第03章 液体和固体介质的电气特性.ppt

《第03章 液体和固体介质的电气特性.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第03章 液体和固体介质的电气特性.ppt（112页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性2021/9/151 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：常用的液体和固体介质为：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 固体介质固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电 瓷、玻璃、硅橡胶瓷、玻璃、硅橡胶液体和固体介质液体和固体介质2021/9/152电导率 (绝缘电阻率 )介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度表征参数：电介质的电气特性表现在电场作用下的电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能导电

2、性能 介电性能介电性能 电气强度电气强度电介质的电气特性及表征参数电介质的电气特性及表征参数2021/9/1534第一节第一节 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗2021/9/154电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗 一切电介质在电场的作用下都会出现极化，一切电介质在电场的作用下都会出现极化，电导和损耗等电气物理现象。不过气体介质的电导和损耗等电气物理现象。不过气体介质的极化，电导和损耗都很微弱，一般可忽略不计，极化，电导和损耗都很微弱，一般可忽略不计，真正需要注意的只有液体和固体介质在这些方真正需要注意的只有液体和固体介质在这些方面的特性。面的特性。2021/9/155

3、介电常数：表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时，其电容量为：一、电介质的极化一、电介质的极化 电介质的极化：电介质在电场作用下，正负电荷的定向移动0-真空的介电常数A-极板面积，cm2 d-极间距离，cm2021/9/156放置固体介质时放置固体介质时,电容量将增大为电容量将增大为:相对介电常数：0 0-真空的介电常数真空的介电常数 -介质的介电常数介质的介电常数 r r-介质的相对介电常数介质的相对介电常数 A-A-极板面积，极板面积，cmcm2 2 d-d-极间距离，极间距离，cmcm r r是反映电介质极化特性的一个物理量。是反映电介质极化特性的一个物理量。介电常数介电常数20

4、21/9/157可见，气体可见，气体r r接近于接近于1 1，液体和固体大多在，液体和固体大多在2 26 6之间。之间。2021/9/158用于用于电容器电容器的绝缘材料，显然希望的绝缘材料，显然希望选用选用r r大大的电介的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。其他其他电气设备电气设备中往往希望中往往希望选用选用r r较小较小的电介质，这的电介质，这是因为较大的是因为较大的r r往往和较大的电导率相联系，因而往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。介质损耗也较大。采用采用r r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流较小的绝缘材料还

5、可减小电缆的充电电流。2021/9/159 最基本的极化型式有最基本的极化型式有电子式极化电子式极化、离子式极离子式极化化和和偶极子极化偶极子极化等三种，另外还有等三种，另外还有夹层极化夹层极化和和空空间电荷极化间电荷极化等。等。电介质的极化型式电介质的极化型式2021/9/1510(一)电子式极化 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出现感应偶极矩 ,其值为 ,（矢量 的方向为由q指向q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。2021/9/1511 电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：

6、（1 1）完成极化需要的时间极短，）完成极化需要的时间极短，1010-15-15s s；（2 2）外电场消失，整体恢复中性。）外电场消失，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。电子式极化特点电子式极化特点2021/9/1512(二二)离子式极化离子式极化 固体无机化合物大多属离固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。平衡极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的在出现外电

7、场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。极化。2021/9/1513 1 1、离子相对位移有限，外、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；电场消失后即恢复原状；2 2、所需时间很短，其几乎、所需时间很短，其几乎与外电场频率无关。与外电场频率无关。离子式极化的特点离子式极化的特点2021/9/1514 1 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强；而使极化程度增强；2 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一

8、种影响较大，故其度减弱。通常前一种影响较大，故其 一般具一般具有正的温度系数。有正的温度系数。温度对离子式极化的影响温度对离子式极化的影响2021/9/1515(三三)偶极子极化偶极子极化 极性电介质极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为称为极性电介质极性电介质。极性分子不存在外电场时，极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零宏观电矩等于零，因而整个介，因而整个介质对

9、外并不表现出极性。质对外并不表现出极性。2021/9/1516出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。2021/9/1517 偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，定的能量，极化所需的时间也较长，1010101010102 2s s，所以极性电介质的，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系。值与电源频率有较大关系。偶极子极化与频率f 的关系2021/9/1518 频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当

10、于直流电场下的相对介电常数。f f f f1 1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，值不断下降；当值不断下降；当f f f f2 2 时，偶极子已完全不跟着电场时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，转动了，这时只存在电子式极化，减小到减小到 。2021/9/1519偶极子极化与温度t的关系 温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。2021/9/1520 对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以 很小。液体、固体介质的 在低温下先随温度的升高而增大，以

11、后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，又开始随着温度的上升而减小。2021/9/1521(四四)夹层极化夹层极化 凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按按介电常数介电常数分布逐渐过渡到稳态时按分布逐渐过渡到稳态时按电导率电导率分布。在分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介

12、质界面极化，简称介质界面极化，简称夹层极化夹层极化。2021/9/1522t t=0=0时合上开关，电压分配与电容成正比时合上开关，电压分配与电容成正比：2021/9/1523一般一般 即即C C1 1、C C2 2上的电荷需要重新分配上的电荷需要重新分配 于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷由于这种极化涉及这就是夹层极化引起的吸收电荷由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚

13、至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来下才能表现出来。2021/9/1524二、电介质的电导二、电介质的电导 电导率电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。2021/9/15251、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。2、离子电导：电介质中的正负离子沿电场方向移动形成电导电流即离子电导，电阻率10101014 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率101710192021/9/1526

14、3、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。2021/9/1527固体、液体介质的电导率固体、液体介质的电导率 与温度与温度T T 的关系：的关系：式中：式中：A A、B B 为与介质有关的常数，其中固体介质为与介质有关的常数，其中固体介质的常数的常数B B 通常比液体介质的通常比液体介质的B B 值大的多。值大的多。T T 为绝为绝对温度，单位为对温度，单位为K K 。该式表明。该式表明,随温度随温度T T 按指数按指数规律上升。规律上升。20

15、21/9/1528三、电介质的损耗三、电介质的损耗(一)电介质的损耗的基本概念 介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。2021/9/1529交流时：流过电介质的电流本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1530此时介质的功率损耗：式中：电源角频率；功率因数角；介质损耗角。2021/9/1531 介质损耗角介质

16、损耗角为功率因数角的余角，其正切为功率因数角的余角，其正切tgtg又可称为介质损耗因数，常用百分数（）来又可称为介质损耗因数，常用百分数（）来表示。表示。通常采用介质损耗角正切作为综合反映电介通常采用介质损耗角正切作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标。质损耗特性优劣的一个指标。2021/9/1532(二二)气体、液体和固体介质的损耗气体、液体和固体介质的损耗1.气体介质损耗 气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。气体介质的tg与电场强度的关系本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1533 损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质

17、的功率损耗）为：式中：-电介质的电导率，S/cm；E-电场强度V/cm。（W/cm2）与温度有指数关系，P0也以指数规律随温度的上升而增大。极性液体介质的损耗 与温度的关系如图所示。2.2.液体介质损耗液体介质损耗（1 1）中性和弱极性液体介质）中性和弱极性液体介质2021/9/1534在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的 亦上升，并在tt1时达到极大值；2021/9/1535在在t t1 1 t t t t2 2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因

18、而化损耗不断减小而退居次要地位，因而 就随时就随时间间t t的上升而持续增大。的上升而持续增大。2021/9/15373.固体介质损耗(1)(1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20C和50Hz时 25；玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。2021/9/1538非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。(2)(2)有机绝缘材料有机绝缘材料可分为可分为非极性非极性和和极性极性2021/9/153

19、9小 结电介质的极化电介质的极化 o电子式极化电子式极化 o离子式极化离子式极化 o偶极子极化偶极子极化 o夹层极化夹层极化 电介质的电导为表征电介质导电性能的主要物理量电介质的电导为表征电介质导电性能的主要物理量电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗2021/9/1540本节完思考题思考题1.常用的液体和固体介质有哪些？2.简述液体和固体电介质的电气特性及表征参数。2021/9/154142第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性422021/9/154243第二节第二节 固体介质的击穿固体介质的击穿432021/9/1

20、543课程内容固体介质的击穿理论固体介质的击穿理论 电击穿理论电击穿理论 热击穿理论热击穿理论 电化学击穿电化学击穿 影响固体介质击穿电压的主要因素影响固体介质击穿电压的主要因素 电压作用时间电压作用时间 电场均匀程度电场均匀程度 温度温度 受潮受潮 累积效应累积效应442021/9/1544电过程（电击穿）电过程（电击穿）热过程（热击穿）热过程（热击穿）电化学过程（电化学击穿）电化学过程（电化学击穿）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：452021/9/1545 实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复实际电气设备中的固体介质击穿过程是

21、错综复杂的，常取决于以下多种因素：杂的，常取决于以下多种因素：介质本身的特性；介质本身的特性；绝缘结构形式；绝缘结构形式；电场均匀性；电场均匀性；外加电压波形；外加电压波形；外加电压时间；外加电压时间；工作环境（周围媒质的温度及散热条件）工作环境（周围媒质的温度及散热条件）462021/9/1546 常用的有机绝缘材料，如纤维材料常用的有机绝缘材料，如纤维材料(纸、布和纤纸、布和纤维板维板)以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。程，从

22、而使其电气强度大幅度下降。所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。压下的耐电性能。472021/9/1547一、固体介质的击穿理论一、固体介质的击穿理论(一)电击穿理论1 1、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而、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。直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。2 2、在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及、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

23、介质的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，击穿场强可达击穿通常为电击穿，击穿场强可达10105-5-10106 6kV/mkV/m。482021/9/1548 与周围环境温度无关；与周围环境温度无关；除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大；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。3、电击穿的主要特征492021/9/1549(二)热击穿理论 固体介质会因介质损耗而发热，如果周围固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不断环境温度高，散热条件不好

24、，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。碳化或烧焦，从而引起热击穿。502021/9/1550如图所示，在三个不同电压下(U1U2U3)有相应的发热曲线1、2、3；4为散热曲线。Q1和Q2分别代表发热和散热 介质的发热和散热与温度的关系51本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1551曲线1，Q1Q2，介质一定击穿；曲线2，与散热曲线4交于k点，它是不稳定的平衡点，ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。52本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1552 曲线曲线3 3和曲线和曲线

25、4 4有有a a、b b两个交点，两个交点，a a为为稳定的热平衡点，稳定的热平衡点，b b为不稳定的热平衡为不稳定的热平衡点，点，t t t tb b 时，介质时，介质发生击穿。发生击穿。532021/9/1553 为使介质的发热和散热有正确的配合关系，途为使介质的发热和散热有正确的配合关系，途径是：径是：在不改变发热的前提下，改善散热条件，使散热曲线的斜率增大；热击穿实际是一个热不平衡的过程，击穿所热击穿实际是一个热不平衡的过程，击穿所热击穿实际是一个热不平衡的过程，击穿所热击穿实际是一个热不平衡的过程，击穿所需时间较长。需时间较长。需时间较长。需时间较长。在不改变散热的前提下，降低发热，

26、减小施加在介质上的电压542021/9/1554(三)电化学击穿 固体介质在长期工作电压作用下，由于介质固体介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿电化学击穿。552021/9/1555 局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；2

27、)温升使局部介质损耗增加；3)切断分子结构，导致介质破坏。(三)电化学击穿 电化学击穿电压的大小与施加电化学击穿电压的大小与施加电压时间电压时间的关的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。系非常密切，但也因介质种类的不同而异。562021/9/1556下图是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：下图是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：固体介质的击穿场强与电压作用时间的关系1聚乙烯2聚四氟乙烯3硅有机玻璃云母带 曲线曲线1 1、2 2下降较快，表示聚乙烯、下降较快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯局部放电的性聚四氟乙烯局部放电的性能差；曲线能差；曲线3 3接近水平，表示硅

28、有机玻璃云母带的击穿场强随电接近水平，表示硅有机玻璃云母带的击穿场强随电压时间的增加下降很少，压时间的增加下降很少，可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。好。固体介质的击穿场强与电压作用时间的关系57本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1557有机绝缘材料的树枝状老化有机绝缘材料的树枝状老化 实验研究表明：对绝缘施加电压很长时实验研究表明：对绝缘施加电压很长时间（几个月乃至几年后），击穿场强仍在下降，间（几个月乃至几年后），击穿场强仍在下降，这显然是由于长期施加电压引起介质劣化的结这显然是由于长期施加电压引起介质劣化的结果。这类击穿可能是绝缘

29、材料内部的层间，裂果。这类击穿可能是绝缘材料内部的层间，裂纹处，空穴或杂质上的局部放电引起的。由于纹处，空穴或杂质上的局部放电引起的。由于加压时间长，也称这种击穿为加压时间长，也称这种击穿为“局部放电局部放电”，“腐蚀击穿腐蚀击穿”或或“电老化电老化”。树老化类型：树老化类型：电树老化电树老化和和水树老化水树老化 582021/9/1558电离性老化电离性老化：在介质夹层或介质内部如果：在介质夹层或介质内部如果存在气隙或气泡，在交变场下气隙或气泡的场强存在气隙或气泡，在交变场下气隙或气泡的场强会比邻近固体介质内的场强大得多，而气体的起会比邻近固体介质内的场强大得多，而气体的起始电离场强又比固体

30、介质低得多，所以在该气隙始电离场强又比固体介质低得多，所以在该气隙或气泡内很容易发生电离。气隙或气泡的电离，或气泡内很容易发生电离。气隙或气泡的电离，通过综合效应，会造成邻近绝缘物的分解、破坏通过综合效应，会造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化等形式表现为变酥、炭化等形式)，并沿电场方向逐渐，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作状发展，称作“电树枝电树枝”树老化的原因树老化的原因592021/9/1559 电导性老化电导性老化：如果在两电极之间的绝：如果在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质缘层中存在液态导电物

31、质(例如水例如水)，当该，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作的痕迹，称作“水树枝水树枝”树老化的原因树老化的原因602021/9/1560树枝老化的一般形状树枝老化的一般形状树枝状树枝状树枝状树枝状灌木丛状灌木丛状灌木丛状灌木丛状栗子状栗子状栗子状栗子状612021/9/1561电介质中的树枝状老化电介质中的树枝状老化622021/9/1562二、影响固体介质击穿电压的主要因素(一)电压作用时间 如果电压作用时间很短如果电压作用时间很短(例如例如0.1s0.1s以下以下

32、)，固体，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。击穿往往起主要作用。632021/9/1563 不过二者有时很难分清，例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。642021/9/1564(二)电场均匀程度 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往处于均匀

33、电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。厚度的意义就更小了。652021/9/1565(三)温度 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电电击穿击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。，这时的击穿场强很

34、高，且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生超过某个温度后将发生热击穿热击穿，温度越高热击穿电，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘又差，热击穿电压更低。因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。电压下即有热击穿的危险。662021/9/1566 不同的固体介质其耐热性能和耐热等不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度一

35、般也是不同的。穿的临界温度一般也是不同的。672021/9/1567(四)受潮 受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。682021/9/1568(五)累积效应 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可的过电压、特别是雷电冲击电

36、压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为这称为累积效应累积效应。显然，它会导致固体介质击穿。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。电压的下降。692021/9/1569 在幅值不高的内部过电压下以及幅值虽高、但作用时间很短的雷电过电压下，由于加电压时间短，可能来不及形成贯穿性的击穿通道，但可能在介质内部引起强烈的局部放电，从而引起局部损伤。702021/9/1570提高绝缘局部放电电压的措施1 1）尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸，因）尽量消除气

37、隙或设法减小气隙的尺寸，因为气隙的击穿场强随气隙厚度减小而提高。为气隙的击穿场强随气隙厚度减小而提高。2 2）设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质）设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质或高耐电强度的压缩气体填充空穴，如实际或高耐电强度的压缩气体填充空穴，如实际中的有油纸绝缘用于电缆，电容器，互感器中的有油纸绝缘用于电缆，电容器，互感器等。等。712021/9/1571 在气、固、液三种电介质中，固体密度在气、固、液三种电介质中，固体密度在气、固、液三种电介质中，固体密度在气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度也最高最大，耐电强度也最高最大，耐电强度也最高最大，耐电强度也最高 固体电介质

38、的击穿过程最复杂，且击穿后固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘是唯一不可恢复的绝缘是唯一不可恢复的绝缘是唯一不可恢复的绝缘耐电强度：耐电强度：空气的耐电强度一般在空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm3 4 kV/mm左右；左右；液体的耐电强度在液体的耐电强度在10-20 kV/mm10-20 kV/mm；而固体的耐电强度在十几而固体的耐电强度在十几 -几百几百kV/mmkV/mm；比比 较较722021/9/1572小 结在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿、热击穿和电化学击穿；实际电气设备中的固

39、体介质击穿过程是错综复杂的，常取决于介质本身的特性、绝缘结构形式和电场均匀性。732021/9/1573本节完1.简述固体介质的击穿理论。2.影响固体介质击穿电压的主要因素有哪些影响固体介质击穿电压的主要因素有哪些？3.简述电击穿的主要特征。4.提高绝缘局部放电电压的措施有哪些？思考题思考题742021/9/157475第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性752021/9/1575第三节第三节 液体介质的击穿液体介质的击穿762021/9/157677液体介质的击穿液体介质的击穿 一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度

40、时，在介质中出现的电气现象就不再限于一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的前面介绍的极化、电导和介质损耗极化、电导和介质损耗了。与气体介质了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场相似，液体和固体介质在强电场(高电压高电压)的作用下，的作用下，也会出现由也会出现由介质转变为导体介质转变为导体的的击穿过程击穿过程。2021/9/157778纯净液体介质的击穿理论纯净液体介质的击穿理论 工程用变压器油的击穿过程及其特点工程用变压器油的击穿过程及其特点 变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法主要内容主要内容2021/9/1578 液体介质主要

41、有天然的矿物油和人工合成油及液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。很大的影响。792021/9/1579一、液体介质的击穿理论(一一一一)电子碰撞电离理论（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（电击穿理论）电子碰撞电离理论（电击穿理论）当外加电场较高时，液体介质内会由于各种原当外加电场较高时，液体介质内会由于各种原因产生气泡，如：因产生气泡，如：电子电流加热液体，分解出气体；电子电

42、流加热液体，分解出气体；电子碰撞液体分子，使之解离产出气体；电子碰撞液体分子，使之解离产出气体；静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大；当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大；电极凸起处的电晕引起液体气化。电极凸起处的电晕引起液体气化。802021/9/158081 由于串联介质中，场强的分布与介质的介由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡电常数成反比，气泡 =1=1，小于液体的，小于液体的 ，因而气泡承担比液体更高的场强，偏偏气体耐电因而气泡承担比液体更高的场强，偏偏气体耐电强度又低，

43、所以气泡先行电离，一旦电离的气泡强度又低，所以气泡先行电离，一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通道内发在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通道内发生生 （被掩盖的气体放电）（被掩盖的气体放电）2021/9/1581（二）（二）（二）（二）.非纯净液体电介质的非纯净液体电介质的非纯净液体电介质的非纯净液体电介质的“小桥小桥小桥小桥”击穿理论击穿理论击穿理论击穿理论由于水和纤维的介电常数分别为由于水和纤维的介电常数分别为由于水和纤维的介电常数分别为由于水和纤维的介电常数分别为81818181和和和和6 76 76 76 7，比，比，比，比油的介电常数油的介电常数油的介电常数油的介电常数

44、1.8 2.81.8 2.81.8 2.81.8 2.8大得多，从而这些杂质容易大得多，从而这些杂质容易大得多，从而这些杂质容易大得多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成导电纤维桥。极化并在电场方向定向排列成导电纤维桥。极化并在电场方向定向排列成导电纤维桥。极化并在电场方向定向排列成导电纤维桥。纤维桥的导电率高，电流密度大，使纤维附近的纤维桥的导电率高，电流密度大，使纤维附近的纤维桥的导电率高，电流密度大，使纤维附近的纤维桥的导电率高，电流密度大，使纤维附近的潮气或液体蒸发，从而形成气泡并发生局部热击穿。潮气或液体蒸发，从而形成气泡并发生局部热击穿。潮气或液体蒸发，从而形成气泡并发生局

45、部热击穿。潮气或液体蒸发，从而形成气泡并发生局部热击穿。(a)(b)(a)(a)(a)(a)形成形成形成形成“小桥小桥小桥小桥”(b)(b)(b)(b)未形成未形成未形成未形成“小桥小桥小桥小桥”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822021/9/1582二、影响液体击穿电压的因素及其提高的方法(一)水分和其他杂质水在变压器油中有两种状态：水在变压器油中有两种状态：溶解状态溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；高度分散、且分布非常均匀；悬浮状态悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。832021/9/

46、1583 右图表示在常温下油的右图表示在常温下油的含水量对均匀电场油间隙工含水量对均匀电场油间隙工频击穿电压的影响。当油中频击穿电压的影响。当油中含水量含水量达十万分之几时达十万分之几时，对，对击穿电压就有明显影响。击穿电压就有明显影响。当油中还含有其他杂质时，击穿电压的下降程当油中还含有其他杂质时，击穿电压的下降程度随杂质的种类和数量而异。度随杂质的种类和数量而异。84本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1584 均匀电场油间隙的工频击穿电压与温度的关系如图所示。(二)油温 击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场的均击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场的均匀度、油的品质以及电

47、压类型的不同而异。匀度、油的品质以及电压类型的不同而异。85本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1585 不论在均匀电场中还是不均匀电场中，随温度上升，冲击击穿电压均单调地稍有下降。在极不均匀电场中，在极不均匀电场中，随温度上升，工频击穿随温度上升，工频击穿电压下降，如图所示：电压下降，如图所示：86本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1586(三)电场均匀度 优质油优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。冲击击穿电压。品质差的油品质差

48、的油：改善电场对于提高其工频击穿：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差。电压的效果较差。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。而与油的品质好坏几乎无关。872021/9/1587(四)电压作用时间 油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。加电压时间还会影响油的击穿性质。从图的两条曲线可以看出：在电压作用时间短至在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很几个微秒时击穿

49、电压很高，击穿有时延特性，高，击穿有时延特性，属电击穿属电击穿882021/9/1588 电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。89本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站2021/9/1589(五)油压的影响 不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的因为油中气泡的电离电压增

50、高和气体在油中的溶解度增大的缘故。溶解度增大的缘故。90 经过脱气处理的油，其工频击穿电压几乎与经过脱气处理的油，其工频击穿电压几乎与油压无关。油压无关。从以上讨论中可以看出，从以上讨论中可以看出，油中杂质油中杂质对油隙的工对油隙的工频击穿电压有很大的影响，所以对于工程用油来频击穿电压有很大的影响，所以对于工程用油来说，应设法减少杂质的影响，提高油的品质。说，应设法减少杂质的影响，提高油的品质。2021/9/1590 通常可以采用过滤、防潮、祛气等方法来提高油的品质，在绝缘设计中则可利用“油屏障”式绝缘(例如覆盖层、绝缘层和隔板等)来减少杂质的影响，这些措施都能显著提高油隙的击穿电压。覆盖层：