重庆大学高电压技术2液体、固体介质的绝缘强度.pps

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1、第一篇第一篇 高电压绝缘与试验高电压绝缘与试验第二章第二章 液体、固体电介质的绝缘强度液体、固体电介质的绝缘强度电介质的概念：电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电子物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，一旦施加电场后发生介质的结构，一旦施加电场后发生介质极化极化的固体、液体的固体、液体和气体总称为电介质和气体总称为电介质（dielectrics）电介质电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有子工程领域中占有重要的地位。重要的地位。电介质的主要用途电介质的主要用途：利用大介电常数构成电容器利用大介电常数构成电容器利用高绝缘阻抗构

2、成电工利用高绝缘阻抗构成电工绝缘绝缘材料材料（insulating materials）在电场作用下在电场作用下电介质电介质的电气特性表现为：的电气特性表现为：导电性能导电性能 介电性能介电性能 电气强度电气强度表征参数表征参数通通过过本本章章的的学学习习要要掌掌握握液液体体和和固固体体介介质质的的极极化化、电电导导和和损损耗耗；掌掌握握液液体体和和固固体体介介质质的的击击穿穿特特性性；了了解解组组合合绝缘的意义。绝缘的意义。电导率电导率(绝缘电阻率绝缘电阻率)相对介电常数相对介电常数r介质损耗角正切介质损耗角正切tg在高电场下的电气传导在高电场下的电气传导机理、击穿电压机理、击穿电压导电性能

3、导电性能介电性能介电性能电气强度电气强度1 1 介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗2 2 液体介质的击穿液体介质的击穿液体介质的击穿液体介质的击穿3 3 固体介质的击穿固体介质的击穿固体介质的击穿固体介质的击穿4 4 组合绝缘组合绝缘组合绝缘组合绝缘主要内容介质在工作介质在工作电压下的表电压下的表现特性现特性介质在极端介质在极端电压（击穿电压（击穿电压）作用电压）作用下的表现下的表现1 电介质的极化、电导和损耗1 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗用平板电容器做实验，可以用平板电容器做实验，可以发现，当极间为真空时：发现，当极

4、间为真空时：极板间为真空极板间为真空A1.1 介质的极化和相对介电常数介质的极化和相对介电常数 r 是反映电介质是反映电介质极化极化程度的一个程度的一个物理量。物理量。极板间为固体介质极板间为固体介质相对介电常数相对介电常数当极间填充极间距离相同的固体介质时：当极间填充极间距离相同的固体介质时：介质的极化介质的极化介质的极化介质的极化所产生所产生所产生所产生r的的物理意义物理意义：在电压在电压U作用下，极间放入电介质后，极间的作用下，极间放入电介质后，极间的电容量电容量(或极板间的电荷或极板间的电荷)比真空时极间的电容量（或极板间的电荷）比真空时极间的电容量（或极板间的电荷）增大的倍数增大的倍

5、数电容量增大的原因在于介质的极化现象。电容量增大的原因在于介质的极化现象。极化的基本概念：极化的基本概念：电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极化化(1)电子式位移极化电子式位移极化在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩出现感应偶极矩特点：特点：p极化时间很短；各种频率下均

6、极化时间很短；各种频率下均可发生，极化与外加频率无关；可发生，极化与外加频率无关；p具有弹性，无损耗；具有弹性，无损耗；p温度影响不大。温度影响不大。1.2 电介质极化的类型电介质极化的类型不同类型不同类型的介质正、负电荷的表现形式不同，因此具有的介质正、负电荷的表现形式不同，因此具有不同的极化类型不同的极化类型。特点：特点：p极化时间稍长，极化与频率无关；极化时间稍长，极化与频率无关；p弹性极化，无损；弹性极化，无损；p极化受温度影响：极化受温度影响：T离子结合力离子结合力极化极化（主要）（主要）T密度密度极化极化（次要）（次要）T极化极化 固固体体无无机机化化合合物物大大多多属属离离子子式

7、式结结构构，无无外外电电场场时时，晶晶体体的的正正、负负离离子子对对称称排排列列，各各个个离离子子对对的的偶偶极极矩矩互互相相抵抵消消，故故平平均均极极矩矩为为零零。在在出出现现外外电电场场后后，正正、负负离离子子将将发发生生方方向向相相反反的的偏偏移移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。(2)离子式位移极化离子式位移极化(3)偶极子极化偶极子极化 极极性性电电介介质质中中，极极性性分分子子无无外外电电场场作作用用时时，极极性性分分子子的的偶偶极极子子因因热热运运动动而而杂杂乱乱无无序序的的排排列列着着，宏宏观观电电矩矩等等于于零零，因因而而整整个个介介质

8、质对对外外并并不不表表现现出出极极性性。出出现现外外电电场场后后，原原先先排排列列杂杂乱乱的的偶偶极极子子将将沿沿电电场场方方向向转转动动，作作较较有有规规则则的的排排列列，如如图图所所示示，因因而而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。特点：特点：p极化时间较长；极化时间较长；p非弹性极化；非弹性极化；p 频率的影响：频率频率的影响：频率偶极子来不及转向偶极子来不及转向极化极化；p 温度影响：温度影响：T转向容易转向容易极化极化 T热运动加剧阻碍转向热运动加剧阻碍转向极化极化（a）无外电场）无外电场（b）有外电场）有外电场 合闸瞬间，合闸

9、瞬间，t=时，电压时，电压按电容分配：按电容分配：(4)夹层介质界面极化夹层介质界面极化合闸后，合闸后，t，到达稳到达稳定，电压按电阻分配：定，电压按电阻分配：假设：假设：即：外加电压即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布在两层介质上的初始分布不等于稳态分布由由t=到到t有一电压重新分配的过程，也就是有一电压重新分配的过程，也就是C1和和C2上电压重新分配的过程。上电压重新分配的过程。U2的电压下降，表明的电压下降，表明C上的电荷要通过上的电荷要通过R泄放。泄放。U1的的电电压压上上升升，表表明明C1要要通通过过R由由电电源源充充电电吸吸收收一一部部分分电电荷荷，即即吸吸吸吸收收收

10、收电电电电荷荷荷荷。由由于于夹夹层层的的存存在在，使使得得在在介介质质分分界界面面上上出出现现吸吸收收电荷，整个介质的等值电容增大，这个过程称为电荷，整个介质的等值电容增大，这个过程称为吸收过程吸收过程吸收过程吸收过程。时间常数时间常数夹夹层层界界面面上上电电荷荷的的堆堆积积是是通通过过介介质质电电导导完完成成的的，高高压压绝绝缘缘介介质质的的G通常很小，所以极化速度非常缓慢。通常很小，所以极化速度非常缓慢。各种极化类型的比较各种极化类型的比较极化类型极化类型极化类型极化类型产生场合产生场合产生场合产生场合极化时间极化时间极化时间极化时间(s)(s)极化原因极化原因极化原因极化原因能量损耗能量

11、损耗能量损耗能量损耗电子式电子式任何电介质任何电介质10-15束缚电荷的位移束缚电荷的位移无无离子式离子式离子式结构电离子式结构电介质介质10-13离子的相对偏移离子的相对偏移几乎无几乎无偶极子式偶极子式极性电介质极性电介质10-1010-2偶极子的定向排列偶极子的定向排列有有夹层介质夹层介质界面界面多层介质多层介质交界面交界面10-1数小时数小时自由电荷的移动自由电荷的移动有有前三种极化是由带电质点（电荷）的弹性位移或转向形成的，夹层介质界前三种极化是由带电质点（电荷）的弹性位移或转向形成的，夹层介质界面的极化则是有带电质点的移动形成的。面的极化则是有带电质点的移动形成的。电介质的相对介电常

12、数电介质的相对介电常数电介质的相对介电常数电介质的相对介电常数气体气体气体气体：一切气体的：一切气体的：一切气体的：一切气体的 r r都接近都接近都接近都接近1 1；液体液体液体液体：非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质 r r=1.8=1.82.82.8 偶极性电介质偶极性电介质偶极性电介质偶极性电介质 3 36 6固体固体固体固体：非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质 r r=2 22.72.7 偶极性电介质偶极性电介质偶极性电介质偶极性电介质 r r=3 36 6 离子性电介质离子性电介质

13、离子性电介质离子性电介质 r r=5 58 8用用于于电电容容器器的的绝绝缘缘材材料料，显显然然希希望望选选用用r大大的的电电介介质质，因因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。其其他他电电气气设设备备中中往往往往希希望望选选用用r较较小小的的电电介介质质，这这是是因因为为较较大大的的r往往往往和和较较大大的的电电导导率率相相联联系系，因因而而介介质质损损耗耗也也较较大大。(如如酒酒精精r，水水的的r，属属于于强强极极性性物物质质，其电导率也很大，因此，不能用其作为绝缘介质其电导率也很大，因此，不能用其作为绝缘介质)在在高高压压电电气气设设备备中中常常

14、常常将将几几种种绝绝缘缘材材料料组组合合在在一一起起使使用用，这这时时应应注注意意各各种种材材料料的的r值值之之间间的的配配合合，因因为为在在工工频频交交流流电电压压和和冲冲击击电电压压下下，串串联联的的多多层层电电介介质质中中的的电电场场强强度度分分布布与与串联各层电介质的串联各层电介质的r成反比。成反比。讨论极化在工程实际中的意义讨论极化在工程实际中的意义(1)(1)选择绝缘选择绝缘选择绝缘选择绝缘 对于电容器，要求相同体积有较大电容量，对于电容器，要求相同体积有较大电容量，r 对于电缆，为减小电容电流，对于电缆，为减小电容电流，r(2)(2)多层介质的合理配合多层介质的合理配合多层介质的

15、合理配合多层介质的合理配合 在交流及冲击电压下，各层电压分布与其在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r成反比，选择成反比，选择r使各层介质电场分布较均匀。使各层介质电场分布较均匀。(3)(3)研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依据 掌握不同极化类型对介质损耗的影响掌握不同极化类型对介质损耗的影响(4)(4)预防性试验项目的理论依据预防性试验项目的理论依据预防性试验项目的理论依据预防性试验项目的理论依据 通过夹层极化现象可以判断绝缘受潮。在使用电容器等大通过夹层极化现象可以判断绝缘受潮。在使用电容器等大电容设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的影

16、响。电容设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的影响。电导率电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。为电阻率。任何电介质都有电导任何电介质都有电导按载流子的不同，电介质电导分为按载流子的不同，电介质电导分为离子电导离子电导、电子电子电导电导、电泳电导电泳电导1.3 电介质的电导电介质的电导1、电电子子电电导导：一一般般很很微微弱弱，因因为为介介质质中中自自由由电电子子数数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。2、离子电导：、离子电导：本本征征离离子子电电导导：极极性性电电介介质质有有较较大大的的本本征征

17、离离子子电电导，电阻率导，电阻率10101014 cm.杂杂质质离离子子电电导导：在在中中性性和和弱弱极极性性电电介介质质中中，主主要要是杂质离子电导，电阻率是杂质离子电导，电阻率10171019cm.3、电电泳泳电电导导：载载流流子子为为带带电电的的分分子子团团，通通常常是是乳乳化化状状态态的的胶胶体体粒粒子子（例例如如绝绝缘缘油油中中的的悬悬浮浮胶胶粒粒）或或细细小小水水珠珠，他他们们吸吸附附电荷后变成了带电粒子。电荷后变成了带电粒子。对对于于固固体体介介质质，由由于于表表面面吸吸附附水水分分和和污污秽秽存存在在表表面面电电导导。其其值受外界因素的影响很大。值受外界因素的影响很大。注注意意

18、：在在测测量量体体积积电电阻阻率率时时，应应尽尽量量排排除除表表面面电电导导的的影影响响，应清除表面污秽、烘干水分。应清除表面污秽、烘干水分。表面电导表面电导电介质的泄漏电流和绝缘电阻ic-充电电流：为无损极化对应的纯电容电流。ia-吸收电流：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化)。ig-泄漏电流：为电介质中的离子或电子在电场作用下的移动形成的电流。绝缘电阻和吸收比位移电流传导电流i：是表征单位时间内通过介质内某一截面的电量。传导电流的组成：泄漏电流和位移电流两个分量三电极法测量介质电流的电路介质中的电流绝缘电阻：绝缘电阻：吸收比：吸收比：由于介质存在吸收现象由于介质存在吸收现象,在试验中把加

19、压在试验中把加压60s测量的绝缘电测量的绝缘电阻与加压阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：根据吸收比的大小可以有效地判断绝缘的好坏。如，良好、根据吸收比的大小可以有效地判断绝缘的好坏。如，良好、干燥的绝缘，吸收电流较大，干燥的绝缘，吸收电流较大，K值较大；受潮或有缺陷的值较大；受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。绝缘，吸收比较小。绝缘电阻的特点绝缘电阻的特点：(1)测测量量介介质质或或设设备备的的R时时应应加加压压1分分钟钟或或10分分钟钟（后后者者是是指指电容量大的设备如，电缆、电机等）电容量大的设备如，电缆、电机等）(2)R具有负的温度系数具有

20、负的温度系数(3)由由于于R与与外外加加电电压压有有关关，在在临临近近击击穿穿时时有有显显著著的的迅迅速速增增加加的自由电子导电现象，的自由电子导电现象，造成造成R剧烈下降剧烈下降(4)对对于于固固体体电电介介质质，还还必必须须注注意意区区分分体体积积电电阻阻RV和和表表面面电电阻阻RS，由由于于受受外外界界影影响响(如如受受潮潮、脏脏污污等等)很很大大，不不能能用用RS来来说明绝缘内部问题。说明绝缘内部问题。工程电介质电导的性质工程电介质电导的性质(1)气体：电子电导气体：电子电导(2)液体：离子电导、电泳电导液体：离子电导、电泳电导(3)固体：离子电导、电子电导固体：离子电导、电子电导讨论

21、电介质电导的意义讨论电介质电导的意义(1)电导是绝缘预防性试验的依据电导是绝缘预防性试验的依据(2)直流电压作用于分层绝缘时，各层电压分直流电压作用于分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率可实布与电阻成正比，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压现各层间合理分压(3)注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响(4)在某些情况下要减小绝缘电阻在某些情况下要减小绝缘电阻介介质质损损耗耗：在在电电场场作作用用下下电电介介质质中中总总有有一一定定的的能能量量损损耗耗，包包括括由由电电导导引引起起的的损损耗耗和和某某些些有有损损极极化化（例例如如偶偶极子、夹层

22、极化）引起的损耗，总称极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗介质损耗。直直流流下下：电电介介质质中中没没有有周周期期性性的的极极化化过过程程，只只要要外外加加电电压压还还没没有有达达到到引引起起局局部部放放电电的的数数值值，介介质质中中的的损损耗耗将将仅仅由由电电导导组组成成，所所以以可可用用体体积积电电导导率率和和表表面面电电导导率率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。1.3 电介质的能量损耗电介质的能量损耗1.3.1介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念交变电场，电介质能量损耗包括：电介质能量损耗包括：电导损耗电导损耗 通过电介质的贯穿性泄漏电流

23、所引起的能量通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗。损耗。极化损耗极化损耗 在交流电压下，由周期性极化所引起的能量在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗。损耗。因此，电介质在交流电压作用下，产生的因此，电介质在交流电压作用下，产生的有功功率损有功功率损耗耗，称为介质损耗，它包括，称为介质损耗，它包括电导损耗电导损耗、极化损耗极化损耗。交流时，流过电介质的电流：交流时，流过电介质的电流：I ICC代代代代表表表表流流流流过过过过介介介介质质质质总总总总的的的的无无无无功功功功电电电电流流流流，I Ir r代代代代表表表表流流流流过过过过介介介介质质质质的的的的总总总总有有有有功功功功电电

24、电电流流流流，I Ir r包包包包括括括括了了了了电电电电导导导导损损损损失失失失和和和和极极极极化化化化损损损损失失失失。I Ir r ，视在功率：介质损耗(有功损耗)式中：电源角频率；功率因数角；介质损耗角。tg取决于材料的特性，与材料尺寸无关。取决于材料的特性，与材料尺寸无关。与与外外施施电电压压、电电源源角角频频率率、试试品品几几何何电电容容、介介质质损失角正切损失角正切tg有关；有关；当当外外施施电电压压U一一定定时时，对对工工频频而而言言，一一定定，P仅仅与与Cp和和 tg有有关关，对对一一定定结结构构的的试试品品，Cp也也为为定定值值。因因此此，对对同同类类试试品品，介介质质的的

25、有有功功损损耗耗的的大大小小可可以以直直接接由由tg决定。决定。并联电路：并联电路：通常，通常，tg1，则有，则有CpCs串联电路：串联电路：1.3.2 有损介质的等值电路有损介质的等值电路实实际际上上，电电导导损损耗耗和和极极化化损损耗耗都都同同时时存存在在介介质质等等值值电路可用三个并联支路表示电路可用三个并联支路表示C0：反映电子式和离子式极化：反映电子式和离子式极化Ca、ra：反映吸收电流，表示：反映吸收电流，表示 有损极化有损极化R：反映电导损耗，该支路流过：反映电导损耗，该支路流过 的电流为泄漏电流的电流为泄漏电流C0CaraR电压、频率、温度电压、频率、温度(1)电压电压 当当电

26、电场场强强度度达达到到气气体体的的放放电电起起始始电电压压U0时时，气气体体中中发发生生放放电电，这这时时损损耗耗将将急急剧剧增增大大。当当固固体体、液液体体介介质质中中存存在在气气泡泡，施施加加较较高高电电压压（UU0），tg将将增增加加，可可检检查查出出介介质质内内部部所所存存在在的的缺缺陷。（规程规定陷。（规程规定U=10kV）1.3.3 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素（2）温度）温度液液体体介介质质损损耗耗主主要要由由电电导导引引起起，极极性性液液体体介介质质的的损损耗耗tg与与温温度度的关系如图所示。的关系如图所示。在在低低温温时时，极极化化损损耗耗和和电电导导损损耗耗都都较较

27、小小，液液体体的的粘粘度度 ，偶偶极极子子转转向向极极化化 ，电导损耗，电导损耗 并并在在tt1时时达达到到极极大值大值；t在在t1tt2以以后后，由由于于电电导导损损耗耗随随温温度度急急剧剧上上升升 、极极化化损损耗耗不不断断减减小小 而而退退居居次次要要地地位位，因因而而就就随随温温度度t的的上上升升而而持持续增大续增大 。（3）频率）频率tg与与温温度度的的关关系系中中还还给给出出了了频频率率f 对对tg的的影影响响，可可见：见：f （f 2f1）tg=f(f）曲曲线线的的形形状状不不变变，但但曲曲线线向向右右移移动动了了一一定定距距离。离。这是这是因为因为频率增加时，偶极子不易充分转向

28、，为使其充分转向频率增加时，偶极子不易充分转向，为使其充分转向，必须提高温度以减小粘度，故，必须提高温度以减小粘度，故，t-tg曲线向右移动。曲线向右移动。电介质的损耗电介质的损耗气体介质气体介质气体介质气体介质损耗极小损耗极小常用来构成标准电容器常用来构成标准电容器注意避免放电的发生注意避免放电的发生液体和固体电介质：液体和固体电介质：液体和固体电介质：液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关损耗与介质的极性有关 非极性或弱极性非极性或弱极性 损耗决定于漏导损耗决定于漏导 损耗小，损耗小，tg约为约为104 代代表表性性介介质质有有聚聚乙乙烯烯、聚聚苯苯乙乙烯烯、硅硅橡橡胶胶、云云母母等等 极

29、性液体、固体和结构不紧密的离子性固体极性液体、固体和结构不紧密的离子性固体 损耗决定于漏导和极化损失损耗决定于漏导和极化损失 损耗和温度、频率等因素有关，关系复杂损耗和温度、频率等因素有关，关系复杂讨论损耗的意义讨论损耗的意义选选选选择择择择绝绝绝绝缘缘缘缘：tg过过大大会会引引起起绝绝缘缘介介质质严严重重发发热热，甚甚至至导导致致热热击击穿穿。例例如如用用蓖蓖麻麻油油制制造造的的电电容容器器就就因因为为tg大大，而而仅仅限限于于直直流流或或脉脉冲冲电电压压下下使使用用，不不能能用用于交流；于交流；预预预预防防防防性性性性试试试试验验验验中中中中判判判判断断断断绝绝绝绝缘缘缘缘状状状状况况况况

30、：如如果果绝绝缘缘受受潮潮或或劣劣化化，tg将将急急剧剧上上升升，在在预预防防试试验验中中可可通通过过tgU 的的关关系曲线来判断是否发生局部放电；系曲线来判断是否发生局部放电；均均均均匀匀匀匀加加加加热热热热：当当tg大大的的材材料料需需加加热热时时，可可对对材材料料加加交交流流电电压压，利利用用材材料料本本身身介介质质损损的的发发热热。该该方方法法加加热热非非常常均均匀匀，如如电电瓷瓷生生产产中中对对泥泥坯坯加加热热即即用用这这种种方方法。法。小小 结结电介质的极化电介质的极化q电子式极化电子式极化q离子式极化离子式极化q偶极子极化偶极子极化q夹层极化夹层极化 电介质的电导：电介质的电导：

31、表征电介质导电性能的主要物理量表征电介质导电性能的主要物理量 电介质的损耗电介质的损耗：在交变电场作用下电介质中的能量损耗在交变电场作用下电介质中的能量损耗液体、固体电介质的击穿液体、固体电介质的击穿液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，常用的液液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，常用的液体和固体介质为：体和固体介质为：液体介质液体介质：变压器油、电容器油、电缆油变压器油、电容器油、电缆油、蓖麻油等、蓖麻油等固体介质固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶等硅橡胶等2 液体电介质的击穿液体电介质的击穿2.12.1、液体介质的击穿机理、液体介

32、质的击穿机理、液体介质的击穿机理、液体介质的击穿机理2.22.2、影响液体介质击穿电压因素、影响液体介质击穿电压因素、影响液体介质击穿电压因素、影响液体介质击穿电压因素2.32.3、提高液体介质击穿电压的主要措施、提高液体介质击穿电压的主要措施、提高液体介质击穿电压的主要措施、提高液体介质击穿电压的主要措施2.1 液体电介质的击穿机理一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。液液体体电电介介质质种种类类：主主要要指指矿矿物物油

33、油，如如变变压压器器油油、电容器油、电缆油，植物油，如蓖麻油等。电容器油、电缆油，植物油，如蓖麻油等。作作用用：它它们们在在电电气气设设备备中中起起绝绝缘缘，冷冷却却的的作作用用，在开关电器中还用来灭弧。在开关电器中还用来灭弧。绝绝缘缘性性能能：液液体体介介质质的的绝绝缘缘性性能能比比空空气气好好，用用变变压器油做为绝缘的电气设备的体积可大大缩小。压器油做为绝缘的电气设备的体积可大大缩小。影影响响因因素素：由由于于油油间间隙隙的的击击穿穿机机理理很很复复杂杂，它它与与间间隙隙中中的的电电场场分分布布、油油中中杂杂质质、外外加加电电压压的的形形式式、间隙距离等有着复杂的关系。间隙距离等有着复杂的

34、关系。工工程程中中往往往往用用油油油油的的的的品品品品质质质质来来衡衡量量液液体体介介质质含含杂杂质质的的情况。情况。油的品质油的品质油的品质油的品质在标准试油器（通常称油在标准试油器（通常称油杯）中施加工频电压，此杯）中施加工频电压，此时油的击穿电压称为时油的击穿电压称为油的油的品质品质。用。用Q表示。表示。电压等级电压等级击穿电压击穿电压(kV)投运前的油投运前的油运行油运行油特高压特高压7060500kV6050330kV504566220kV403535kV及以下及以下3530表表 运行中变压器油质量标准运行中变压器油质量标准2.1.1液体电介质的击穿机理液体电介质的击穿机理n n纯净

35、液体电介质的击穿理论纯净液体电介质的击穿理论纯净液体电介质的击穿理论纯净液体电介质的击穿理论电击穿理论（电子碰撞电离理论）：电击穿理论（电子碰撞电离理论）：在外电场足够强在外电场足够强时，时，液体中因强场发射等原因产生的电子，液体中因强场发射等原因产生的电子，电子在碰电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩电子崩。导致液体介质击穿。导致液体介质击穿。击穿特点：击穿特点：和长空气间隙的放电过程很相似和长空气间隙的放电过程很相似从击穿机理的角度，可将液体电介质分为两类：从击穿机理的角度，可将液体电介质分为两类：纯净液体电介质纯净液体电介质非纯净

36、液体电介质非纯净液体电介质(工程用工程用)气泡击穿理论（小桥理论）气泡击穿理论（小桥理论）纯纯净净的的液液体体介介质质由由于于某某种种原原因因出出现现了了气气泡泡，在在交交流流电电压压下下，串串联联介介质质中中电电场场强强度度的的分分布布与与介介质质的的r 成成反反比比。由由于于气气泡泡的的r 最最小小，其其击击穿穿强强度度又又比比液液体体介质低很多，所以气泡必先发生介质低很多，所以气泡必先发生电离电离。气气泡泡电电离离后后温温度度上上升升、体体积积膨膨胀胀、密密度度减减小小，这这促促使使电电离离进进一一步步发发展展。电电离离产产生生的的带带电电粒粒子子撞撞击击油油分分子子，使使它它又又分分解

37、解出出气气体体，导导致致气气体体通通道道扩扩大大。许许多多电电离离的的气气泡泡在在电电场场中中排排列列成成气气体体小小桥桥，击击穿穿就就可可能在此通道中发生。能在此通道中发生。纯纯净净油油的的电电气气强强度度：相相当当高高，可可达达8001000kV/cm，但但提取工艺相当复杂。提取工艺相当复杂。电电气气设设备备在在制制造造过过程程中中难难免免混混入入杂杂质质，运运行行中中也也会会老老化化而而分分解解出出气气体体和和聚聚合合物物（蜡蜡状状物物）。因因此此，工工程程上上用的绝缘油总是含有一些用的绝缘油总是含有一些气体气体和和杂质杂质。非纯净液体电介质（工程用液体电介质）n n非纯净液体电介质的击

38、穿机理（以工程用变压器油为例）非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）油中的杂质：油中的杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。落纤维、液体本身老化分解。“杂质小桥杂质小桥”的形成：的形成：由于水和纤维的介电常数分别由于水和纤维的介电常数分别为为81和和67，比油的介电常数，比油的介电常数1.82.8大得多，从而大得多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥-杂杂质的质的“小桥小桥

39、”。油中受潮油中受潮水分水分(r=81)纸布脱落纸布脱落纤维纤维(r=67)沿电场极化沿电场极化定向排列定向排列杂质杂质“小桥小桥”“杂质小桥杂质小桥”贯通两电极贯通两电极“杂质小桥杂质小桥”未贯通未贯通两电两电极极受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图(a)如如果果杂杂质质小小桥桥接接通通电电极极，因因其其电电导导大大而而导导致致泄泄漏漏电电流流增增大大，发发热热会会促促使使汽汽化化；气气泡泡扩扩大大，发发展展下下去去会会出现气体小桥，出现气体小桥，气泡小桥贯穿气泡小桥贯穿，使油隙发生击穿。，使油隙发生击穿。“杂质小桥杂质小桥”贯通两电极贯通两电极(b)杂杂质质小小桥桥尚尚未未

40、接接通通电电极极时时，则则纤纤维维等等杂杂质质与与油油串串联联，由由于于纤纤维维的的r大大以以及及含含水水分分纤纤维维的的电电导导大大，使使其其端端部部油油中中电电场场强强度度显显著著增增高高并并引引起起电电离离，于于是是油油分分解解出出气气体体，气气泡泡扩扩大大，电电离离增增强强，这这样样下下去去必必然然会会出现由气体小桥引起的击穿。出现由气体小桥引起的击穿。“杂杂质质小小桥桥”未未贯贯通通两两电电极极(a)桥贯穿：桥贯穿：G水水、G纤纤大大i油油发热发热水分汽化气泡扩大水分汽化气泡扩大(b)桥未贯穿：桥未贯穿：r纤纤r油油E纤纤小小 U纤纤小小 E油油油电离油电离 Eb气气80，t Ub(

41、油中水分汽化增多油中水分汽化增多)干燥的油干燥的油潮湿的油潮湿的油电场均匀度电场均匀度优优质质油油：保保持持油油不不变变，而而改改善善电电场场均均匀匀度度，能能使使工工频频击击穿穿电电压压显显著著增增大大，也也能能大大大大提提高高其其冲冲击击击击穿穿电电压。压。品品质质差差的的油油：改改善善电电场场对对于于提提高高其其工工频频击击穿穿电电压压的的效果较差。效果较差。在在冲冲击击电电压压下下，由由于于杂杂质质来来不不及及形形成成小小桥桥，故故改改善善电电场场总总是是能能显显著著提提高高油油隙隙的的冲冲击击击击穿穿电电压压，而而与与油油的品质好坏几乎无关。的品质好坏几乎无关。电压作用时间电压作用时

42、间油油隙隙的的击击穿穿电电压压会会随随电电压压作作用用时时间间的的增增加加而而下下降降，加加电电压压时时间间还还会会影影响响油油的的击穿性质。击穿性质。电电压压作作用用时时间间为为数数十十到到数数百百微微秒秒时时，杂杂质质的的影影响响还还不不能能显显示示出出来来，仍仍为为电电击击穿穿，击击穿穿电电压压很很高高。这这时时影影响响油油隙隙击击穿穿电电压压的的主主要因素是电场的均匀程度要因素是电场的均匀程度；电电压压作作用用时时间间更更长长时时，杂杂质质开开始始聚聚集集，油油隙隙的的击击穿穿开开始始出出现现热热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。油压的影响油压

43、的影响 不不论论电电场场均均匀匀度度如如何何，工工业业纯纯变变压压器器油油的的工工频频击击穿穿电电压压总总是是随随油油压压的的增增加加而而增增加加，这这是是因因为为油油中中气气泡泡的的电电离离电电压压增增高高和和气气体体在在油油中中的的溶溶解解度增大的缘故。度增大的缘故。油中含气体时：压力油中含气体时：压力 Ub油油(气体在油中溶解量气体在油中溶解量)油经脱气处理：压力对油经脱气处理：压力对Ub油油影响较小影响较小(1)提高以及保持油的品质提高以及保持油的品质 过滤、防潮、祛气、防尘过滤、防潮、祛气、防尘(2)改进绝缘结构以减小杂质的影响改进绝缘结构以减小杂质的影响 机理：阻止杂质小桥的形成和

44、发展机理：阻止杂质小桥的形成和发展2.1.3 提高液体介质击穿的主要措施提高液体介质击穿的主要措施小小 结结纯净液体介质的击穿纯净液体介质的击穿气体小桥理论气体小桥理论 用击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程用击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程 非纯净液体电介质的击穿机理非纯净液体电介质的击穿机理 影响变压器油击穿电压的因素影响变压器油击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的主要措施提高液体电介质击穿电压的主要措施3 固体电介质的击穿3 固体电介质的击穿3.1 3.1 固体电介质的击穿机理固体电介质的击穿机理固体电介质的击穿机理固体电介质的击穿机理3.2 3.2 影响固体介质击穿的因素和改进

45、措施影响固体介质击穿的因素和改进措施影响固体介质击穿的因素和改进措施影响固体介质击穿的因素和改进措施什么是固体介质的击穿什么是固体介质的击穿?当当作作用用在在固固体体介介质质的的电电场场强强度度超超过过某某值值时时，在在该该介介质质内内会会形形成成导导电电通通道道，使使固固体体介介质质破破坏坏的的现现象象，称为固体介质的击穿。称为固体介质的击穿。固固体体介介质质被被击击穿穿后后，会会出出现现裂裂缝缝、痕痕迹迹或或形形成成漏漏电通道。电通道。固固体体介介质质被被击击穿穿后后，其其绝绝缘缘性性能能不不能能自自行行恢恢复复。因而称因而称非自恢复绝缘非自恢复绝缘。在在气气、液液、固固三三种种电电介介质

46、质中中，固固体体材材料料密密度度最最大大，耐电强度也最高。通常，耐电强度也最高。通常，p空气的耐电强度空气的耐电强度3kV/mm4 kV/mm；p液体的耐电强度液体的耐电强度10kV/mm20 kV/mm；p固体的耐电强度固体的耐电强度几十几十kV/mm几百几百 kV/mm；固体电介质的电气强度固体电介质的电气强度在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：电过程（电击穿）电过程（电击穿）t0.2 s 电化学过程（电化学击穿）电化学过程（电化学击穿）数十小时数十小时3.1 固体电介质的击穿机理固体电介质的击穿机理含义：含义：固体介质的电击穿是指仅

47、仅由于电场的作用固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。条件：条件：在介质的电导很小，又有良好的散热条件以在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿。击穿通常为电击穿。电击穿的主要特征：电击穿的主要特征：与周围环境温度有关；与周围环境温度有关；击穿时间很短（击穿时间很短（10 s0.2s)，击穿电压与时间，击穿电压与时间无关；无关；介质发热不显著；介质发热不显著；电场均匀程度对击穿有显著影响。电场均匀程度对击穿有显著影响。

48、3.1.1 电击穿理论电击穿理论击击穿穿机机理理：固固体体介介质质会会因因介介质质损损耗耗而而发发热热，如如果果周周围围环环境境温温度度高高，散散热热条条件件不不好好，介介质质温温度度将将不不断断上上升升而而导导致致绝绝缘缘的的破破坏坏，如如介介质质分分解解、熔熔化化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。碳化或烧焦，从而引起热击穿。由由于于电电导导存存在在损损耗耗发发热热T(负负温温度度系系数数)R I损损耗耗发发热热(Q发发Q散散)T介介质质分分解解、劣劣化化击击穿穿特特点点：击击穿穿与与环环境境、电电压压作作用用时时间间、电电源源频频率率及及介介质质本本身身有有关关。击击穿穿时时间间较较长长，击击

49、穿穿电电压压随随击击穿穿前前时时间的增加而明显下降，击穿电压较低。间的增加而明显下降，击穿电压较低。3.1.2 热击穿理论热击穿理论概概念念：固固体体介介质质在在电电场场长长时时间间作作用用下下（作作用用电电压压时时间间长长达达数数十十小小时时乃乃至至几几年年甚甚至至更更长长），逐逐渐渐使使介介质质的的物物理理、化化学学性性能能发发生生不不不不可可可可逆逆逆逆的的的的劣劣劣劣化化化化，电电电电气气气气强强强强度度度度逐逐逐逐步步步步下下下下降降降降并并引引起起击击穿穿的的现现象象称称为为电电化化学击穿学击穿。介介质质内内部部的的缺缺陷陷（如如气气隙隙或或气气泡泡）引引起起的的局局部部放放电电是

50、是介介质质劣劣化化、损损伤伤、电电电电气气气气强强强强度度度度下下下下降降降降的的主主要要原因。原因。电化学1)1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；产生活性气体对介质氧化、腐蚀；2)2)温升使局部介质损耗增加；温升使局部介质损耗增加；3)3)切断分子结构，导致介质破坏。切断分子结构，导致介质破坏。3.1.3 电化学击穿介质的介质的电老化电老化电老化的类型：电老化的类型：电老化的类型：电老化的类型：电离性老化电离性老化：在介质夹层或介质内部存在气隙或：在介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，在气泡，在交流电压交流电压作用下产生，作用下产生，气隙或气泡内气隙或气泡内放放电，并沿电场方向逐渐向电场深处发展