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电介质的基础知识

时间:2022-01-10 23:38 浏览:18次 基础知识 电介质 基础 知识

电介质的基础知识

为了保证电气设备的安全可靠运行,定期进行设备绝缘的预防性试验是十分必要的。通过测量绝缘电阻、泄漏电流、介质损耗因素等非破坏性试验,以及必要时的交流耐压试验,能够及时发现和检查出设备绝缘的缺陷,进行检修处理,预防事故的发生。因此我们需要了解电气设备绝缘(电介质)的极化、电导、损耗和击穿等特性,以便提高、保证检修试验的水平和质量。

图1 直流电压下电介质中电流随时间变化规律示意图

由图可见,当直流电压加于电解质两端时,电路中的电流将随时间的增长而衰减,最后趋于一个稳定的数值。 当电气设备绝缘没有受潮,且表面又很清洁时,泄漏电流很小,吸收电流衰减较慢,总电流为图中曲线1 所示.如果电介质受、潮、脏污,有局部缺陷或变质劣化,那么泄漏电流将会显著增大,吸收电流加速衰减,使总电流变化平缓,如图中1"所示。利用电介质的这些特性,可以采用合适的试验方法来判断绝缘状况。 1. 电介质的电导。 电导指物质的导电能力。对于纯电阻线路,电导与电阻的关系方程为G=1/R, 其中G为物体电导,导体的电阻越小,电导就越大,数值上等于电阻的倒数。单位是西门子,简称西,符号s。电导率的物理意义:电导率是物质传送电流的能力,是电阻率的倒数。电导率越大则导电性能越强,反之越小。实际的绝缘材料不可能绝对不导电。在外电场作用下,电介质中总是有一些带电质点(主要是离子)沿着电场方向 运动而形成电流,这就是泄漏电流。因此,电介质的绝缘电阻与泄漏电流的关系是R=U/IR。在绝缘材料中,气体电介质和液体电介质的电导不是主要问题,因此我们只介绍固体电介质(如云母、电瓷、纸)的电导。 固体电介质在外电场作用下,绝缘体本身和外表面都有泄漏电流流过,所以任何固体绝缘体都有一定的电导,可以分为体积电导和表面电导。 固体电介质的特性:固体电介质的电导分为离子电导和电子电导;电导率与温度成指数关系变化,因此对同一电气设备的绝缘电阻值进行比较时,应当注意温度的影响;吸收现象可以反映绝缘是否良好,如果绝缘中有杂质或者受潮严重,吸收电流衰减得快,吸收比小,绝缘干燥、良好,则吸收电流衰减得慢,吸收比就大。 2. 电介质的极化。 电介质的极化就是在电场作用下,电介质中的束缚电荷在相应于电场方向产生有限弹性位移的现象;或者极性分子沿电场方向作较有规律排列的现象。 电介质的极化有多种形式,按照极化过程是否消耗能量引起电介质发热分类,可以分为无损极化和有损极化两大类,无损极化有电子式极化和离子式极化,有损极化主要有偶极式极化和夹层式极化。夹层式极化过程很缓慢,并且伴随有能量损耗。在绝缘预防性试验中,经常利用夹层式极化现象,来判断绝缘是否良好。例如,水分浸入电介质后,使材料的介电系数增大,由于水的介电常数很大,同时水分能增强夹层式极化作用,因此,通过测量相对介电系数εr,就能判断电介质受潮程度。 3. 电介质的损耗。 电介质在直流电压的作用下,由于没有周期性的极化过程,因此损耗只是由电介质的电导引起,用体积电阻率和表面电阻率两个物理量就可以反映这种损耗的大小。但是,在交流电场作用下,带点质点(电子、离子)的移动或极性分子的转向,必须从电场中吸收能量,除了电导损耗外,还有周期性的极化所引起的能量损耗。这些损耗是将电能不可逆转地转化为热能,引起电介质的发热。上述现象称为电介质的损耗。因此,电介质损耗可分为三种:电导损耗、极化损耗、游离损耗(在强电场作用下,如果固体电介质中含有气泡,当电场强度超过气泡的起始游离电场强度时,将产生因气泡的局部游离现象而造成的损耗,称为游离损耗。)当介质损耗超过正常的允许数值时,将会导致绝缘内部严重发热,引起电介质的热老化,甚至发生绝缘的热击穿。因此,电气设备绝缘的介质损耗应尽可能地保持最小数值。 用p来直接衡量介质损耗的大小是不方便的,这是因为p值与试验电压、试品尺寸等许多因数有关,对不同的试品难以进行比较,如果测量介质损耗时,采用一定数值的工频电压,则介质损耗p与试品的物理电容Cp及tgσ成正比。对一定结构的试品而言,电容Cp为定值,所以对于同类型的电气设备绝缘,其介质损耗的大小可以直接由tgσ决定,为此,称σ为介质损失角,tgσ为介质损失角正切值,称为介质损耗因数。 在电气设备绝缘结构中,经常采用不均匀结构的电介质。如电机绝缘中的云母制品,变压器、互感器、电容器等设备中广泛使用的油浸纸和胶纸绝缘。这些不均匀介质,通常由二种、三种或更多种成分组成。并联的不均匀电介质总的tgσ由电容量比较大的电介质的tgσ1决定,而对电容量小的部分反映不灵敏。例如变压器本体与其套管绝缘就是这种情况,测量变压器本体的介损时,套管也包含在内,但主要反应了本体的介损。因此,在进行变压器介损试验时,对变压器本体及套管应分别单独测量。串联的不均匀电介质,总的tgσ由电容量比较小的电介质的tgσ2决定,而对电容量大的部分反映不灵敏。如变压器绕组绝缘与变压器油即属此例,绕组绝缘的电容量比油的电容量小,所以测得的变压器介损主要反映绕组绝缘的介质损耗,如果绕组绝缘受潮,其介质损耗增大,可以通过测量变压器总体tgσ明显反映出来,对变压器油则需另外单独取油进行试验。 4. 测量tgσ的意义。 (1) 电气设备中使用的电介质,要求它的tgσ愈小愈好。如果tgσ过大,会引起严重发热,使绝缘材料劣化,甚至导致热击穿。 (2) 在电气设备的交接和预防性试验中,测量tgσ是一个基本的试验项目。通过测量tgσ可以检查绝缘是否受潮、劣化、变质或有无杂质侵入。绝缘受潮后,tgσ将增大,介质损耗与温度的关系按指数规律变化,测试不同温度下的介损,可以非常灵敏地检测出绝缘受潮的程度;当绝缘劣化变质时,电导损耗和偶极损耗会急剧增大;水分、灰尘、导电性物质等杂质侵入后,也会使电介质的tgσ增大。 (3) 测量tgσ与电压U的关系,求出tgσ=f(U)的游离曲线,或者在不同电压下测量介质损耗因数的增量Δtgσ,可以用来判断设备绝缘内部是否含有空气隙,是否存在局部放电。
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