液体和固体介质的电气特性课件.ppt

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1、第三章 液体和固体介质的电气特性 v液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用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：的液体和固体介质为：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶璃、硅橡胶v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（介电常数和介质损耗正切）（介电常数和介质损耗正切）电气强度电气强度v第一节第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗

2、电介质的极化电介质的极化 电介质的电导电介质的电导 电介质的损耗电介质的损耗一、电介质的极化一、电介质的极化v电介质的极化电介质的极化是电介质在电是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。象和偶极子的取向现象。极化概念：电场中有电介质时，电场中有电介质时，由于电场的作用电介质内部由于电场的作用电介质内部发生形变，结果导致电介质发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变化。这个内部电荷分布的变化。这个过程称作极化过程称作极化。v介电常数介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，来表示极化强弱。对于平行平板电容

3、器，极间为真空时：极间为真空时：v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：v相对介电常数：相对介电常数：v0 0-真空的介电常数真空的介电常数 v-介质的介电常数介质的介电常数 vr r-介质的相对介电常数介质的相对介电常数 vA-A-极板面积，极板面积，cmcm2 2 vd-d-极间距离，极间距离，cmcmv电容量增大的原因在于电电容量增大的原因在于电介质的极化现象。介质的极化现象。是由电介质极化引起的是由电介质极化引起的束缚电荷。束缚电荷。r是反映电介质极化特性的是反映电介质极化特性的一个物理量。气体一个物理量。气体r接近于接近于1，液体和固体大多在，液体和固体大多在

4、26之间。之间。电介质的极化有五种基本形式：电介质的极化有五种基本形式：电子式极化电子式极化离子式极化离子式极化偶极子（转向偶极子（转向)极化极化夹层极化夹层极化空间电荷极化空间电荷极化 （一）电子式极化（一）电子式极化在在外外电电场场 的的作作用用下下介介质质原原子子中中的的电电子子运运动动轨轨迹迹将将相相对对于于原原子子核核发发生生弹弹性性位位移移，正正负负电电荷荷作作用用中中心心不不再再重重合合而而出出现感应偶极矩现感应偶极矩极化机理：极化机理：电子运动轨道偏离原子核电子运动轨道偏离原子核介质类型：介质类型：所有介质所有介质建立极化时间：建立极化时间：极短，约极短，约1010-15-15

5、 s s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（无关）温度（无关）极化弹性：极化弹性：弹性；弹性；消耗能量：消耗能量：无无 （二）离子式极化（二）离子式极化 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，故故平平衡衡极极矩矩为为零零。在在出出现现外外电电场场后后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平正、负离子将发生方向相反的偏移，使平 均偶极矩不再为零，介质呈现极化。均偶极矩不再为零，介质呈

6、现极化。极化机理：极化机理：正负离子的相对偏移正负离子的相对偏移介质类型：介质类型：离子式结构电介质离子式结构电介质建立极化时间：建立极化时间：极短，约极短，约1010-13-13 s s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加）温度（随温度升高而增加）离离子子的的结结合合力力随随温温度度升升高高而而减减小小，使使极极化化程程度度增增强；强；离离子子的的密密度度随随温温度度的的升升高高而而减减小小，使使极极化化程程度度减减弱弱极化弹性：极化弹性：弹性；弹性；消耗能量：消耗能量：无无 （三）偶极子极化（转向极化）（

7、三）偶极子极化（转向极化）v极性电介质极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永：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称为极性电介质。不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱极性分子不存在外电场时，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，宏观电矩等于零，因而整个介质对无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。外并不表现出极性。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

8、列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化偶极子极化或或转向极化转向极化。极化机理：极化机理：偶极子的定向排列偶极子的定向排列介质类型：介质类型：极性电介质极性电介质建立极化时间：建立极化时间：需时较长，需时较长，1010-10-101010-2-2 s s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（有关）电源频率（有关）温温度度（温温度度较较高高时时降降低低，低低温温段段随随温温度增加，即先增后降）度增加，即先增后降）极化弹性：极化弹性：非弹性；非弹性；消耗能量：消耗能量：有有v偶极子极化与电源

9、频率偶极子极化与电源频率f 的的关系：关系：v频率太高时，偶极子将来不频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其及转动，因而其 值变小，值变小，如图所示。其中如图所示。其中 相当于直相当于直流电场下的相对介电常数。流电场下的相对介电常数。vf f1 以后偶极子将越来越跟以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，不上电场的交变，值不断值不断下降；当下降；当f f2 时，偶极子时，偶极子已完全不跟着电场转动了，已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，这时只存在电子式极化，减小到减小到 。v偶极子极化与温度偶极子极化与温度t的关系：的关系：v 温度升高时，分子热运动温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分

10、子沿电场加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通取向，使极化减弱，所以通常常极性气体介质有负的温度极性气体介质有负的温度系数。系数。v 对液体和固体介质，温度对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以偶极子转动比较困难，所以v 很小。液体、固体介质的很小。液体、固体介质的v 在低温下先随温度的升高在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极极性分子沿电场取向，使极化减弱，化减弱，又开始随着温度又开始随着温度的上升而减小。的上升而减小。（四

11、）夹层极化（四）夹层极化 夹层介质界面极化概念：夹层介质界面极化概念：合闸瞬间合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定。两层介质的电压比由电容决定。稳态时分压比由电导决定。稳态时分压比由电导决定。在电压重新分配的过程中，夹层在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，这种极个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化。化称为夹层介质界面极化。v当当t=0:t=0:当当t:t:如果如果 则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上 很难满足上述条件，很难满足上述条件，电荷要重新分配，这样在两层介电荷

12、要重新分配，这样在两层介 介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面夹层介质界面极化极化。极化机理：自由电荷的移动。极化机理：自由电荷的移动。夹层极化所引起的电荷积聚过程中所形成的电流称为吸收电夹层极化所引起的电荷积聚过程中所形成的电流称为吸收电流。流。这种极化形式存在于不均匀夹层介质中，伴随有能量损失，这种极化形式存在于不均匀夹层介质中，伴随有能量损失，夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G G完成的，高压绝缘完成的，高压绝缘介质的电导通常都很小，极化建立需时很长，一般需要几分介质的电导通常都很小，极化建立需时

13、很长，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，这种性质的极化只有之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，这种性质的极化只有在直流和低频时才有意义。在直流和低频时才有意义。各种极化类型的比较极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量损耗电子式任何电介质10-15束缚电荷的位移无离子式离子式结构电介质10-13离子的相对偏移几乎无偶极子式极性电介质10-1010-2偶极子的定向排列有夹层介质界面多层介质交界面10-1数小时自由电荷的移动有空间电荷电极附近二电介质的电导二电介质的电导 v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。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

14、子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。导两种。v1、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；、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。如果电子电流较大，则介质已被击穿。v2、离子电导：、离子电导：本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，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，电阻率电导，电阻率10171019v空穴又称电洞（空穴

15、又称电洞（Electron hole），在固体物理学中指共价键），在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现像。上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现像。v3 3、电泳电导：在液体介质中载流子为带电的分子团，通常、电泳电导：在液体介质中载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。v4 4、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存、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

16、很大。所以，在测量体积在表面电导，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、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。烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。v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 的关系可近似地用下的关系可近似地用下式表示式表示v式中：式中：A A、B B 为与介质有关的常数，其中固体介质的常数为与介质有关的常数，其中固体介质的常数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 为绝对温度，单位为为绝对温度，单位为K K 。该式表

17、明。该式表明,随温度随温度T T 按指数规律上升。按指数规律上升。v绝对零度，也就是绝对零度，也就是-273.15（摄氏度摄氏度）。热力学温度）。热力学温度T与人们惯用的摄氏温度与人们惯用的摄氏温度t的关系的关系是是Tt273.15。三、电介质中的损耗v（一）电介质的损耗的基本概念电介质的损耗的基本概念v介质损耗介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包：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。化）引起的损耗，总称介质损耗。v直流下：电介质中没有周期

18、性的极化过程，只要外加电压还直流下：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。入介质损耗这个概念了。/22v交流时：流过电介质的电流交流时：流过电介质的电流 包含有功分量包含有功分量 和无功分量和无功分量v即即 v此时介质的功率损耗：此时介质的功率损耗：v介质损耗角介质损耗角为功率因数角为功率因数角 的余角，其正切的余角，其正切tg又可称为介质损耗因数，常用百分数（

19、）来表示。又可称为介质损耗因数，常用百分数（）来表示。v通常采用通常采用tg作为综合反映介质损耗特性的一个指标。作为综合反映介质损耗特性的一个指标。（为什么不采用介质损耗（为什么不采用介质损耗P？）？）介质损失角正切的概念：介质损失角正切的概念：由于由于存在损耗，存在损耗，U U和和I I之间的夹角不再是之间的夹角不再是9090的关系，的关系，I IC C代表流过介质总的无代表流过介质总的无功电流，功电流，I IR R代表流过介质的总有功代表流过介质的总有功电流，电流，I IR R包括了漏导损失和极化损包括了漏导损失和极化损失。从直观看，失。从直观看，I IR R大则损失大，定大则损失大，定义

20、一个新的物理量，即介质损失角义一个新的物理量，即介质损失角正切值正切值tgtg来代表介质在交流电压来代表介质在交流电压下的损耗下的损耗 tgtg仅反映介质本身的性能，和介仅反映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关质的几何尺寸无关介质的电压电流向量图介质的电压电流向量图 /22v有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流 ，吸收电流，吸收电流 和传导电流和传导电流 三个分量叠加在一起三个分量叠加在一起v为总电流为总电流v在在直流电压直流电压作用下，流过绝作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。线，称

21、为吸收曲线。电容电电容电流流 在加压瞬间数值很大，在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是一极短但迅速下降到零，是一极短暂的充电电流；暂的充电电流；吸收电流吸收电流 随着电压时间增长而逐渐减随着电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢小，比充电电流的下降要慢得多，约经数十分钟才衰减得多，约经数十分钟才衰减到零，具体时间长短取决于到零，具体时间长短取决于绝缘的种类、不均匀程度和绝缘的种类、不均匀程度和结构；结构；传导电流传导电流 是唯一长是唯一长期存在的电流分量。（交流期存在的电流分量。（交流电压？）电压？）v上述三支路等值电路可采用并联等值电路或串联等值电路来上述三支路等值电路可采用并联等值

22、电路或串联等值电路来分析。分析。v并联电导损耗并联电导损耗 串联极化损耗串联极化损耗v1、并联等值电路、并联等值电路 v2、串联等值电路、串联等值电路v 有损电介质可用一只理想的无损耗电容有损电介质可用一只理想的无损耗电容Cs 和一个电阻和一个电阻r 相串联的等值电路来代替，如图所示。相串联的等值电路来代替，如图所示。v由向量图有：由向量图有：v由于：由于：v所以：所以：v介质损耗角介质损耗角 值一般很小，所以：值一般很小，所以：并联等值回路中：并联等值回路中：tgtg=I=IR R/I/IC C=1/=1/CpRCpRP=UP=U2 2/R=/R=CpUCpU2 2tgtg 串联等值回路中：

23、串联等值回路中：tgtg=Ur/Uc=Ur/Uc=CsrCsrP=IP=I2 2r=r=/22介质损耗因数：介质损耗因数：并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的比值。并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的比值。串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的比值。串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的比值。v1.气体介质损耗气体介质损耗v气体分子间的距离很大，相互气体分子间的距离很大，相互间的作用力很弱，所以极化过间的作用力很弱，所以极化过程中不会引起损耗。如外加电程中不会引起损耗。如外加电场不足以引起电离，则气体中场不足以引起电离，则气体中只存在很小的电导损耗。只存在很小的电导损耗。v

24、气体中的电场强度达到放电起气体中的电场强度达到放电起始场强始场强E0时，气体中发生时，气体中发生局部局部放电放电，这时损耗将急剧增大。，这时损耗将急剧增大。/22v(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v2.液体介质损耗液体介质损耗v（1）中性和弱极性液体介质损耗主要由电导引起，其损耗）中性和弱极性液体介质损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）率（单位体积电介质的功率损耗）v为为 (W/cm3)v式中式中 电介质的电导率，电介质的电导率，S/cmv 电场强度，电场强度，V/cmv由于由于 与温度有指数关系（与温度有指数关系（3-6），故），故P0也以指数

25、规律随也以指数规律随温度的升高而增大。温度的升高而增大。v（2）极性液体介质除了电导损耗外，）极性液体介质除了电导损耗外，还存在极化损耗。还存在极化损耗。v在低温时，极化损耗和电导损耗都较在低温时，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，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的也在增大，所以总的 亦上升，并亦上升，并在在tt1时达到极大值；时达到极大值；v在在t1tt2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断以后，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，因而减小而退居次要地位，因而

26、 就随时间就随时间t的上升而持续增大。的上升而持续增大。v极性液体介质的极性液体介质的 和和 与电与电源角频率源角频率 的关系如右图所的关系如右图所示。示。当当 较小时，偶极子的转向较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，极化完全跟得上电场的交变，极化得以充分发展，此时的极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶极子单位最大；但此时偶极子单位时间的转向次数不多，因而极时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，化损耗很小，也小，且主要也小，且主要由电导损耗引起。如由电导损耗引起。如 减至减至很小，很小，反而又稍有增大，反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。这是因为电容电流减小的结果。v随随

27、 增大，转向极化逐渐跟增大，转向极化逐渐跟不上电场交变，不上电场交变，开始下降，开始下降，但由于转向频率增大仍会使极但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、化损耗增加、增大。一旦增大。一旦v 大到偶极子完全来不及转大到偶极子完全来不及转向时，向时，值变得最小而趋于值变得最小而趋于某一定值，某一定值，也变得很小也变得很小，因为这时只剩下电子式极化了。因为这时只剩下电子式极化了。v在这样的变化过程中，一定有在这样的变化过程中，一定有一个一个 的极大值，其对应的的极大值，其对应的角频率为角频率为v3.固体介质损耗固体介质损耗v(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v云母：由

28、电导引起损耗，电导率小，介质损耗小，耐高温性云母：由电导引起损耗，电导率小，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；能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；v电工陶瓷（电瓷）：既有电导损耗，又有极化损耗；常温下电工陶瓷（电瓷）：既有电导损耗，又有极化损耗；常温下电导很小。电导很小。20C和和50Hz时时 电瓷的电瓷的 25；v玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。v(2)有机绝缘材料有机绝缘材料v可分为非极性和极性可分为非极性和极性v非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗

29、取决于电导；v极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。讨论损耗的意义讨论损耗的意义(1)(1)选择绝缘。选择绝缘。tgtg 过大会引起绝缘介质严重发热，过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为因为 tg tg 大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流不能用于交流(2)(2)预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘受潮或预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘受潮或劣化，劣化，tgtg 将急剧上升，在预防试验中可通过将急剧上升，在预防试验中可通过tgtg U

30、 U的关系曲线来判断是否发生局部放电的关系曲线来判断是否发生局部放电(3)(3)当当tgtg 大的材料需加热时，可对材料加交流电大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损的发热。该方法加热非压，利用材料本身介质损的发热。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法 /22v第二节第二节 液体介质的击穿液体介质的击穿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变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法的方法v一旦作用于固体和液体介质

31、的电场强度增大到一定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，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液体和固体介质在强电场(高电压高电压)的作用下，也会的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。出现由介质转变为导体的击穿过程。v液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻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、固油等植物油。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

32、液体介质的击穿有很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。大的影响。一、纯净液体电介质的电击穿理论（一）电子碰撞电离理论液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场中被加速，液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离，形成电子崩。与此同时，由碰与液体分子发生碰撞电离，形成电子崩。与此同时，由碰撞产生的正离子在阴极附近集结成空间电荷层，增强了阴撞产生的正离子在阴极附近集结成空间电荷层，增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多；当外加电压增极附近的电场，使阴极发射的电子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流会急剧增大，从而导致液体大到一定程度时，

33、电子崩电流会急剧增大，从而导致液体介质的击穿。介质的击穿。液体的密度比气体大得多，电子的平均自由行程很小，液体的密度比气体大得多，电子的平均自由行程很小，积累能量比较困难，必须大大提高电场强度才能开始碰积累能量比较困难，必须大大提高电场强度才能开始碰 撞电离，所以纯净液体介质的击穿场强比气体介质高得撞电离，所以纯净液体介质的击穿场强比气体介质高得 多（约高一个数量级）。多（约高一个数量级）。/22纯净液体电介质的气泡击穿理论（二）气泡击穿理论当外加电场较高时，液体介质内会由于各种原因产生气泡，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：如：电子电流加热液体，分解出气体；电子电流加热

34、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，当静电斥力，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；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。由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡比，气泡 r r=1=1，小于液体的，小于液体的 r r ，因而气泡承担比液体更，因而气泡承担比液体更高的场强，偏偏气体耐电强度又低，所以气泡先行电离，高的场强，偏偏气体耐电强度

35、又低，所以气泡先行电离，一旦一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通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道内发生 /22二、非纯净液体电介质的小桥击穿理论(a)(a)形成形成“小桥小桥”(b)”(b)未形成未形成“小桥小桥”受潮纤维在电极间定向示意图液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的沿电力线方向排列成杂质的“小桥，由于水和纤维的介电常小桥，由于水和纤维的介电常数分别为数分别为8181和和6-76-7，比油的介电常数，比油的介电常数1.8-2.81.8-2.8大得多，从大得多

36、，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥/22v“小桥理论小桥理论”v工程上所用的液体介质中总难免会混入一些杂质，工程上所用的液体介质中总难免会混入一些杂质，如变压器油中常因受潮而含有水分，还有从固体绝如变压器油中常因受潮而含有水分，还有从固体绝缘材料中脱落的纤维或其他杂质，当油中含有水分缘材料中脱落的纤维或其他杂质，当油中含有水分和纤维时，由于水和纤维的介电常数很大，尤其是和纤维时，由于水和纤维的介电常数很大，尤其是纤维吸潮后，很容易沿电场方向极化定向排列，排纤维吸潮后，很容易沿电场方向极化定向排列，排列成杂质小桥，并在电极间形成电导较大的

37、通道，列成杂质小桥，并在电极间形成电导较大的通道，引起泄漏电流增大，温度升高，促使油和水分汽化，引起泄漏电流增大，温度升高，促使油和水分汽化，气泡扩大，最后击穿。气泡扩大，最后击穿。v判断变压器油的质量，主要依靠测其电判断变压器油的质量，主要依靠测其电气强度、气强度、和含水量等。和含水量等。v在不均匀电场中，间隙中强电场出发生在不均匀电场中，间隙中强电场出发生的局部放电使液体介质发生波动，杂质的局部放电使液体介质发生波动，杂质不易搭成小桥，液体的击穿电压受到杂不易搭成小桥，液体的击穿电压受到杂质的影响减小，不能正确判断油的品质，质的影响减小，不能正确判断油的品质，所以必须作成均匀电场。所以必须

38、作成均匀电场。v在标准试油杯中，液体（变压器油）的在标准试油杯中，液体（变压器油）的击穿电压为击穿电压为20-60KV，其平均击穿场强，其平均击穿场强为为20-60KV/0.25cm=80-240KV/cm。而。而均匀电场中空气的击穿场强均匀电场中空气的击穿场强30KV/cm，所以气体的击穿场强比液体的低很多。所以气体的击穿场强比液体的低很多。v三、变压器油击穿电压的影响因素及其提高三、变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法的方法v(一一)水分和其他杂质水分和其他杂质v水在变压器油中有两种状态：水在变压器油中有两种状态：v 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

39、；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。溶解状态的水分只要不因含水量过大而使油的电导显著增加，溶解状态的水分只要不因含水量过大而使油的电导显著增加，对油的击穿电压影响不大。悬浮状态的小水滴能够在电场作对油的击穿电压影响不大。悬浮状态的小水滴能够在电场作用下极化并在极间排成导电的用下极化并在极间排成导电的“小桥小桥”，使油的击穿电压显，使油的击穿电压显著下降。著下降。从图中可见，变压器油的含水量仅达到十万分之几时，变压从图中可见，变压器油的含水量仅达到十万分之几时，变压器油的击穿电压就显著降低。当含水量超过器油的击穿电压就显著降低。当含水量超过0.02%时，多

40、余时，多余的水分常沉积在容器的底部，故对油的击穿电压进一步降低的水分常沉积在容器的底部，故对油的击穿电压进一步降低是有一定限度的。是有一定限度的。(二二)油温油温温度对液体击穿电压的影响与水分的状态密切相关。温度对液体击穿电压的影响与水分的状态密切相关。1、当温度由、当温度由00C开始逐渐上升时，水在油中的溶解度逐渐增大，原来悬浮开始逐渐上升时，水在油中的溶解度逐渐增大，原来悬浮状态的水分逐渐转化为溶解状态，使油的击穿电压逐渐升高。状态的水分逐渐转化为溶解状态，使油的击穿电压逐渐升高。2、当温度超过、当温度超过800C时，温度再升高，则水分开始汽化，油也开始汽化，产时，温度再升高，则水分开始汽

41、化，油也开始汽化，产生气泡，使击穿电压降低，从而在生气泡，使击穿电压降低，从而在60-800C的范围内出现最大值。的范围内出现最大值。3、在、在0-50C时，油中水分是悬浮状态的，击穿电压最低。时，油中水分是悬浮状态的，击穿电压最低。4、温度再降低，水将结成冰粒，油也将逐渐凝固，使击穿电压提高。、温度再降低，水将结成冰粒，油也将逐渐凝固，使击穿电压提高。v(三三)电场均匀度电场均匀度优质油：优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使保持油不变，而改善电场均匀度，能使工工频击穿电压频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。压。品质差的油：品质差的油：改善电

42、场对于提改善电场对于提 高其高其工频击穿电压工频击穿电压的的效果较差。效果较差。v在在冲击电压冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善下，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，而与油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。的品质好坏几乎无关。v(四四)电压作用时间电压作用时间v 油隙的击穿电压会随电压作用时油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。响油的击穿性质。v从图从图320的两条曲线可以看出：的两条曲线可以看出：在电压作用时间短至几个微秒时击穿在电压作用时间短至几个微

43、秒时击穿电压很高，击穿有时延特性，属电击电压很高，击穿有时延特性，属电击穿；穿；电压作用时间为数十到数百微秒时，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；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，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。穿电压再度下降，为热击穿。v（五）油压的影响（五）油压的影响v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不论电场均匀

44、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，这是因为油中气泡的电离电压增高和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溶解度增大的缘故。气体在油中的溶解度增大的缘故。六、提高液体介质击穿电压的措施六、提高液体介质击穿电压的措施措施：措施：1、提提高高液液体体品品质质（1）过过滤滤。在在油油中中先先加加入入白白土土、硅硅胶胶等等吸吸附附剂剂后后用用滤滤油油机机滤滤纸纸阻阻隔隔油油中中的的纤纤维维等等固固态态杂杂物物，吸吸收收部部分分水水分分等等液液体体杂杂质质；（2）干干燥燥。绝绝缘缘及及夹夹件件、绕绕组组等等浸浸油油前前必必须须烘烘干干，必必要要时时采采用

45、用真真空空干干燥燥法法去去除除水水分分，在在油油箱箱呼呼吸吸器器的的空空气气入入口口处处放放干干燥燥剂。剂。2、限限制制小小桥桥的的形形成成（1）覆覆盖盖。在在电电场场中中曲曲率率半半径径小小的的电电极极上上覆覆盖盖很很薄薄的的电电缆缆纸纸（或或黄黄蜡蜡布布或或涂涂漆漆膜膜），组组成成油油纸纸绝绝缘缘组组合合。在在均均匀匀电电场场中中覆覆盖盖能能够够使使击击穿穿电电压压提提高高70%100%，在在极极不不均均匀匀电电场场中中能能够够提提高高10%15%，所所以以充充油油设设备备中中很很少少采采用用裸裸导导体体的的。（2）绝绝缘层。（缘层。（3）屏障。）屏障。途径：提高液体的品质，限制小桥的形成

46、。途径：提高液体的品质，限制小桥的形成。第三节第三节 固体介质的击穿固体介质的击穿v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 v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v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）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）实际电气设备中的固体击穿过程是错综复杂的，常取决于下实

47、际电气设备中的固体击穿过程是错综复杂的，常取决于下列多种因素：列多种因素：介质本身的特性介质本身的特性绝缘结构型式绝缘结构型式电场均匀度电场均匀度外加电压波形外加电压波形加压时间加压时间工作环境工作环境 v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、布和纸、布和纤维板纤维板)以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但在工作电压的长期作用下，会产生很高，但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电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。度下降。v 所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅所以，对这类绝缘材料或绝缘结构

48、，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。长期工作电压下的耐电性能。v一、固体介质的击穿理论一、固体介质的击穿理论v(一一)电击穿理论电击穿理论v1、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介、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。质破坏并丧失绝缘性能的现象。v2、在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部、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，固体介质的击穿通常为电击穿，不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强可达击穿场强可

49、达105-106kV/m。v3、电击穿的主要特征：、电击穿的主要特征：v 与周围环境温度有关；与周围环境温度有关；v 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；v 介质发热不显著；介质发热不显著；v 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。v(二二)热击穿理论热击穿理论 热击穿的概念：由于介质损耗的存在，固体电介质由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。在

50、电介质不断发热升温的同时，也热也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。存在一个通过电极及其它介质向外不断散热的过程。如果同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断如果同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称电介质的热击穿过程。过程称电介质的热击穿过程。热击穿的理论分析电压：电压：U1U1U2U2U3U3曲线曲线1,2,3 1,2,3：电介质发热量电介质发热量Q Q与介质中最高温度与介质中最高温度tmtm的关系的关系 直线直线4 4：表示固体介质中最高温度大