一、電介質(zhì)的損耗
介質(zhì)損耗是指絕緣材料在電場(chǎng)作用下,由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng),在其內(nèi)部引起的能量損耗。介質(zhì)損耗也叫介質(zhì)損失,簡(jiǎn)稱介損。表征某種絕緣材料的介質(zhì)損耗,一般不用W或J等單位來(lái)表示,而是用電介質(zhì)中流過(guò)電流的有功分量和無(wú)功分量的比值來(lái)表示,即tanδ。tanδ與絕緣材料的性質(zhì)有關(guān),而與其結(jié)構(gòu)、形狀、幾何尺寸等無(wú)關(guān)。介質(zhì)損耗的功率P與外加電壓的平方和電源頻率成正比。介質(zhì)損耗有電導(dǎo)損耗、游離損耗、極化損耗等形式。
1、電導(dǎo)損耗
電導(dǎo)損耗是指在電場(chǎng)作用下,電導(dǎo)電流使電介質(zhì)發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。氣體的電導(dǎo)損耗很小,液體、 固體中的電導(dǎo)損耗則與它們的結(jié)構(gòu)有關(guān)。非極性的液體電介質(zhì)、無(wú)機(jī)晶體和非極性有機(jī)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗主要是電導(dǎo)損耗。而在極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)不緊密的離子固體電介質(zhì)中,則主要由極化損耗和電導(dǎo)損耗組成。它們的介質(zhì)損耗較大,并在一定溫度和頻率上出現(xiàn)峰值。電導(dǎo)損耗實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于交流、直流電流流過(guò)電阻做功。絕緣好時(shí),液、 固電介質(zhì)在工作電壓下的電導(dǎo)損耗是很小的,與電導(dǎo)一樣是隨溫度的增加而急劇增加的。
2、游離損耗
氣體間隙中的電暈損耗和液、 固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。電介質(zhì)中局部電場(chǎng)集中處,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度高于某一值時(shí),就會(huì)產(chǎn)生游離放電,又稱局部放電。電暈是在空氣間隙中或固體絕緣體表面氣體的局部放電現(xiàn)象。但這種放電現(xiàn)象不同于液、固體介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部放電。游離損耗只有在外加電壓超過(guò)一定值時(shí)才會(huì)出現(xiàn),且隨電壓升高而急劇增加。
3、極化損耗
發(fā)生緩慢極化,如松弛極化、空間電荷極化時(shí),帶電粒子在電場(chǎng)力的影響下因克服熱運(yùn)動(dòng)而引起的能量損耗叫極化損耗。對(duì)于偶極子的電介質(zhì),在交變電場(chǎng)中偶極子隨電場(chǎng)變化來(lái)回扭動(dòng),在電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的摩擦損耗,也是極化損耗的一種形式。極化損耗與溫度、 電場(chǎng)頻率有關(guān)。
二、電介質(zhì)的擊穿
當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓超過(guò)某臨界值時(shí),則使通過(guò)電介質(zhì)的電流劇增。電介質(zhì)發(fā)生破壞或分解,直至電介質(zhì)喪失固有的絕緣功能,這種現(xiàn)象叫做介質(zhì)擊穿。電介質(zhì)發(fā)生擊穿的臨界電壓稱為擊穿電壓,擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。
1、氣體電介質(zhì)的擊穿
加在氣體電介質(zhì)的電壓超過(guò)氣體飽和電流階段之后,即進(jìn)入電子碰撞游離階段,帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中獲得巨大能量,使氣體分子碰裂游離成正離子和電子。新形成的電子又在電場(chǎng)中積累能量去碰撞其他分子,使其游離,如此連鎖反應(yīng),便形成電子崩。電子崩向陽(yáng)極發(fā)展,形成一個(gè)具有高電導(dǎo)的通道,導(dǎo)致氣體擊穿。氣體電介質(zhì)擊穿電壓與氣壓、溫度、電極形狀及氣隙距離等有關(guān)。
2、液體電介質(zhì)的擊穿
純凈的液體電介質(zhì)擊穿也是由于游離所引起。工程用的液體電介質(zhì)多少總會(huì)有雜質(zhì),如工程用的變壓器油擊穿完全是由雜質(zhì)所造成的。在電場(chǎng)作用下變壓器油中的雜質(zhì)如水泡、纖維等,聚集到兩電極之間,被吸向電場(chǎng)較集中的區(qū)域,順電場(chǎng)方向構(gòu)成橋路,較大的電導(dǎo)電流使橋路發(fā)熱,形成油和水分局部氣化,生成的氣泡也沿著電力線排列形成擊穿。
3、固體電介質(zhì)的擊穿
固體電介質(zhì)的擊穿可分為電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿三種形式。
1)電擊穿
在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,當(dāng)電介質(zhì)的帶電質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞游離的連鎖反應(yīng)時(shí),就產(chǎn)生電子崩。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高時(shí),電介質(zhì)就會(huì)失去絕緣性能發(fā)生電擊穿。電擊穿的擊穿電壓隨著電介質(zhì)的厚度呈線性增加,與加壓時(shí)的溫度無(wú)關(guān)。電擊穿的時(shí)間很短,一般以微秒計(jì),其擊穿電壓較高,而擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電場(chǎng)均勻程度關(guān)系很大。
2)熱擊穿
在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,由于電介質(zhì)內(nèi)部介質(zhì)損耗而產(chǎn)生的熱量,如果來(lái)不及散發(fā)出去,將使電介質(zhì)內(nèi)部溫度升高,電阻變小,使電導(dǎo)電流進(jìn)一步增大,介質(zhì)損耗發(fā)熱進(jìn)一步增大,導(dǎo)致溫度不斷上升,引起電介質(zhì)分解、炭化等。因此導(dǎo)致的電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)被破壞而發(fā)生的擊穿稱為熱擊穿。熱擊穿電壓隨著溫度升高而下降。
3)電化學(xué)擊穿
在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,電介質(zhì)內(nèi)部包含的氣泡首先發(fā)生碰撞游離而放電,雜質(zhì)如水分也因受電場(chǎng)加熱而汽化并產(chǎn)生氣泡,于是氣泡放電進(jìn)一步發(fā)展,電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化,逐漸變質(zhì)和劣化,最終喪失絕緣能力導(dǎo)致整個(gè)電介質(zhì)擊穿。電化學(xué)擊穿與介質(zhì)的電壓作用時(shí)間、溫度、電場(chǎng)均勻程度、累積效應(yīng)、受潮、機(jī)械負(fù)荷等多種因素有關(guān)。電化學(xué)擊穿強(qiáng)度低而且分散性較大。
4)固體電介質(zhì)擊穿往往是上述三種形式同時(shí)存在的。固體電介質(zhì)的化學(xué)變化通常使其電導(dǎo)增加 , 這會(huì)使介質(zhì)的溫度上升,因而電化學(xué)擊穿的最終形式是熱擊穿。溫度和電壓作用時(shí)間對(duì)電擊穿的影響小,對(duì)熱擊穿和電化學(xué)擊穿的影響大;電場(chǎng)局部不均勻性對(duì)熱擊穿的影響小,對(duì)其他兩種影響大。
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