>30kV/cm的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng) 故插入聚乙烯板后空氣間隙擊穿第30頁(yè)/共61頁(yè)312.1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)來(lái)源：電介質(zhì)不是理想的絕緣體，其內(nèi)部會(huì)存在帶電粒子。它們?cè)陔妶?chǎng)下的定向移動(dòng)，形成電流。電子電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)離子電導(dǎo)（主要）與導(dǎo)體的電導(dǎo)相比，電介質(zhì)電導(dǎo)的特點(diǎn)：1）主要載流子是離子2）電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)上升。第31頁(yè)/共61頁(yè)32電介質(zhì)的吸收現(xiàn)象電介質(zhì)中的電流與時(shí)間的關(guān)系i=ic+ia+igic:電容電流ia：吸收電流，由各種極化過(guò)程產(chǎn)生ig：電導(dǎo)電流，或泄漏電流第32頁(yè)/共61頁(yè)33電介質(zhì)的絕緣電阻定義：電介質(zhì)中的絕緣電阻一般為M

特點(diǎn)：1）負(fù)溫度系數(shù)2）隨外施電壓上升而下降。3）隨加壓時(shí)間延長(zhǎng)而增大。第33頁(yè)/共61頁(yè)34討論電導(dǎo)的意義：1）在絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)中，由絕緣電阻或者泄漏電流判斷絕緣是否受潮或者劣化。2）直流設(shè)備中有多層介質(zhì)時(shí)（如直流電纜），其電壓分布與電導(dǎo)成反比，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮。3）設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮到環(huán)境對(duì)電導(dǎo)的影響。4）對(duì)于某些能量較小的電源，如靜電發(fā)生器，要減小表面的泄漏電流以保證得到高電壓。5）有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。如高壓套管附近涂上半導(dǎo)體釉等。第34頁(yè)/共61頁(yè)352.1.3電介質(zhì)的損耗損耗極化損耗（DC下無(wú)）電導(dǎo)損耗（DC、AC都有）第35頁(yè)/共61頁(yè)36介質(zhì)損耗正切角（tg)：泄漏電流，由電導(dǎo)引起：吸收電流，也叫極化電流，由極化引起：電容電流。第36頁(yè)/共61頁(yè)37介質(zhì)損耗正切角（tg）介損：損耗功率：第37頁(yè)/共61頁(yè)38介質(zhì)損耗正切角（tg)第38頁(yè)/共61頁(yè)39影響tg

的主要因素之一：溫度tg

和溫度的關(guān)系t<t1:極化損耗、電導(dǎo)損耗都上升t1<t<t2:極化減弱，電導(dǎo)上升，極化占主導(dǎo)t>t2:極化減弱，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)占主導(dǎo)當(dāng)f增加時(shí)，極化程度降低，因此需要提高溫度才能達(dá)到最大值。第39頁(yè)/共61頁(yè)40影響tg

的主要因素之二：頻率當(dāng)頻率不太高時(shí)，隨f增加，偶極子轉(zhuǎn)向加快，損耗增加當(dāng)頻率大過(guò)某一值后，偶極子來(lái)不及轉(zhuǎn)向，損耗減小tg

和頻率的關(guān)系第40頁(yè)/共61頁(yè)41影響tg

的主要因素之三：外加電壓外加電壓低，

總損耗＝電導(dǎo)損耗＋極化損耗外加電壓超過(guò)U0時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部開始出現(xiàn)局部放電，消耗電離能

總損耗＝電導(dǎo)損耗＋極化損耗＋電離損耗tg

和外加電壓的關(guān)系第41頁(yè)/共61頁(yè)422.2液體電介質(zhì)的擊穿（一）電擊穿理論主要用于純凈液體的擊穿解釋機(jī)理：對(duì)于純凈的液體，由陰極通過(guò)熱發(fā)射或者強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射出來(lái)的電子，碰撞液體分子，產(chǎn)生碰撞電離，并形成電子崩，電流大到一定值后，液體擊穿。液體的分子密度很高，因此電子的

很小，擊穿電壓就很高。類似于湯遜放電理論第42頁(yè)/共61頁(yè)43（二）氣泡擊穿理論（小橋理論）主要用于不純凈的液體機(jī)理：1）液體中的氣泡先發(fā)生放電，產(chǎn)生的帶電粒子撞擊液體分子，使之分解，又產(chǎn)生氣泡。氣泡逐漸增，形成貫通兩級(jí)的“小橋”通道。2）液體中的雜質(zhì)（水、纖維）極化，并沿電場(chǎng)方向排列，逐漸形成小橋。雜質(zhì)的電導(dǎo)大，引起泄漏電流增大，溫度升高，水分氣化，形成氣泡，貫通兩級(jí)后，擊穿。第43頁(yè)/共61頁(yè)44影響液體電介質(zhì)擊穿的主要因素自身品質(zhì)溫度電壓作用時(shí)間電場(chǎng)均勻度壓力第44頁(yè)/共61頁(yè)45影響因素－自身品質(zhì)總的來(lái)說(shuō)，雜質(zhì)多，擊穿電壓減低。與水分的關(guān)系：與纖維的關(guān)系：

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