電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù)

1、第一章 電介質(zhì)的電氣性能本章提要 本章提要本章討論電介質(zhì)在電壓(電場(chǎng))作用下發(fā)生的極化、電導(dǎo)、損耗和擊穿特性, 這是電介質(zhì)的基本電氣特性。這四種電氣特性可分別用介電系數(shù)ε、 電導(dǎo)率γ(或電阻率ρ)、介質(zhì)損失角正切tgδ、擊穿場(chǎng)強(qiáng)EB 來表征, 其參數(shù)值的大小表征了電介質(zhì)在電壓(電場(chǎng))作用下發(fā)生極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿過程程度的強(qiáng)弱。本章還討論了影響這些電氣性能的各種因素以及為提高擊穿強(qiáng)度可采取的措施。本章最后討論了電介質(zhì)在電、熱、化學(xué)

2、、機(jī)械等因素長(zhǎng)期作用下發(fā)生的老化過程。本章的討論為后面各章針對(duì)這些電氣性能進(jìn)行的測(cè)試與試驗(yàn)打下了理論基礎(chǔ)。§1-1 1-1 電介質(zhì)的基本概念 電介質(zhì)的基本概念根據(jù)導(dǎo)電的難易程度,物質(zhì)可分為三類,即容易導(dǎo)電的導(dǎo)體、不導(dǎo)電的絕緣體和介于導(dǎo)體與絕緣體之間的半導(dǎo)體。為了把不同電位導(dǎo)體間的電壓(電位差)保持住(即不把電漏掉), 就要采用絕緣材料在不同電位導(dǎo)體之間進(jìn)行電氣上的隔離,這就是電氣絕緣。用作電氣絕緣的材料稱為絕緣介質(zhì)或電介質(zhì) (

3、dielectrics)。電介質(zhì)按其化學(xué)性質(zhì)可分為無機(jī)電介質(zhì)(如電瓷、云母等)和有機(jī)電介質(zhì)(如聚乙烯、環(huán)氧樹脂等)按形態(tài)可分為氣體電介質(zhì)、液體電介質(zhì)和固體電介質(zhì)。使用得最多的氣體電介質(zhì)是空氣,例如架空輸電線路各相導(dǎo)線對(duì)地以及各相導(dǎo)線之間,除了采用固體電介質(zhì)(絕緣子)外,還利用了空氣作為絕緣介質(zhì)。SF6氣體作為一種絕緣性能優(yōu)良的氣體電介質(zhì)被廣泛用于斷路器、氣體絕緣封閉組合電器GIS(Gas Insulated Switchgear)中

4、。在液體電介質(zhì)中,使用最多的是變壓器油、電容器油和電纜油, 除用作絕緣介質(zhì)外,液體電介質(zhì)還兼作冷卻介質(zhì)(在油浸式電力變壓器中)和滅弧介質(zhì)(在油斷路器中)。在電氣設(shè)備中,固體電介質(zhì)用得最多,這是因?yàn)楣腆w電介質(zhì)除了用作絕緣外、還起到必須的支承帶電導(dǎo)體的作用。常用的固體電介質(zhì)有絕緣紙、絕緣紙板、塑料薄膜、云母(都作設(shè)備內(nèi)絕緣)、環(huán)氧樹脂(干式變壓器絕緣)、電瓷、(鋼化)玻璃和合成材料如硅橡膠(用于外絕緣)。在實(shí)際應(yīng)用中, 常將不同形態(tài)的電介

5、質(zhì)組合起來使用,如油浸紙絕緣就是采用了液固體電介質(zhì)的組合。當(dāng)作用于電介質(zhì)上的電壓(更確切地說是電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度)增大到某個(gè)臨界值時(shí), 流過電介質(zhì)的電流就會(huì)急劇增大,說明此時(shí)電介質(zhì)已失去絕緣性能而成為導(dǎo)體,電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱己脤?dǎo)電狀態(tài)的過程稱為擊穿(breakdown)。發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度(kV/cm)稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)或絕緣強(qiáng)度(其值與電介質(zhì)的材料有關(guān)),發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電壓稱為擊穿電壓(kV)(其值與電介質(zhì)的材料及厚度有關(guān))。

6、固體電介質(zhì)一旦擊穿，將永久性地喪失絕緣性能。而氣體、液體電介質(zhì)擊穿后則只引起絕緣性能的暫時(shí)性失去，擊穿后撤去電壓,其絕緣性能能夠自行恢復(fù),例如SF6斷路器滅弧室內(nèi)SF6氣體,在斷路器分閘引起的電弧熄滅后,能自行恢復(fù)原來的絕緣性能。液體、固體電介質(zhì)具有一個(gè)不同于氣體電介質(zhì)的特點(diǎn),就場(chǎng)力的作用下向兩極分化位移,但仍束縛于原子或分子結(jié)構(gòu)中而不能成為自由電荷。結(jié)果,在介質(zhì)靠近極板的兩表面呈現(xiàn)出與極板上電荷相反的電的極性來,即靠近正極板的電介質(zhì)表

7、面呈現(xiàn)負(fù)的電極性,靠近負(fù)極板的電介質(zhì)表面呈現(xiàn)正的電極性,這些仍保持在電介質(zhì)內(nèi)部的電荷稱為束縛電荷(極化電荷)。正是由于電介質(zhì)靠近極板兩表面出現(xiàn)了束縛電荷,根據(jù)異極性電荷相吸的規(guī)律,就要從電源再吸取等量異極性電荷 Q’ 到兩極板上,這就導(dǎo)致了 Q= Qo+ Q’＞ Qo 。所以,極化是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向的電介質(zhì)兩表面呈現(xiàn)電極性 (或出現(xiàn)束縛電荷)的過程。圖 1-1 電介質(zhì)的極化（a）極板間為真空 （b）極板間

8、為固體介質(zhì)2.相對(duì)介電系數(shù) (relative dielectric constant)對(duì)于上述平板電容器,放入的電介質(zhì)材料不同,電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱程度也就不同,導(dǎo)致極板上的電荷量Q不同, 因此Q/Qo就表征了在相同情況下不同電介質(zhì)的不同極化程度, 即εr (1-5)0 0 0 0 0AQ CU C d A Q C U Cdeee e = = = = =式中 ε——電介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù),簡(jiǎn)稱介電系數(shù)

9、。它表示的是不同電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度的物理量,其物理意義表示金屬極板間放入電介質(zhì)后的電容量(或極板上的電荷量)為極板間為真空時(shí)的電容量(或極板上的電荷量)的倍數(shù)。εr值由電介質(zhì)的材料所決定。氣體分子間的間距很大,密度很小,因此各種氣體電介質(zhì)的εr均接近于1 。常用的液體、固體介質(zhì)的εr大多在2～6之間。不同電介質(zhì)的εr值隨溫度、電源頻率的變化規(guī)律一般是不同的。在工頻電壓下、20 ℃時(shí),一些常用電介質(zhì)的介電系數(shù)見表1-1 。二、極化