绝缘电气特性课件

2024/7/171电气安全技术发电1131、供电1131、电气1131班2012年7月教材：电力安全技术，杨文学、任红等编，中国电力出版社出版2024/7/172第一章 电气设备绝缘的电气特性一、认识电力安全生产的重要性（一）重要性认识1.电力安全生产影响各行各业和社会稳定。2.电力安全生产影响电力企业本身。3.电力生产的特点需要安全生产。4.电力生产环境潜在危险因素多。2024/7/173（二）我国电气安全现状1、电力安全生产任重而道远A安全用电水平高的国家20亿KWH触电死亡一人。A我国每耗电1亿KWH触电死亡一人，是发达国家的2030倍。2、用电安全水平近年来有较大提高A重视程度、管理水平、设备质量以及双重绝缘、电气隔离、漏电保护等防触电新技术的应用，取得明显效果。第一章 电气设备绝缘的电气特性2024/7/174（三）电力生产安全目标我国电力系统安全生产总体目标是防止A两大类事故；对社会造成重大影响和对资产造成重大损失的事故。第一章 电气设备绝缘的电气特性2024/7/175二、电气设备绝缘状况1.电介质定义：把导电能力很差的物质叫做绝缘材料，也称电介质。2.电介质分类：气体、液体和固体绝缘材料。3.绝缘缺陷的产生原因：制造、运输、运行、试验等4.绝缘缺陷的分类：集中性(或局部性)缺陷 和分布性(或整体性)缺陷2024/7/1765.绝缘预防性试验作用及分类A绝缘出现缺陷后，其各种特性就会发生变化，绝缘预防性试验就是通过各种方法测量表征绝缘性能的各种参数的变化或趋势，来判断绝缘的状况，从而及时发现隐患，加以消除，避免事故。A一般分为非破坏性试验和破坏性试验（耐压试验）两类。6.两类试验方法有各自的特点，不能互相替代二、电气设备绝缘状况2024/7/177三、电介质的极化1.极化的定义：在电场作用下，电介质中的正负电荷质点在电场方向上产生有限位移的现象。介质极化后对外呈现极性。2.介电常数：其值由电介质材料性质决定，它描述了介质的极化现象。2024/7/1783.极化形式电子式极化A特点：形成极化的时间极短；电子式极化具有弹性，没有能量损耗；温度对电子式极化的影响极小。具有很小的负温度系数。三、电介质的极化2024/7/179离子式极化A特点：特点：极化的过程很短；极化的过程很短；它也具有弹性，几乎没有能量损耗；它也具有弹性，几乎没有能量损耗；具有正的温度系数。具有正的温度系数。三、电介质的极化2024/7/1710偶极子式极化A特点：A是极化属于非弹性极化；A极化过程中需要消耗能量，极化所需的时间也较长；A极性介质的极化受频率和温度的影响。三、电介质的极化2024/7/1711夹层极化A合闸以后，要有一电压重新分配过程，亦即C1、C2上电荷重新分配，在此过程中，分界面上将集聚起多余的电荷，从而显出极性来。A特点：存在吸收现象；极化时间长；有能耗、具负温度系数。三、电介质的极化2024/7/1712四、电介质的电导（一）电导的定义及特点1.定义：在电场作用下，电介质中带电粒子电场方向作有规则的运动，形成电流，这种物理现象称为电介质的电导。电导决定介质的导电性能；其倒数即是绝缘电阻，表征介质的绝缘性能。2.带电粒子的构成：介质本身离解出的带电离子；杂质离解的带电离子。3.特点：电介质的电导是离子电导，随温度升高按指数规律上升，电阻具有负的温度系数；金属的电导是自由电子电导，电阻具有正的温度系数。2024/7/1713iii2i1It图16 直流电压下流过介质中的电流i1：其他电容 快极化(电子式和离子式)i2：慢极化：由夹层极化和偶极子极化等有损极化过程所引起的电流，称为吸收电流 I：电导电流又称泄漏电流：介质中少量弱带电离子在电场作用下定向运动产生。与这个稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的绝缘电阻（二）直流电压下通过电介质的电流影响绝缘电阻的因素：杂质 温度 电场强度四、电介质的电导2024/7/1714五、介质的损耗（一）介质损耗的基本概念A电介质单位时间内消耗的能量称为电介质电介质单位时间内消耗的能量称为电介质功率损耗，简称介质损耗。功率损耗，简称介质损耗。A电介质在电压作用下有能量损耗：极化现电介质在电压作用下有能量损耗：极化现象引起的极化损耗和电导引起的电导损耗。象引起的极化损耗和电导引起的电导损耗。在交流电压下二者皆存在；在直流电压下在交流电压下二者皆存在；在直流电压下只有电导损耗。只有电导损耗。2024/7/1715如图所示，电介质功率损耗为五、介质的损耗2024/7/1716五、介质的损耗 介质功率损耗P与试验电压、频率、被试品材料尺寸等有关，表示介质损耗不太方便。而只与介质本身的特性有关，便于比较不同介质的损耗特性，所以就用tg来表示电介质损耗的大小，tg称为介质损耗角正切，称为介质损耗角。则2024/7/1717五、介质的损耗（二）各种介质的介质损耗及其影响因素1.气体介质 气体介质除电导、极化损耗外，还有游离产生的损耗（电导损耗）AUU0，仅电导、极化损耗，基本与U无关；AUU0，局放、电晕损耗大增。2024/7/17182.液体介质A中性或弱极性液体介质主要是电导损耗，损耗较小，与温度的关系也和电导相似。A极性液体具有电导、极化损耗，与温度和频率有关，如图所示。五、介质的损耗2024/7/17193.固体介质 通常将固体介质分为分子式结构、离子式结构、不均匀结构和强极性介质四类。A分子式结构：有中性和极性两种。中性的如聚乙烯等主要是电导损耗，电导极小，损耗也很小，高频下可使用；极性的如纸、聚氯乙烯、有机玻璃等介质的与温度、频率的关系同极性液体相似，较大，高频下更严重。五、介质的损耗2024/7/1720五、介质的损耗A离子式结构：其与结构特性有关。结构紧密的离子晶体且不含使晶格畸变的杂质时，主要是电导损耗，极小，如云母，它是优良的绝缘材料，高频下也可使用。结构不紧密的离子结构中，有离子松弛式极化现象，较大，如玻璃、陶瓷等，且随成分和结构的不同，也相差很大。A不均匀结构：在工程上较常见，如广泛使用的油浸纸等，其损耗与组成成分的性能和数量有关。A在高压电气设备中不采用强极性介质。2024/7/1721六、电介质的击穿（一）击穿的概念C在强电场作用下，当电场强度超过某一临界值时，电介质就丧失其绝缘性能，形成导电通道，这种现象称为电介质击穿。C击穿时加在介质两端的电压称为击穿电压。C电介质击穿时的电场强度就称为击穿场强；在不均匀电场中常使用平均击穿场强。2024/7/1722（二）气体介质的击穿1.气体中带电质点的产生与消失带电质点的产生游离A中性原子在由外界获得足够的能量，使原子中的一个或多个电子脱离原子核的束缚成为自由电子和正离子，这就是原子的游离。A游离的形式有碰撞游离、光游离、热游离、表面游离等。带电质点的消失去游离A扩散和复合2024/7/1723（二）气体介质的击穿2.气体放电的基本过程自持放电与非自持放电A仅由电场就能维持的放电称自持放电。A由非自持放电转入自持放电的电压称起始放电电压。2024/7/1724汤逊放电理论C适用于低气压、小间隙均匀电场中的气体放电。C在放电时间、阴极材料影响、放电通道上与实际有偏差。碰撞游离形成电子崩表面游离一个有效自由电子2024/7/1725巴申定律C当气体和电极材料一定时，气体间隙的击穿电压Ub是气压P与间隙距离d乘积的函数，即：Pd(mmHgcm)Ubmax(KV)空气的击穿电压与Pd的关系示意图2024/7/1726流注放电理论C汤逊放电理论的局限性，按汤逊放电理论：A气隙放电时间至少应等于正离子经过间隙距离所需时间，但实际上放电时间要小得多。A阴极材料对气体击穿过程有影响，但大气压下气隙的击穿电压与阴极无关。A气体放电应在整个间隙均匀连续发展，但大气压下的空气击穿会出现带分枝的明亮细通道。C流注放电理论考虑了碰撞游离形成的空间电荷对电场的畸变作用以及光游离的影响，能很好地解释大气压力下气体放电现象。2024/7/1727气体间隙中流注的发展过程2024/7/17283.3.极不均匀电场的气体放电极不均匀电场的气体放电出现电晕放电现象A在不均匀电场中，当间隙上外施电压达一定值时，大曲率电极附近区域出现强烈游离，出现象月亮晕光样的淡紫色发光层，并伴随有咝咝声和臭氧气味，这就是电晕放电现象。A电晕放电是极不均匀电场中所特有的一种自持放电形式，放电区域仅局限在大曲率电极附近的强电场范围内，而整个间隙没有击穿。2024/7/17293.3.极不均匀电场的气体放电极不均匀电场的气体放电1.出现电晕放电现象A开始出现电晕放电时的电压称为电晕起始电压。它小于间隙的击穿电压，电场越不均匀，电晕起始电压与击穿电压的差别越大。A电晕放电过程不但有损耗，还会造成通信干扰、腐蚀金属和有机绝缘物等危害。2024/7/17303.3.极不均匀电场的气体放电极不均匀电场的气体放电存在极性效应A在极不均匀场中，气体间隙的击穿电压与曲率大的电极极性有很大关系，这就是极性效应。A出现极性效应的原因是当大曲率电极的极性不同时，碰撞游离产生的空间电荷所起的作用不同造成的。下面以棒板间隙为例进行简要说明2024/7/1731正棒负板间隙空间电荷加强了棒极前方朝向板极方向的电场，削弱了紧靠棒极附近的电场，促使其电晕起始电压较高，但流注向前发展更容易，击穿更易实现，故其击穿电压较棒极为负时低。2024/7/1732负棒正板间隙空间电荷削弱了棒极前方朝向板极方向的电场，加强了紧靠棒极附近的电场，促使其电晕起始电压较低，但流注向前发展受到抑制，整个间隙击穿较困难，故其击穿电压比棒极为正时高得多。2024/7/17333.3.极不均匀电场的气体放电极不均匀电场的气体放电极不均匀电场气隙放电特点A无论棒极的极性如何，放电总是从棒极开始。A棒极极性不同时，空间电荷对电场的畸变作用不同。A工频电压下，棒板间隙的击穿总是在棒极为正、电压达到幅值时发生。2024/7/17344.冲击电压作用下气体的放电特性标准雷电冲击波A标准雷电冲击波形：波前/波长=1/2为1.20.3/500.2(s)2024/7/1735伏秒特性气隙在雷电冲击电压作用下的击穿存在放电时延，即：放电时延统计时延放电形成时延2024/7/1736伏秒特性通常把作用在间隙上的电压最大值与放电时间的关系曲线称为伏秒特性形曲线。由于放电时间的分散性，伏秒特性曲线是一个带状区域。2024/7/1737伏秒特性间隙的伏秒特性与极间电场均匀程度有关，电场越均匀，伏秒特性越平坦，反之则越陡峭。伏秒特性广泛应用于绝缘配合。2024/7/173850%冲击放电电压气隙在冲击电压作用下，导致气隙击穿概率为50的冲击电压幅值称为50%冲击放电电压。工程上用50%冲击放电电压来表示气隙在冲击电压下的基本耐电特性。2024/7/17395.提高气体击穿电压的措施C提高气体间隙击穿电压的途径有两个：一个是改善电场分布使其尽量均匀；另一个是采取措施尽可能地削弱气体间隙中的游离过程。A.改善电极形状及表面状态。B.在极不均匀电场中采用极间障。C.采用高气压气体。D.采用高真空气体。E.采用高电气强度气体（SF6）。2024/7/17406.沿面放电定义：沿着固体介质表面的气体放电称为沿面放电，俗称闪络。沿面闪络电压通常比相同距离的纯空气间隙的击穿电压低，且受固体绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等因素影响很大。不同绝缘结构对闪络电压的影响绝缘子的污闪及其预防（绝缘表面状态与环境条件对沿面闪络的影响）2024/7/1741绝缘子的污闪及其预防被污染的绝缘子在电压作用下发生沿面闪络称为污秽闪络，简称污闪，其闪络电压称为污闪电压。在雾、露、雪、毛毛雨等气候条件下，绝缘子最可能发生污闪，有时甚至在工作电压下就会发生污闪。污闪事故的特点是时间长，一般不能用自动重合闸消除，造成停电，检修恢复的时间较长。2024/7/1742绝缘子的污闪及其预防污闪发展过程：A绝缘表面的污秽层受潮泄漏电流发热局部烘干局部放电干燥区域扩大出现两种可能：当污秽较轻或绝缘子的泄漏距离（简称爬距）较长，其串联湿润部分的电阻还比较大，干燥区域扩大将使泄漏电流减小，其承担的电压不足以维持这样长的局部放电时，放电熄灭；当承担的电压、电弧电流能维持不断增长的局部放电电弧时，可发展为闪络，否则，局部电弧熄灭。2024/7/1743绝缘子的污闪及其预防防止绝缘子污闪的措施：A采用防污型绝缘子或增加绝缘子数目来增加泄漏比距；A对污秽绝缘子定期进行清扫保持绝缘子表面清洁；A在绝缘子表面涂憎水性材料，如有机硅脂、地蜡等；A采用半导体釉绝缘子。2024/7/1744（三）液体介质的击穿（三）液体介质的击穿1.变压器油的击穿过程“小桥”理论变压器油中的杂质包括水、气泡、纤维、碳粒等杂质“小桥”的形成：A杂质在电场作用下，极化、定向排列、形成杂质“小桥”。泄漏电流发热使油分解、水分汽化形成气泡沿“小桥”击穿。2024/7/1745（三）液体介质的击穿（三）液体介质的击穿2.影响变压器油击穿电压的因素杂质：影响很大，且油纯净度越高和电场越均匀，影响越大。温度：温度对含有水分的油有影响。参见Page27图1-27。电场均匀程度：电压作用时间：对含有杂质的油影响较大。2024/7/1746（三）液体介质的击穿（三）液体介质的击穿3.提高变压器油击穿电压的措施A途径有两个：除去油中的杂质和减少油中杂质的影响。A首先是除去油中的杂质。过滤；干燥；祛气A其次是减少杂质的影响。为消除杂质“小桥”影响，在实际绝缘结构中常采用油固体组合绝缘。加覆盖层；加绝缘层；加屏障2024/7/1747（四）固体介质的击穿（四）固体介质的击穿1.特点：与气体、液体绝缘不同，固体绝缘是不可恢复绝缘，一旦击穿，就永远丧失了绝缘性能。2.击穿形式：A电击穿：由碰撞游离导致。特点是击穿过程极快，击穿电压高，介质发热不明显；击穿电压与电场均匀程度有关，与环境温度无关。2024/7/1748（四）固体介质的击穿（四）固体介质的击穿A热击穿：由介质损耗导致。特点是击穿过程较电击穿长，击穿电压较电击穿低，介质内部温度很高；击穿电压与环境温度、电压作用时间、电源频率、散热条件有关，还与周围媒质的导热性能及介质本身的导热系数、损耗、厚度等有关。A电化学击穿：长期受电、热、化学和机械力等作用，引起局部过热、局部放电造成的腐蚀、机械力及不同温度系数产生的应力引起的损伤，使绝缘性能逐渐劣化所致。特点是过程很长，击穿电压较低，甚至在工作电压下就可能发生击穿；击穿电压与运行条件、绝缘材料性质等有关。2024/7/1749（四）固体介质的击穿（四）固体介质的击穿3.影响固体介质击穿电压的因素电压作用时间温度电场均匀程度受潮电压频率累积效应机械负荷2024/7/1750（四）固体介质的击穿（四）固体介质的击穿4、提高固体介质击穿电压的措施提高固体介质的均匀致密程度改进绝缘设计改善运行条件