5-液体和固体介质的电气特性.ppt

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1、高电压工程基础高电压工程基础高电压工程基础高电压工程基础第五章第五章第五章第五章 液体和固体液体和固体液体和固体液体和固体介质的电气特性介质的电气特性介质的电气特性介质的电气特性任课教师：赵任课教师：赵 彤彤山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院高电压工程基础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、电瓷、：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶玻璃、硅橡胶高电压工程基础电介质的概念电介

2、质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，：物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，在外电场作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电在外电场作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的固体、液体和气体物质总称为电介质。场的固体、液体和气体物质总称为电介质。电介质的地位电介质的地位：电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，：电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有重要的地位。在电工电子工程领域中占有重要的地位。为什么要讨论电介质为什么要讨论电介质：电介质放入外电场后，内部结构受：电介质放入外电场后，内部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原外电场的作

3、用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变化。因此，有必要对变化后的物理量进行讨论。化。因此，有必要对变化后的物理量进行讨论。高电压工程基础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：导电性能导电性能介电性能介电性能电气强度电气强度描述电介质电气特性的描述电介质电气特性的4大参数：大参数：电导率电导率（绝缘电阻率（绝缘电阻率）介电常数介电常数 介质损耗角正切介质损耗角正切 tan击穿场强击穿场强 Eb一、电介质的极化、电导与损耗一、电介质的极化、电导与损耗二、液体介质的

4、击穿二、液体介质的击穿三、固体介质的击穿三、固体介质的击穿四、组合绝缘的特性四、组合绝缘的特性五、绝缘的老化五、绝缘的老化高电压工程基础第五章第五章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性5.1.1 电介质的极化电介质的极化5.1 电介质的极化、电导与损耗电介质的极化、电导与损耗1、形成分子和聚集态的各种键、形成分子和聚集态的各种键分子由原子或离子组成；气体、液体和固体三种聚分子由原子或离子组成；气体、液体和固体三种聚集态由原子、离子或分子组成。集态由原子、离子或分子组成。键：键：质点间的结合方式，分子和三种聚集态的性质质点间的结合方式，分子和三种聚集态的性质与键的形式有关。与键的形

5、式有关。高电压工程基础高电压工程基础分子键：分子键：分子与分子间的结合力。分子与分子间的结合力。化学键：化学键：分子内相邻原子间的结合力，分为分子内相邻原子间的结合力，分为离子键离子键和共价键。和共价键。分子的化学键类型，取决于分子的原子间电负性的分子的化学键类型，取决于分子的原子间电负性的大小。（电负性是指原子获得电子的能力）大小。（电负性是指原子获得电子的能力）高电压工程基础（1）离子键）离子键电负性相差很大的原子相遇，原子间发生电子电负性相差很大的原子相遇，原子间发生电子转移，电负性小的原子失去电子成为正离子；电负转移，电负性小的原子失去电子成为正离子；电负性大的原子得到电子成为负离子。

6、正负离子通过静性大的原子得到电子成为负离子。正负离子通过静电引力结合成分子。即正负离子间形成离子键。电引力结合成分子。即正负离子间形成离子键。大多数无机电介质都是靠离子键结合起来的，大多数无机电介质都是靠离子键结合起来的，如玻璃、云母等。如玻璃、云母等。高电压工程基础（2）共价键）共价键由电负性相等或相差不大的两个或多个原子通过由电负性相等或相差不大的两个或多个原子通过共用电子对共用电子对结结合成分子，称共价键。有机电介质都是由共价键结合而成，某合成分子，称共价键。有机电介质都是由共价键结合而成，某些无机晶体如金钢石也是共价键。些无机晶体如金钢石也是共价键。非极性共价键：非极性共价键：电负性相

7、同的原子组成的共价键。分子正、负电负性相同的原子组成的共价键。分子正、负电荷中心重合。由非极性共价键构成电荷中心重合。由非极性共价键构成非极性分子非极性分子。极性共价键：极性共价键：电负性不同的原子组成的共价键。分子正、负电电负性不同的原子组成的共价键。分子正、负电荷中心不重合。由极性共价键构成荷中心不重合。由极性共价键构成极性分子极性分子。（3）分子键）分子键分子以相互间的吸引力结合在一起，形成分子键。分子以相互间的吸引力结合在一起，形成分子键。高电压工程基础2、电介质的分类、电介质的分类根据化学结构分为三类：根据化学结构分为三类：非极性电介质非极性电介质分子由共价键结合，由非极性分子组成的

8、电介质。分子由共价键结合，由非极性分子组成的电介质。极性电介质极性电介质由极性分子组成的电介质。由极性分子组成的电介质。离子性电介质离子性电介质分子由离子键构成的电介质，只有固体形式。分子由离子键构成的电介质，只有固体形式。高电压工程基础电介质的极化：电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。介电常数介电常数用来表用来表示极化的强弱。示极化的强弱。偶极子：偶极子：正、负电荷作用中心不相重合，好像分子一端带正电正、负电荷作用中心不相重合，好像分子一端带正电荷，另一端

9、带负电荷，形成永久性的偶极矩。荷，另一端带负电荷，形成永久性的偶极矩。极化的总效果是在介质边缘出现电荷分布，这些电荷仍束缚在极化的总效果是在介质边缘出现电荷分布，这些电荷仍束缚在每个分子中，称为束缚电荷或极化电荷。每个分子中，称为束缚电荷或极化电荷。3、电介质极化的概念和极化的种类、电介质极化的概念和极化的种类高电压工程基础（1）电子式极化）电子式极化在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道相对于原子在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道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偶极矩，核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现偶极矩，这种现象称为电子式极化。这种现象称为电子式

10、极化。偶极矩：偶极矩：正正、负电荷中心间的距离、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量和电荷中心所带电量q的的乘乘积。为矢量积。为矢量，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。偶，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。偶极矩用于表示极性极矩用于表示极性大小，偶极矩大小，偶极矩越大，极性越大越大，极性越大。高电压工程基础电子式极化存在于一切电介质中。电子式极化存在于一切电介质中。特点：特点：极化过程所需时间极短，约极化过程所需时间极短，约10-15s，极化，极化程度程度取取决于电场强度，与电源频率无关。决于电场强度，与电源频率无关。极化是弹性的，无能量损耗。极化是弹性的，无能量损耗。温度对极化过程

11、影响很小。温度对极化过程影响很小。高电压工程基础（2）离子式极化）离子式极化离子式极化：离子式极化：在外电场作用下，离子的位移造成的在外电场作用下，离子的位移造成的极化。极化。无外电场时，正、负离子对称排列，各个离子对的无外电场时，正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，合成电矩为零。偶极矩互相抵消，合成电矩为零。加上外电场后，正、负离子向反方向发生偏移，使加上外电场后，正、负离子向反方向发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质对外呈现极性。平均偶极矩不再为零，介质对外呈现极性。高电压工程基础离子式极化存在于离子结构的电介质中。离子式极化存在于离子结构的电介质中。特点：特点：极化过程所需时

12、间极短，约极化过程所需时间极短，约10-13s，极化程度与电源，极化程度与电源频率无关。频率无关。极化是弹性的，无能量损耗。极化是弹性的，无能量损耗。极化程度随温度的升高而增大，具有正的温度系数。极化程度随温度的升高而增大，具有正的温度系数。高电压工程基础（3）偶极子式极化）偶极子式极化在外电场的作用下，偶极性分子沿电场方向定向排列，在外电场的作用下，偶极性分子沿电场方向定向排列，使整个介质对外呈现极性的现象称为偶极子式极化，使整个介质对外呈现极性的现象称为偶极子式极化，又称为又称为转向极化转向极化。高电压工程基础偶极子式极化存在于极性电介质中。偶极子式极化存在于极性电介质中。特点：特点：极化

13、过程所需时间较长，约极化过程所需时间较长，约10-1010-2s，极化程，极化程度与电源频率有关。在频率较高时，转向极化跟度与电源频率有关。在频率较高时，转向极化跟不上电场的变化，从而使极化率降低。不上电场的变化，从而使极化率降低。极化是非弹性的，极化过程中有能量损耗。转向极化是非弹性的，极化过程中有能量损耗。转向需克服相互间的作用而做功，消耗的能量在复原需克服相互间的作用而做功，消耗的能量在复原时不可能收回。时不可能收回。温度对极化过程影响大温度对极化过程影响大。高电压工程基础温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧密，不易极化。温度较高时，分子热运动

14、加剧，妨密，不易极化。温度较高时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，所以碍极性分子沿电场方向取向，所以随温度增加极化随温度增加极化程度先增加后降低。程度先增加后降低。高电压工程基础对于平行平板电容器，极间为真空时：对于平行平板电容器，极间为真空时：4、电介质的相对介电常数、电介质的相对介电常数(a)极间为真空极间为真空(b)极间有介质极间有介质电极间放置固体介质时，电容电极间放置固体介质时，电容量将增大为：量将增大为：0 真空的介电常数，真空的介电常数，8.8610-14F/cm；介质的介电常数；介质的介电常数；A 极板面积，极板面积，cm2；d 极间距离，极间距离，cm。高电压工程

15、基础相对介电常数：相对介电常数：r 介质的相对介电常数，表征极化程度的物理量。介质的相对介电常数，表征极化程度的物理量。材料类别名称r（工频，20）气体介质 空气（大气压）1.00059液体介质弱极性 变压器油硅有机液体2.22.52.22.8 极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚乙烯2.02.52.252.35极性聚氯乙烯3.24离子性云母电瓷575.56.5高电压工程基础（1）选电介质时应注意）选电介质时应注意r的大小的大小用于电容器的绝缘材料，显然希望选用用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r大的电大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。介质

16、，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。其他电气设备中往往希望选用其他电气设备中往往希望选用r较小的电介质，较小的电介质，这是因为较大的这是因为较大的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、较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。提高套管的沿面放电电压等。5、电介质极化在工程上的意义、电介质极化在工程上的意义高电压工程基础（2）几种电介质组合在一起使用时，应注意各种材）几种电介质组合在一起使用时，应注意各种材料料r的配合的配合在交流和冲击电压下，串联电介质中场强的分

17、布与在交流和冲击电压下，串联电介质中场强的分布与r成反比，成反比，r小的介质中场强高，其耐电强度也应高些。小的介质中场强高，其耐电强度也应高些。（3）注意介质的极化损耗）注意介质的极化损耗介质的极化损耗是介质损耗的重要组成部分，对绝缘介质的极化损耗是介质损耗的重要组成部分，对绝缘劣化和热击穿有较大的影响。劣化和热击穿有较大的影响。高电压工程基础（1）定义：）定义：在电场作用下，电介质中的带电质点作在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而形成电流的现象，称为电介质的电导定向移动而形成电流的现象，称为电介质的电导。表征电导强弱的物理量为表征电导强弱的物理量为电导率电导率，其倒数为，其倒数为电阻

18、率电阻率。电介质内部总存在一些自由的或联系较弱的带电质点，电介质内部总存在一些自由的或联系较弱的带电质点，在电场作用下，它们可沿电场方向运动构成电流，因在电场作用下，它们可沿电场方向运动构成电流，因此任何电介质都具有一定的电导。此任何电介质都具有一定的电导。5.1.2 电介质的电导电介质的电导1、电介质电导的基本概念、电介质电导的基本概念高电压工程基础（2）电介质电导与金属电导的本质区别）电介质电导与金属电导的本质区别电介质的电导主要是由电介质的电导主要是由离子离子造成的，包括造成的，包括介质介质本身和本身和杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），

19、所以电介质电导是介质电导是离子性电导离子性电导；而金属的电导是由金属导体；而金属的电导是由金属导体中的自由电子造成的，所以是中的自由电子造成的，所以是电子性电导电子性电导。电介质的电导很小，其电阻率一般为电介质的电导很小，其电阻率一般为1091022cm;而金属的电导很大，其电阻率仅为而金属的电导很大，其电阻率仅为10-610-2cm。电介质的电导具有正的温度系数电介质的电导具有正的温度系数，即随温度的升高而，即随温度的升高而增大；而金属的电阻随温度的升高而升高，即其电导增大；而金属的电阻随温度的升高而升高，即其电导随温度的升高而下降，因此具有负的温度系数。随温度的升高而下降，因此具有负的温度

20、系数。液体与固体电介质的电导率液体与固体电介质的电导率与温度关系与温度关系高电压工程基础固体电介质的电导分固体电介质的电导分体积电导体积电导和和表面电导表面电导，分别表，分别表示固体电介质的内部和表面在电场中传导电流的能力。示固体电介质的内部和表面在电场中传导电流的能力。中性或弱极性固体电介质的体积电导主要由杂质离中性或弱极性固体电介质的体积电导主要由杂质离子造成电导。子造成电导。极性固体电介质的体积电导除由杂质离子及本身离极性固体电介质的体积电导除由杂质离子及本身离解的离子共同决定电导。解的离子共同决定电导。离子性固体电介质的体积电导由离子在热运动影响离子性固体电介质的体积电导由离子在热运动

21、影响下脱离晶格移动所致。下脱离晶格移动所致。2、固体电介质的电导、固体电介质的电导高电压工程基础固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分和固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。亲水性电介质亲水性电介质的表面电导大，且受环境湿度的影的表面电导大，且受环境湿度的影响大。（极性和离子性电介质都属于亲水性材料）响大。（极性和离子性电介质都属于亲水性材料）憎水性电介质憎水性电介质的表面电导小，且受环境湿度的影的表面电导小，且受环境湿度的影响小。（非极性和弱极性电介质如石蜡、硅橡胶、硅响小。（非极性和弱极性电介质如石蜡、硅

22、橡胶、硅树脂等都属于憎水性材料）树脂等都属于憎水性材料）高电压工程基础体积电阻率为：体积电阻率为：体积电导率为：体积电导率为：其中，其中，d（cm）为电介质厚度，）为电介质厚度，S（cm2）为电极表面积。）为电极表面积。（1）体积电阻）体积电阻体积电阻的测量电路体积电阻的测量电路由电介质内部电导电流由电介质内部电导电流Iv 所决定的电阻为体积电阻所决定的电阻为体积电阻Rv。屏蔽电极作用是为了将屏蔽电极作用是为了将流过介质表面的电流与流过介质表面的电流与介质内部的电流分开。介质内部的电流分开。高电压工程基础表面电阻率为：表面电阻率为：表面电导率为：表面电导率为：其中，其中，d（cm）为电介质厚度

23、，）为电介质厚度，l（cm2）为电极长度。）为电极长度。（2）表面电阻）表面电阻表面电阻的测量电路表面电阻的测量电路由电介质表面电导电流由电介质表面电导电流Is 所决定的电阻为体积电阻所决定的电阻为体积电阻Rs。高电压工程基础（1）串联的多层电介质在直流电压作用下各层电压分）串联的多层电介质在直流电压作用下各层电压分布与电导成反比，因此设计用于直流的电气设备时要注布与电导成反比，因此设计用于直流的电气设备时要注意所用电介质的电导率，尽量使材料得到合理的使用意所用电介质的电导率，尽量使材料得到合理的使用。（2）注意环境湿度对固体电介质表面电导的影响，注）注意环境湿度对固体电介质表面电导的影响，注

24、意亲水性材料的表面防水处理。意亲水性材料的表面防水处理。（3）电导是绝缘预防性试验的理论依据电导是绝缘预防性试验的理论依据，可通过测量，可通过测量介质的绝缘电阻和泄漏电流来判断绝缘是否存在受潮或介质的绝缘电阻和泄漏电流来判断绝缘是否存在受潮或其他劣化现象。其他劣化现象。3、电导在工程实际中的意义、电导在工程实际中的意义5.1.3 电介质的能量损耗电介质的能量损耗电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。起的损耗和由极化引起的损耗。高电压工程基础在直流电压作用下介质的损耗仅有漏导损耗，可在直流电压作用下介质的损耗仅有漏导损耗，

25、可用体积电阻率用体积电阻率V或表面电导率或表面电导率S表征；表征；在交流电压作用下介质的损耗除了漏导损耗外，在交流电压作用下介质的损耗除了漏导损耗外，还有极化损耗，仅有还有极化损耗，仅有V或或S不够，需要另外的特征不够，需要另外的特征量来表示介质在交流电压作量来表示介质在交流电压作 用下的能量损耗。用下的能量损耗。介质损耗为：介质损耗为：P 值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tan（介质损耗因数）来判断介质的品质。（介质损耗因数）来判断介质的品质。tan仅反映介

26、仅反映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关。质本身的性能，和介质的几何尺寸无关。高电压工程基础有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等值电路。常用串联等值电路。高电压工程基础并联等效电路并联等效电路串联等效电路串联等效电路等效电路只有计算上的意义，并不反映介质损耗等效电路只有计算上的意义，并不反映介质损耗的物理过程。的物理过程。并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流

27、的并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的比值。比值。串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的比值。比值。高电压工程基础对于对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在存在的，可用的，可用三个并联支路的等值回路来表示。三个并联支路的等值回路来表示。R反映电导损耗 C0反映电子式和离子式极化C，r支路反映吸收电流高电压工程基础（1）气体介质的）气体介质的损耗损耗气体介质的相对介电常数气体介质的相对介电常数r接近接近1，极化率极，极化率极小，损耗是由电导引起的。当电场强度不足以产生小，损耗是由电导引起的。当电场强度不足以产生

28、碰撞电离时，损耗极小（碰撞电离时，损耗极小（tanf1介质损耗与温度的关系：介质损耗与温度的关系：高电压工程基础在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温在低温时，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，所以总的加，电导损耗也在增大，所以总的tan亦上升，并亦上升，并在在T=T1时达到极大值；时达到极大值；在在T1TT2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，因而化损耗不断减小而退居次要地位，因而tan就随温就随温度度T的上升而持续增大

29、。的上升而持续增大。当电源频率增高时，整个曲线右移，这是因为在当电源频率增高时，整个曲线右移，这是因为在较高的频率下，偶极子来不及充分转向，要使转较高的频率下，偶极子来不及充分转向，要使转向极化充分进行，就必须减小粘度即升高温度。向极化充分进行，就必须减小粘度即升高温度。（3）固体介质的损耗）固体介质的损耗分子式结构介质分子式结构介质：中性和弱极性中性和弱极性：主要为电导：主要为电导损耗，损耗极小，如石蜡、损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；、聚四氟乙烯等；极性极性：为电导为电导损耗和极化损耗，损耗和极化损耗，tan值较大，与温度、值较大，与温度、频率的关系

30、和极性液体频率的关系和极性液体相似相似，如纸、纤维板和聚氯乙，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂烯、有机玻璃、酚醛树脂等；等；离子式结构介质离子式结构介质：主要为电导主要为电导损耗，损耗极小，如云损耗，损耗极小，如云母母等；等；不均匀结构介质不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数：损耗取决于其中各成分的性能和数量量间的间的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等；比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等；强极性电介质强极性电介质：在高压设备中极少使用。：在高压设备中极少使用。高电压工程基础（4）研究介质损失）研究介质损失角正切值角正切值tan的的意义意义绝缘材料的选择绝缘材料的选择：损

31、耗过大会引起绝缘介质严：损耗过大会引起绝缘介质严重发热，使材料容易劣化，甚至导致热击穿，重发热，使材料容易劣化，甚至导致热击穿，材料丧失绝缘性能。材料丧失绝缘性能。高电压工程基础绝缘监测的有效指标绝缘监测的有效指标：绝缘受潮、劣化、局部：绝缘受潮、劣化、局部放电等都会引起放电等都会引起tan的增大。的增大。当当tan大的材料需要加热时，可通过对材料加交大的材料需要加热时，可通过对材料加交流电压，利用材料本身介质损耗的发热，实现流电压，利用材料本身介质损耗的发热，实现均匀加热。均匀加热。5.2 液体介质的击穿液体介质的击穿高电压工程基础耐电强度：耐电强度：比气体高，且具有绝缘、散热冷却比气体高，

32、且具有绝缘、散热冷却和灭弧作用。和灭弧作用。击穿理论研究现状：击穿理论研究现状：远不及气体介质击穿机理远不及气体介质击穿机理研究，目前尚缺乏完善的击穿理论。研究，目前尚缺乏完善的击穿理论。按击穿机理分类：按击穿机理分类：纯净的和工程用纯净的和工程用(非纯净非纯净)。纯净的液体电介质的击穿机理：纯净的液体电介质的击穿机理：（1）电击穿理论）电击穿理论（2）气泡击穿理论）气泡击穿理论工程用的液体电介质的击穿机理：工程用的液体电介质的击穿机理：小桥击穿理论小桥击穿理论（1）纯净的液体电介质的击穿机理纯净的液体电介质的击穿机理电击穿理论：电击穿理论：液体中因强场发射等原因产生的电液体中因强场发射等原因

33、产生的电子在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离。子在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离。因液体介质的密度比气体大得多，电子运动的平因液体介质的密度比气体大得多，电子运动的平均自由行程短，所以其击穿场强比气体高很多。均自由行程短，所以其击穿场强比气体高很多。高电压工程基础气泡击穿理论：气泡击穿理论：当外加电场较高时，液体介质会当外加电场较高时，液体介质会由于各种原因产生气泡。由于串联介质中，场强由于各种原因产生气泡。由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡的分布与介质的介电常数成反比，气泡r=1，小小于液体的于液体的r，因而气泡承担比液体更高的场强，因而气泡承担比液体更高的场强

34、，而气体耐电强度又低，所以气泡先行电离；然后而气体耐电强度又低，所以气泡先行电离；然后气泡中气体温度升高体积膨胀，电离进一步发展气泡中气体温度升高体积膨胀，电离进一步发展使油分解出气体；一旦电离的气泡在电场中堆积使油分解出气体；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生。成气体通道，则击穿在此通道内发生。（2）工程用的（）工程用的（非纯净）液体非纯净）液体电介质的小桥击穿理论电介质的小桥击穿理论油中杂质：油中杂质：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。高电压工程基础小桥形成：小桥形成：液体中的杂质在电

35、场力的作用下，液体中的杂质在电场力的作用下，在在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成 杂质杂质的的“小桥小桥”，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81和和67，比油的介电常数，比油的介电常数1.82.8大得大得 多，从而这多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥。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(a)形成形成“小桥小桥”(b)未形成未形成“小桥小桥”小桥发热：小桥发热：组成小桥的纤维及水分电导大，从而组成小桥的纤维及水分电导大，从而使泄漏电流增加，并进而使小桥

36、强烈发热。使泄漏电流增加，并进而使小桥强烈发热。高电压工程基础小桥贯穿：小桥贯穿：使油和水局部沸腾汽化，最后沿此使油和水局部沸腾汽化，最后沿此“气桥气桥”发生击穿。发生击穿。小桥击穿的特点：小桥击穿的特点：(1)与热过程紧密相连；与热过程紧密相连；(2)如果间隙较长则难以形成小桥，但因不连续的如果间隙较长则难以形成小桥，但因不连续的小桥也会畸变电场，而引起间隙击穿电压降低；小桥也会畸变电场，而引起间隙击穿电压降低；(3)小桥的形成和电极形状及电压种类有关：电场小桥的形成和电极形状及电压种类有关：电场极不均匀时，由于尖电极附近发生局部放电现象极不均匀时，由于尖电极附近发生局部放电现象造成油的扰动

37、，而难以形成小桥；冲击电压下，造成油的扰动，而难以形成小桥；冲击电压下，由于作用时间极短，小桥来不及形成。由于作用时间极短，小桥来不及形成。绝缘外壳黄铜电极标准试油杯（图中尺寸均为标准试油杯（图中尺寸均为mm）油间隙距离2.5mm高电压工程基础5.2.1 影响液体介质击穿的因素影响液体介质击穿的因素对液体介质，通常用标准试油杯测得的工频击穿对液体介质，通常用标准试油杯测得的工频击穿电压来衡量其品质的好坏。电压来衡量其品质的好坏。高电压工程基础对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为对变压器油，其标准油杯中的击穿电压为 Ub 25kV40kV;对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击穿电压对电容器油及电

38、缆油，其标准油杯中的击穿电压一般为一般为Ub 50kV60kV。在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油的品质的衡量标准，不能用此数值直接计算在不同条的品质的衡量标准，不能用此数值直接计算在不同条件下油间隙的耐受电压。件下油间隙的耐受电压。（1）杂质的）杂质的影响影响标准油杯中变压器油的工频击穿电压标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量和含水量W的关系的关系 W为110-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大 高电压工程基础水分水分：水在油中以溶解状或悬浮状存在。溶解状的水：水在油中以溶解状或悬浮状存在。溶解状的水对油的耐压影响

39、不大；悬浮状的水分易形成小桥，对对油的耐压影响不大；悬浮状的水分易形成小桥，对击穿电压的影响较大。击穿电压的影响较大。（2）温度的影响）温度的影响干燥的油受潮的油标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系 干燥油的击穿强度与温度没有多大关系 080，Ub提高（水分溶解度增加）温度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0，Ub提高（水滴冻结成冰粒）高电压工程基础（3）油体积的影响）油体积的影响变压器油中水分含量为变压器油中水分含量为3110-6时的时的Ub与与d的关系的关系稍不均匀电场T=100稍不均匀电场T=20极不均匀电场T=20随着间隙长随着间隙长度的

40、增加变度的增加变压器油的击压器油的击穿场强下降穿场强下降 高电压工程基础均匀电场中油（均匀电场中油（T=90）的冲击击穿场的冲击击穿场强与油体积的关系强与油体积的关系 规律：规律：油的击穿强度随油体积的油的击穿强度随油体积的增加而明显下降。增加而明显下降。原因：原因：间隙中缺陷间隙中缺陷(即杂质即杂质)出现出现的概率随油体积的增加而增大。的概率随油体积的增加而增大。不能将实验室中对小体积油的测试结果，直接用于高压电气设备绝缘的设计 高电压工程基础（4）电压形式的影响）电压形式的影响杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因此杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因此油间隙的冲击击

41、穿强度比工频击穿强度要高得多。极不均匀电油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。极不均匀电场中冲击系数约为场中冲击系数约为1.4l.5，均匀场中可达均匀场中可达2或更高。或更高。-1.2/50s波+1.2/50s波 工频电压 稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系 高电压工程基础（5）电场均匀程度的影响）电场均匀程度的影响高电压工程基础电场越均匀，杂质越易形成小桥，杂质对油的击电场越均匀，杂质越易形成小桥，杂质对油的击穿电压的影响越大。油的纯净度高时，改善电场分布穿电压的影响越大。油的纯净度高时，改善电场分布能使工频或直流电压下的击穿电压明

42、显提高。当电场能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高。当电场极不均匀时，油的品质对油的击穿电压的影响很小。极不均匀时，油的品质对油的击穿电压的影响很小。在冲击电压下，因小桥来不及形成，所以不论电在冲击电压下，因小桥来不及形成，所以不论电场均匀与否，油的品质对击穿电压均无显著影响，故场均匀与否，油的品质对击穿电压均无显著影响，故改善电场分布能提高冲击击穿电压。改善电场分布能提高冲击击穿电压。考虑液体电介质绝缘时，如果运行中能保持油的考虑液体电介质绝缘时，如果运行中能保持油的清洁或主要承受冲击电压的作用，则应尽可能使电场清洁或主要承受冲击电压的作用，则应尽可能使电场均匀；如果长期承受工频电压的作用

43、且油运行中易变均匀；如果长期承受工频电压的作用且油运行中易变脏和老化，则应想办法尽量减少杂质的影响。脏和老化，则应想办法尽量减少杂质的影响。5.2.2 减小杂质影响的措施减小杂质影响的措施（1）过滤过滤 使油在连续压力下通过滤油机中的滤纸，使油在连续压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。分和有机酸等也会被滤纸所吸附。（2）防潮防潮 油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入口放

44、干燥剂，以防潮气进入。口放干燥剂，以防潮气进入。（3）祛气祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，油中将油加热，喷成雾状，并抽真空，油中所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件下将油注入电气设备中，可以达到去除油中水分和下将油注入电气设备中，可以达到去除油中水分和气体的目的。气体的目的。高电压工程基础（4）用固体介质减小油中杂质的影响用固体介质减小油中杂质的影响高电压工程基础覆盖层：覆盖层：指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层（小于（小于1mm），它的作用主要是使油中的杂质、），它的作用主要是使油中的杂质、水分等形成的水分

45、等形成的“小桥小桥”不能直接与电极接触，从不能直接与电极接触，从而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质小桥而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质小桥中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。中热击穿的发展。适用于电场较均匀时。绝缘层：绝缘层：指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料指电极表面包覆上较厚的固体绝缘材料（可达几十毫米），绝缘层不仅能起覆盖层的作（可达几十毫米），绝缘层不仅能起覆盖层的作用，减小杂质的有害影响，而且它能承担一定的用，减小杂质的有害影响，而且它能承担一定的电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀电场中，包在曲率半径较小的电极上。电场中，包

46、在曲率半径较小的电极上。充油电力设备中很少采用裸导体。充油电力设备中很少采用裸导体。（4）用固体介质减小油中杂质的影响用固体介质减小油中杂质的影响高电压工程基础屏障：屏障：又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙中的固体绝缘板。屏障的作用一方面是阻隔杂质中的固体绝缘板。屏障的作用一方面是阻隔杂质小桥的形成；另一方面可改善油间隙中的电场分小桥的形成；另一方面可改善油间隙中的电场分布，从而提高油间隙的击穿电压。在极不均匀电布，从而提高油间隙的击穿电压。在极不均匀电场中，曲率半径较小的电极附近场强高，会发生场中，曲率半径较小的电极附近场强高，会发生电离，电离出的带电粒

47、子被屏障阻挡，并分布在电离，电离出的带电粒子被屏障阻挡，并分布在屏障的一侧，使另一侧油隙中的电场变得比较均屏障的一侧，使另一侧油隙中的电场变得比较均匀，从而能提高油间隙的击穿电压。匀，从而能提高油间隙的击穿电压。变压器等充油电力设备中广泛采用油变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。屏障绝缘结构。三态电介质的耐电特性三态电介质的耐电特性 普遍规律普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，所谓的缺陷可以指电场弱的缺陷处发展起来的，所谓的缺陷可以指电场的集中，也可指介质的不的集中，也可指介质的不均匀性。均匀性。击穿特性击穿特性：一般情

48、况下，在气一般情况下，在气、液、固三、液、固三种电介质中，固体密度种电介质中，固体密度最大，耐电强度也最大，耐电强度也最高。最高。耐耐电强度电强度:空气一般空气一般在在 34 kV/mm;液体一般在液体一般在1020 kV/mm;固体一般在十几几百固体一般在十几几百 kV/mm固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可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恢复的绝缘。绝缘。5.3 固体介质的击穿固体介质的击穿高电压工程基础固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。击穿的特点是击穿场

49、强与电压作用的时间有很大的关系。在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿，且在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿，且击穿使固体介质发生永久性破坏，是非自恢复绝缘。击穿使固体介质发生永久性破坏，是非自恢复绝缘。高电压工程基础5.3.1 电击穿电击穿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，电击穿过直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象，电击穿过程与气体中相似，程与气体中相似，碰撞电离碰撞电离形成电子崩，固体电介形成电子崩，固体电介质中存在的少量传导电子，在电场加速下与晶格结质中存在的少量传导电子，在电场加速下与晶格

50、结点上的原子碰撞，当电子崩足够强时破坏介质晶格点上的原子碰撞，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。结构导致击穿。高电压工程基础在介质的电导很小，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，固体介质的击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。穿通常为电击穿。电击穿的主要特征：电击穿的主要特征：击穿电压高，击穿时间短；击穿电压高，击穿时间短；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