電介質(zhì)的損耗

一、電介質(zhì)的損耗

介質(zhì)損耗是指絕緣材料在電場作用下，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等單位來表示，而是用電介質(zhì)中流過電流的有功分量和無功分量的比值來表示，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、直流電流流過電阻做功。絕緣好時，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)中局部電場集中處，當(dāng)電場強(qiáng)度高于某一值時，就會產(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一定值時才會出現(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，帶電粒子在電場力的影響下因克服熱運(yùn)動而引起的能量損耗叫極化損耗。對于偶極子的電介質(zhì)，在交變電場中偶極子隨電場變化來回扭動，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)上的電壓超過某臨界值時，則使通過電介質(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，擊穿時的電場強(qiáng)度稱為擊穿場強(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。電子崩向陽極發(fā)展，形成一個具有高電導(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，被吸向電場較集中的區(qū)域，順電場方向構(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)電場作用下，當(dāng)電介質(zhì)的帶電質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動發(fā)生碰撞游離的連鎖反應(yīng)時，就產(chǎn)生電子崩。當(dāng)電場強(qiáng)度足夠高時，電介質(zhì)就會失去絕緣性能發(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，與加壓時的溫度無關(guān)。電擊穿的時間很短，一般以微秒計，其擊穿電壓較高，而擊穿場強(qiáng)與電場均勻程度關(guān)系很大。

2）熱擊穿

在強(qiáng)電場作用下，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)致整個電介質(zhì)擊穿。電化學(xué)擊穿與介質(zhì)的電壓作用時間、溫度、電場均勻程度、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。溫度和電壓作用時間對電擊穿的影響小，對熱擊穿和電化學(xué)擊穿的影響大；電場局部不均勻性對熱擊穿的影響小，對其他兩種影響大。