文档介绍：第二章固体、液体电介质的绝缘特性
在高压电气设备中,除了某些地方采用气体作为绝缘介质(例如SF6),液体和固体电介质作为内绝缘被广泛采用。
液体和固体电介质构成的内绝缘的电气性能具有如下特点:
(1)电介质的电气强度一般不受外界大气条件变化的影响;
(2)固体电介质构成的绝缘属非自恢复性绝缘,一旦发生击穿就造成不可逆转的破坏;
(3)液体和固体电介质在运行中会逐渐老化,各种参数会发生变化,使绝缘强度下降、寿命缩短。
本章将讨论液体和固体电介质在电场强度较高时的击穿特性,和在电场强度相对不是很高时电介质中所发生的极化、电导和损耗物理过程,以及液体、固体电介质的老化问题。
第一节电介质的极化、电导和损耗
一、电介质的极化
极化是电介质(气体、液体、固体绝缘介质)在电场作用(加上电压后)下发生物理过程的一种。虽此物理过程在介质内部进行,但我们可以通过此物理过程的外观表现来证实极化过程的存在。
如图2-1所示的两个平行平板电容器,结构尺寸完全相同,一个电容器放在密闭容器内将极间抽成真空,如图2-1(a),而另一个电容器则把一块固体电介质(厚度与极间距离相等)放在极板之间,如图2-1(b)。
在两电容器极板上施加相同的直流电压U,这时真空电容器极板上积聚有正、负电荷,其电荷量为Q0 。而固体电介质电容器施加同样的电压,就会发现极板上的电荷量增加到Q0+ Q' 。这是由介质极化现象所造成的
图2-1 电介质极化示意图
平行平板电容器在真空中的电容量为:
式中 A——极板面积,cm2;
d——极间距离,cm;
——真空的介电常数,
法/厘米
极板间插入固体电介质后,电容量增为
式中
——介质的介电常数。
固体电介质电容器的电容量与真空时的电容量之比为:
εr称为电介质的相对介电常数,它是表示电介质在电场作用下极化程度的物理量。其物理意义表示极板间放入电介质后电容量(或电荷量)比极板间为真空时增大的倍数。
气体介质由于其密度很小,单位体积内所含分子的数量很少,所以对于气体无论它属非极性介质还是极性介质,介电常数都很小,在工程应用中可取εr≈1。
液体介质有非极性、极性和强极性之分,~,例如变压器油等;极性液体介质的εr在3~6之间,例如蓖麻油、***化联苯等;强极性液体介质的εr>10,
固体介质分为非极性或弱极性介质、极性介质和离子性介质,其εr在2~10之间。非极性或弱极性介质如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四***乙烯等;极性介质如酚醛树脂、聚***乙稀等;离子性介质如云母、陶瓷等。
根据电介质的物质结构,极化的基本形式有电子式极化、离子式极化、偶极子式极化、夹层式极化、空间电荷极化等。
(1)电子式极化
在外电场的作用下,物质原子中电子的运动轨道相对于原子核产生了位移,使原子中正、负电荷的作用中心不再重合,这种由电子位移所形成的极化叫做电子式极化。极化强度与正、负电荷作用中心的距离d成正比,且随外电场的增强而增大。电子式极化存在于一切气体、液体和固体介质中。
电子式极化的特点:
①因电子质量极小,所以极化形成所需的时间极短,约为9-15s 。极化在各种频率的外电场作用下均能产生,εr不随外加电压频率的变化而变化。
②极化具有弹性,当外电场去掉后,由于正、负电荷的相互吸引力,作用中心立即重合使整个介质呈现非极性,所以极化过程没有能量损耗。
③温度对极化影响不大,温度升高时介质略有膨胀,单位体积内的分子数减少,引起εr略为下降。所以εr具有不大的负温度系数。
(2)离子式极化
离子式极化的特点:
①极化过程所需时间也很短,约为9-13s ,所以εr也不随外加电压频率的变化而变化。
②极化也属弹性极化,所以极化过程几乎没有能量损耗。
③温度对极化有影响,温度升高时离子间结合力减弱,使极化程度增强,但同时离子的密度减小,使极化程度降低。通常前者影响较大,所以εr一般具有正温度系数。
(3)偶极子式极化
偶极子式极化的特点:
①极化过程所需时间较长,约为9-10~9-2s ,极化与频率有关, εr随外加电压频率的增加而减小,因为频率很高时偶极子转向跟不上电场方向的改变,因而极化减弱。
②极化是非弹性极化,极化过程有能量损耗。因为偶极子在转向时要克服分子间的吸引力和摩擦力,消耗能量。
③温度对极化有很大影响。εr先随温度升高而增大,当温度达到一定值后,εr又随温度升高而减小。温度较低时,分子间联系紧密,偶极子转向困难,极化很弱;温度升高,使极化增强;温度再升高时,分子热运动加剧,妨碍偶极子沿电场方向取向,又使极化减弱。
如图2-5所示。夹层式极化
夹层式极化的特点:
①极化过程极其