液體與固體介質(zhì)的電氣特性(2016luo)

1、第五章第五章 液體和固體液體和固體介質(zhì)的電氣特性介質(zhì)的電氣特性一、電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗一、電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗二、液體介質(zhì)的擊穿二、液體介質(zhì)的擊穿三、固體介質(zhì)的擊穿三、固體介質(zhì)的擊穿四、組合絕緣的特性四、組合絕緣的特性五、絕緣的老化五、絕緣的老化液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣內(nèi)絕緣，常用的液體和固體介質(zhì)為：常用的液體和固體介質(zhì)為：液體介質(zhì)液體介質(zhì)：變壓器油、電容器油、電纜油：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質(zhì)固體介質(zhì)：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠玻璃、硅橡膠 電介質(zhì)的概念電介質(zhì)的概念：物理特性上具

2、有絕緣體無(wú)傳導(dǎo)電子的結(jié)構(gòu)，：物理特性上具有絕緣體無(wú)傳導(dǎo)電子的結(jié)構(gòu)，在外電場(chǎng)作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化在外電場(chǎng)作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(極化極化)，并且反過(guò)來(lái)影響，并且反過(guò)來(lái)影響外電場(chǎng)的固體、液體和氣體物質(zhì)總稱為電介質(zhì)。外電場(chǎng)的固體、液體和氣體物質(zhì)總稱為電介質(zhì)。 電介質(zhì)的地位電介質(zhì)的地位：電介質(zhì)與導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁體等作為材料，：電介質(zhì)與導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁體等作為材料，在電工電子工程領(lǐng)域中占有重要的地位。在電工電子工程領(lǐng)域中占有重要的地位。 為什么要討論電介質(zhì)為什么要討論電介質(zhì)：電介質(zhì)放入外電場(chǎng)后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受：電介質(zhì)放入外電場(chǎng)后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受外電場(chǎng)的作用而發(fā)生變化，并且反過(guò)來(lái)影響外電場(chǎng)，外電場(chǎng)的作用而發(fā)生變

3、化，并且反過(guò)來(lái)影響外電場(chǎng)，使原使原來(lái)的電場(chǎng)分布發(fā)生變化來(lái)的電場(chǎng)分布發(fā)生變化，同時(shí)也使其它的物理性能發(fā)生變，同時(shí)也使其它的物理性能發(fā)生變化。因此，有必要對(duì)變化后的物理量進(jìn)行討論?；?。因此，有必要對(duì)變化后的物理量進(jìn)行討論。電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過(guò)程，也歸入電介質(zhì)。極化過(guò)程，也歸入電介質(zhì)。 電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場(chǎng)作用下的：電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場(chǎng)作用下的： 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能 介電性能介電性能 電氣強(qiáng)度電氣強(qiáng)度描述電介質(zhì)電氣

4、特性的描述電介質(zhì)電氣特性的4大參數(shù)：大參數(shù)：電導(dǎo)率電導(dǎo)率 （絕緣電阻率（絕緣電阻率）介電常數(shù)介電常數(shù) 介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切 tan擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng) Eb5.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化5.1 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗 分子由原子或離子組成；氣體、液體和固體三種分子由原子或離子組成；氣體、液體和固體三種聚集態(tài)由原子、離子或分子組成。聚集態(tài)由原子、離子或分子組成。 鍵：鍵：質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合方式質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合方式，分子和三種聚集態(tài)的性，分子和三種聚集態(tài)的性質(zhì)與鍵的形式有關(guān)。質(zhì)與鍵的形式有關(guān)。電介質(zhì)的極性和分類分子鍵：分子鍵：分子與分子間的分子與分子間的結(jié)合力。分子以相互

5、間的結(jié)合力。分子以相互間的吸引力結(jié)合在一起，形成分子鍵。吸引力結(jié)合在一起，形成分子鍵?；瘜W(xué)鍵：化學(xué)鍵：分子內(nèi)分子內(nèi)相鄰原子間的結(jié)合力，分為相鄰原子間的結(jié)合力，分為離子鍵離子鍵和共價(jià)鍵。和共價(jià)鍵。分子的化學(xué)鍵類型，取決于分子的原子間電負(fù)性的分子的化學(xué)鍵類型，取決于分子的原子間電負(fù)性的大小。（電負(fù)性是指原子獲得電子的能力）大小。（電負(fù)性是指原子獲得電子的能力）（1）離子鍵）離子鍵電負(fù)性相差很大的原子電負(fù)性相差很大的原子相遇，原子間發(fā)生電子相遇，原子間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，電負(fù)性小的原子失去電子成為正離子；電負(fù)轉(zhuǎn)移，電負(fù)性小的原子失去電子成為正離子；電負(fù)性大的原子得到電子成為負(fù)離子。正負(fù)離子性大的原子得到電

6、子成為負(fù)離子。正負(fù)離子通過(guò)靜通過(guò)靜電引力電引力結(jié)合成分子。即結(jié)合成分子。即正負(fù)離子間形成離子鍵正負(fù)離子間形成離子鍵。大多數(shù)無(wú)機(jī)電介質(zhì)都是靠離子鍵結(jié)合起來(lái)的大多數(shù)無(wú)機(jī)電介質(zhì)都是靠離子鍵結(jié)合起來(lái)的，如玻璃、云母等。如玻璃、云母等。（2）共價(jià)鍵）共價(jià)鍵由由電負(fù)性相等或相差不大電負(fù)性相等或相差不大的兩個(gè)或多個(gè)原子通過(guò)的兩個(gè)或多個(gè)原子通過(guò)共用電子對(duì)共用電子對(duì)結(jié)結(jié)合成分子，稱共價(jià)鍵。有機(jī)電介質(zhì)都是由共價(jià)鍵結(jié)合而成，某合成分子，稱共價(jià)鍵。有機(jī)電介質(zhì)都是由共價(jià)鍵結(jié)合而成，某些無(wú)機(jī)晶體如金鋼石也是共價(jià)鍵。些無(wú)機(jī)晶體如金鋼石也是共價(jià)鍵。非極性共價(jià)鍵：非極性共價(jià)鍵：電負(fù)性相同的原子電負(fù)性相同的原子組成的共價(jià)鍵。分子

7、正、負(fù)組成的共價(jià)鍵。分子正、負(fù)電荷中心重合。由非極性共價(jià)鍵構(gòu)成電荷中心重合。由非極性共價(jià)鍵構(gòu)成非極性分子非極性分子。極性共價(jià)鍵：極性共價(jià)鍵：電負(fù)性不同的原子電負(fù)性不同的原子組成的共價(jià)鍵。分子正、負(fù)電組成的共價(jià)鍵。分子正、負(fù)電荷中心不重合。由極性共價(jià)鍵構(gòu)成荷中心不重合。由極性共價(jià)鍵構(gòu)成極性分子極性分子。u 電介質(zhì)的分類（根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)）：分子及各聚集態(tài)（氣、液、固態(tài)）的性質(zhì)和它的鍵的形式密切有關(guān)離子鍵（強(qiáng)極性鍵）強(qiáng)極性分子共價(jià)鍵正、負(fù)離子之間形成很大的鍵矩原子電負(fù)性相同非極性鍵非極性分子共同電子對(duì)的電子云對(duì)稱分布在兩個(gè)原子核中間原子電負(fù)性不同極性鍵一個(gè)極性鍵組成結(jié)構(gòu)對(duì)稱多個(gè)極性鍵組成極性分子結(jié)構(gòu)不

8、對(duì)稱化學(xué)鍵極性分子非極性分子u 極性分子（正、負(fù)電荷作用中心永不重合）極性電介質(zhì)：環(huán)氧樹脂、三氯聯(lián)苯u 非極性分子（正、負(fù)電荷作用中心重合） 非極性電介質(zhì)：聚四氟乙烯、氮?dú)鈛 偶極子大小相等，符號(hào)相反，彼此相距為d的兩電荷（q，q）所組成的系統(tǒng)。p 偶極子的極性，大小和方向常用偶極矩來(lái)表示。偶極矩的方向由負(fù)電荷指向正電荷，其大小為每個(gè)電荷的電量乘以正、負(fù)電荷間的距離。+q-qd電介質(zhì)的分類電介質(zhì)的分類根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)分為三類：分為三類： 非極性電介質(zhì)非極性電介質(zhì)由非極性分子組成的電介質(zhì)。由非極性分子組成的電介質(zhì)。 極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)由極性分子組成的電介質(zhì)。由極性分子組成的電介質(zhì)。 離

9、子性電介質(zhì)離子性電介質(zhì)分子由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)，只有固體形式。分子由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)，只有固體形式。電介質(zhì)的極化極化的概念和相對(duì)介電常數(shù) 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場(chǎng)方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。u 實(shí)驗(yàn)顯示，加同樣大小直流電壓Up 極板中為真空時(shí)：極板上電荷量為Q0；p 極板中為固體介質(zhì)時(shí)：極板上電荷量增加了，為Q0+Q問題:為什么極板中為固體介質(zhì)時(shí)，電荷量會(huì)增加？固體電介質(zhì)加電場(chǎng)固體中原來(lái)彼此中和的正負(fù)電荷產(chǎn)產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象現(xiàn)象同量的負(fù)電荷在極板上吸引出同量的正電荷正電荷靠近負(fù)極板負(fù)電荷靠近正極板同量的正電荷

10、在極板上吸引出同量的負(fù)電荷增加了極板上的電荷量u 電介質(zhì)的極化導(dǎo)致了極板上電荷量的增加電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場(chǎng)電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場(chǎng)方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。介電常數(shù)介電常數(shù)用來(lái)表用來(lái)表示極化的強(qiáng)弱。示極化的強(qiáng)弱。 極化的總效果是在介質(zhì)邊緣出現(xiàn)電荷分布，這些電荷仍束縛在極化的總效果是在介質(zhì)邊緣出現(xiàn)電荷分布，這些電荷仍束縛在每個(gè)分子中，稱為每個(gè)分子中，稱為束縛電荷束縛電荷或極化電荷?；驑O化電荷。u 極間為真空時(shí)極板的電容：000QACUd u 極間為固體介質(zhì)時(shí),電容量將增大為：p

11、Q是由電介質(zhì)極化引起的束縛電荷0QQACUd 介質(zhì)的介電常數(shù)0真空的介電常數(shù) A極板面積，cm2 d極間距離，cm 相對(duì)介電常數(shù)ru r是反映電介質(zhì)極化特性的一個(gè)物理量。表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度。p 介電常數(shù)越大，表明介質(zhì)越容易極化p 氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近1，液體和固體多在26之間（表5-1）。0000rQQCCQ 電介質(zhì)極化的種類 電子式極化p 在外電場(chǎng) 的作用下，介質(zhì)原子中的電子軌道將相對(duì)于原子核發(fā)生彈性位移。正負(fù)電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應(yīng)偶極矩，即對(duì)外顯出電性，發(fā)生極化。E u 極化機(jī)理 電子式極化存在于一切氣體、液體

12、和固體電介質(zhì)中； 完成極化需要的時(shí)間極短10-1410-15s，r與電源頻率無(wú)關(guān)； 極化具有彈性，即外電場(chǎng)消失，整體恢復(fù)中性。所以電子式極化不產(chǎn)生能量損耗，不會(huì)使介質(zhì)發(fā)熱； 溫度對(duì)極化影響小。u 電子式極化的特點(diǎn) 離子式極化p 無(wú)外電場(chǎng)時(shí)：晶體的正、負(fù)離子對(duì)稱排列，各個(gè)離子對(duì)的偶極矩互相抵消，故平衡極矩為零。p 在出現(xiàn)外電場(chǎng)后：正、負(fù)離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質(zhì)呈現(xiàn)極化。u 極化機(jī)理 離子式極化存在于一些固體無(wú)機(jī)化合物中，如云母，陶瓷等； 極化需要的時(shí)間極短10-15s，r與電源頻率無(wú)關(guān)； 極化具有彈性，不產(chǎn)生能量損耗。 溫度對(duì)離子式極化的影響，存在相反的兩種作用p注意

13、：通常前一種影響較大，r一般具有正的溫度系數(shù)。溫度升高：離子間的結(jié)合力減小極化程度增強(qiáng)；溫度升高：離子的密度減小極化程度減弱。u 離子式極化的特點(diǎn) 偶極子極化p 無(wú)外電場(chǎng)時(shí)：極性分子的偶極子因熱運(yùn)動(dòng)而雜亂無(wú)序的排列著，宏觀電矩為零，整個(gè)介質(zhì)對(duì)外不表現(xiàn)出極性；p 在出現(xiàn)外電場(chǎng)后：雜亂的偶極子將沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，有規(guī)則的排列，顯示出極性。介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)與外加電場(chǎng)相反。u 極化機(jī)理 極化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)10-1010-2s，r與頻率有較大關(guān)系u 偶極子極化的特點(diǎn)u 頻率太高時(shí)，偶極子將來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，r 值變小p 其中：r0相當(dāng)于直流電場(chǎng)下的相對(duì)介電常數(shù)；p f f1 以后偶極子將越來(lái)越跟不上電場(chǎng)的交變，r值不

14、斷下降；p f f2 時(shí)，偶極子已完全不跟著電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)了，這時(shí)只存在電子式極化，r減小到r 。 偶極子極化非彈性，產(chǎn)生能量損耗；p 極化中偶極子旋轉(zhuǎn)要克服分子間的作用力，而消耗的電場(chǎng)能量在復(fù)原時(shí)無(wú)法收回 溫度對(duì)偶極子極化影響大 對(duì)于極性氣體介質(zhì)p 溫度分子熱運(yùn)動(dòng)加劇阻礙偶極子排列極化 對(duì)于極性液體和固體介質(zhì)（雙向作用）p 低溫下隨溫度的升高分子間聯(lián)系減弱偶極子轉(zhuǎn)向容易極化加強(qiáng)p 但當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向極化減弱溫度較低時(shí)，液體和固體介質(zhì)的分子間聯(lián)系緊溫度較低時(shí)，液體和固體介質(zhì)的分子間聯(lián)系緊密，不易極化。溫度較高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，妨密，不易極化。溫度較高時(shí)，分子熱運(yùn)

15、動(dòng)加劇，妨礙極性分子沿電場(chǎng)方向取向，所以礙極性分子沿電場(chǎng)方向取向，所以隨溫度增加極化隨溫度增加極化程度先增加后降低。程度先增加后降低。 夾層極化p 高電壓設(shè)備的絕緣往往是由幾種不同材料組成或介質(zhì)是不均勻的 p 當(dāng)外電場(chǎng)加在由不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結(jié)構(gòu)上，各層電壓將從開始時(shí)按介電常數(shù)分布逐漸過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)按電導(dǎo)率分布。p 在電壓重新分配的過(guò)程中，夾層界面上會(huì)積聚起一些電荷，使整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這種極化稱為夾層極化。u 夾層極化的概念u 極化機(jī)理直流電壓下1122設(shè)、兩種介質(zhì)面積厚度相等，外加電壓為直流電壓U t=0，合閘瞬間，電容開始充電：電壓分配與電容成反比12210t

16、UCUC t=，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電容充電完畢：電壓分配與電導(dǎo)成反比1221tUGUG電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)電導(dǎo)率直流電壓下1122電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)電導(dǎo)率u 若介質(zhì)為單一均勻的，12、C1=C2、G1=G2則：p 即合閘后，不會(huì)產(chǎn)生電壓重新分配11220ttUUUU u 若介質(zhì)為不均勻，12、C1C2、G1G2則：p 即合閘后，兩層介質(zhì)電壓要重新分配，即C1、C2上電荷重新分配11220ttUUUU p 吸收電荷：t =0后，隨時(shí)間增大，U1減小而U2 增大，總的電壓U保持不變。即C1上一部分電荷要通過(guò)G1放掉，而C2要從電源再吸收一部分電荷，這一部分電荷稱為吸收電荷。直流電壓下1122p 吸收

17、過(guò)程：由于夾層的存在，使得在介質(zhì)分界面上出現(xiàn)吸收電荷，整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這一過(guò)程稱為吸收過(guò)程 。p 夾層極化：吸收過(guò)程完畢，極化過(guò)程結(jié)束，因而該極化稱為夾層極化。u若設(shè)C1C2、G1G2則：pt = 0時(shí)：U1U2 ；pt 時(shí)：U1 U2 。u 夾層極化的特點(diǎn) 極化時(shí)間緩慢10-1s數(shù)小時(shí)，夾層極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來(lái)； 極化非彈性，產(chǎn)生能量損耗。討論電介質(zhì)極化的意義選擇絕緣u 在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)rp 對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r較大的介質(zhì)p 對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇r較小的介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗與極化形式有關(guān)

18、，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個(gè)重要因數(shù)。p介質(zhì)損耗越大，絕緣材料越易劣化，老化，而被擊穿。對(duì)于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層場(chǎng)強(qiáng)分布與其r成反比，要注意選擇r，使各層介質(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用1221EE p 若絕緣中存在氣泡，由于氣體的r是最小的，所以氣泡將承受較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，首先在氣泡處發(fā)生游離，引起局部放電，使整體材料的絕緣能力降低。如采用油浸方式能改善電場(chǎng)分布。p 在電纜芯處使用r較大的材料，可減小電纜芯處場(chǎng)強(qiáng)，電纜中電場(chǎng)分布均勻一些，從而提高整體的耐電強(qiáng)度。在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，夾層極化現(xiàn)象可用來(lái)判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等大電容量設(shè)備時(shí)，須特別注意

19、吸收電荷對(duì)人身安全的威脅。p 夾層極化吸收過(guò)程要經(jīng)過(guò)C1、C2和G1、G2進(jìn)行，其放電時(shí)間常數(shù)為 =(C1+C2)(G1+G2)。由于電導(dǎo)G的數(shù)值很小，因而時(shí)間常數(shù) 很大，極化速度非常緩慢。當(dāng)介質(zhì)受潮，電導(dǎo)增大， 將大大降低，極化速度加快。p 同理，去掉外加電壓之后，介質(zhì)內(nèi)部電荷釋放也是十分緩慢的。因此，對(duì)使用過(guò)的大電容量設(shè)備，應(yīng)將兩極短接充分放電，以免過(guò)一定時(shí)間后吸收電荷陸續(xù)釋放出來(lái)，危及人身安全。電介質(zhì)電導(dǎo)的概念和電導(dǎo)率u 電介質(zhì)的電導(dǎo)過(guò)程在電介質(zhì)內(nèi)部或多或少存在數(shù)量很小的帶電粒子，它們?cè)陔妶?chǎng)作用下會(huì)不同程度的作定向移動(dòng)而形成傳導(dǎo)電流的物理現(xiàn)象。p 電介質(zhì)中的傳導(dǎo)電流含泄漏電流和吸收電流兩

20、個(gè)分量 泄漏電流由介質(zhì)中自由的或聯(lián)系弱的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)形成的； 吸收電流電介質(zhì)極化形成。u 描述電導(dǎo)的物理量電導(dǎo)率或電阻率5.1.2 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別 電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由離子造成的，包括介質(zhì)本身和電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由離子造成的，包括介質(zhì)本身和雜質(zhì)分子離解出的離子（主要是雜質(zhì)離子），所以電雜質(zhì)分子離解出的離子（主要是雜質(zhì)離子），所以電介質(zhì)電導(dǎo)是介質(zhì)電導(dǎo)是離子性電導(dǎo)離子性電導(dǎo)；而金屬的電導(dǎo)是由金屬導(dǎo)體；而金屬的電導(dǎo)是由金屬導(dǎo)體中的自由電子造成的，所以是中的自由電子造成的，所以是電子性電導(dǎo)電子性電導(dǎo)。 電介質(zhì)的電導(dǎo)很小，

21、其電阻率一般為電介質(zhì)的電導(dǎo)很小，其電阻率一般為1091022cm; ;而金屬的電導(dǎo)很大，其電阻率僅為而金屬的電導(dǎo)很大，其電阻率僅為10-610-2cm。 電介質(zhì)的電導(dǎo)具有正的溫度系數(shù)電介質(zhì)的電導(dǎo)具有正的溫度系數(shù)，即隨溫度的升高而，即隨溫度的升高而增大；而金屬的電阻隨溫度的升高而升高，即其電導(dǎo)增大；而金屬的電阻隨溫度的升高而升高，即其電導(dǎo)隨溫度的升高而下降，因此具有負(fù)的溫度系數(shù)。隨溫度的升高而下降，因此具有負(fù)的溫度系數(shù)。ekTA液體與固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率液體與固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系與溫度關(guān)系電介質(zhì)電導(dǎo)的特性電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo) p 電介質(zhì)中少量的帶電粒子主要是離子；金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)性質(zhì)為電

22、子式電導(dǎo)，帶電粒子為金屬中的大量自由電子。 溫度的影響p 溫度升高分子離解度增大電介質(zhì)中離子數(shù)增多，遷移率增大電導(dǎo)率增大p 固體、液體介質(zhì)電導(dǎo)率與溫度T的關(guān)系BTAe A、B介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)T 絕對(duì)溫度，單位為K泄漏電流和絕緣電阻 電介質(zhì)電流的組成UI電路R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3u介質(zhì)等值電路i1i3i2i= i1 +i2 + i3I606015I15i t(s)流過(guò)電介質(zhì)電流p C1：純電容支路，代表介質(zhì)的無(wú)損極化過(guò)程，流過(guò)的電流i1 ；p C2R2：有損極化電流支路，流過(guò)電流i2 ； p R3 ：電導(dǎo)電流支路，代表介質(zhì)的電導(dǎo)損耗過(guò)程，流過(guò)的電流為i3。R3C1R2C

23、2 i=i1+i2+i3i1i2i3ui1i3i2i= i1 +i2 + i3I606015I15i t(s)u介質(zhì)總電流 i 由三部分組成 i1純電容電流（無(wú)損極化）p由電極間電容C1及介質(zhì)中的無(wú)損極化決定，存在時(shí)間很短，很快衰減到零； i2吸收電流（有損極化）p由介質(zhì)的有損極化過(guò)程所決定，其存在時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘 i3電導(dǎo)電流（泄漏電流）p趨向穩(wěn)定的電流，不隨時(shí)間而變，與絕緣電阻相對(duì)應(yīng)，服從歐姆定律 絕緣電阻u 絕緣電阻泄漏電流對(duì)應(yīng)的電阻3URiu 絕緣電阻的測(cè)量p 加直流電壓1分鐘后，極化過(guò)程結(jié)束，僅存電導(dǎo)過(guò)程，此時(shí)流過(guò)介質(zhì)的電流為泄漏電流，對(duì)應(yīng)電阻為絕緣電阻u 絕緣電阻的組

24、成p 包括了絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻 式中 R1體積絕緣電阻； R2表面絕緣電阻。 介質(zhì)的絕緣電阻決定了介質(zhì)中的泄漏電流 泄漏電流大介質(zhì)發(fā)熱加快絕緣介質(zhì)的老化 一般所指泄漏電流是流過(guò)介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，相應(yīng)的絕緣電阻是體積絕緣電阻，以此來(lái)反映介質(zhì)內(nèi)部的情況1212R RRRR固體電介質(zhì)的電導(dǎo)分固體電介質(zhì)的電導(dǎo)分體積電導(dǎo)體積電導(dǎo)和和表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)，分別，分別表示固體電介質(zhì)的內(nèi)部和表面在電場(chǎng)中傳導(dǎo)電流的能力。表示固體電介質(zhì)的內(nèi)部和表面在電場(chǎng)中傳導(dǎo)電流的能力。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)固體電介質(zhì)的電導(dǎo)中性或弱極性固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)主要由雜中性或弱極性固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)主要由雜質(zhì)離子造成電導(dǎo)。

25、質(zhì)離子造成電導(dǎo)。極性固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)由雜質(zhì)離子及本身極性固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)由雜質(zhì)離子及本身離解的離子共同決定電導(dǎo)。離解的離子共同決定電導(dǎo)。離子性固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)由離子在熱運(yùn)動(dòng)離子性固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)由離子在熱運(yùn)動(dòng)影響下脫離晶格移動(dòng)所致。影響下脫離晶格移動(dòng)所致。體積電導(dǎo)體積電導(dǎo)固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引起，起，介質(zhì)表面干燥、清潔時(shí)電導(dǎo)很小介質(zhì)表面干燥、清潔時(shí)電導(dǎo)很小。親水性電介質(zhì)親水性電介質(zhì)的表面電導(dǎo)大，且受環(huán)境濕度的影響大。的表面電導(dǎo)大，且受環(huán)境濕度的影響大。（極性和離子性電介質(zhì)都屬于親水性材料）（極性和離子性電

26、介質(zhì)都屬于親水性材料）憎水性電介質(zhì)憎水性電介質(zhì)的表面電導(dǎo)小，且受環(huán)境濕度的影響小。的表面電導(dǎo)小，且受環(huán)境濕度的影響小。（非極性和弱極性電介質(zhì)如石蠟、硅橡膠、硅樹脂等都屬于憎（非極性和弱極性電介質(zhì)如石蠟、硅橡膠、硅樹脂等都屬于憎水性材料）水性材料）表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)體積電阻率為：體積電阻率為：體積電導(dǎo)率為：體積電導(dǎo)率為：其中，其中， d（cm）為電介質(zhì)厚度，）為電介質(zhì)厚度， S（cm2）為電極表面積。）為電極表面積。（1）體積電阻）體積電阻vvSRdvvvv11 ddGR SS體積電阻的測(cè)量電路體積電阻的測(cè)量電路由電介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)電流由電介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)電流Iv 所決定的電阻為體積電阻所決定的電阻為體積

27、電阻Rv。屏蔽電極作用是為了將屏蔽電極作用是為了將流過(guò)介質(zhì)表面的電流與流過(guò)介質(zhì)表面的電流與介質(zhì)內(nèi)部的電流分開。介質(zhì)內(nèi)部的電流分開。表面電阻率為：表面電阻率為：表面電導(dǎo)率為：表面電導(dǎo)率為：其中，其中， d（cm）為電極距離，）為電極距離， l（cm2）為電極長(zhǎng)度。）為電極長(zhǎng)度。（2）表面電阻）表面電阻表面電阻的測(cè)量電路表面電阻的測(cè)量電路sslRdssss11 ddGR ll由電介質(zhì)表面電導(dǎo)電流由電介質(zhì)表面電導(dǎo)電流Is 所決定的電阻為表面電阻所決定的電阻為表面電阻Rs。討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，以絕緣電阻值判斷絕緣是否受潮或有其他劣化現(xiàn)象u 如絕緣良好，則R較大u 如絕緣受潮，則R較

28、小多層介質(zhì)在直流電壓下，電壓分布與電導(dǎo)成反比，故設(shè)計(jì)用于直流的設(shè)備要注意所用介質(zhì)的電導(dǎo)，應(yīng)使材料使用合理。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮絕緣的使用環(huán)境，特別是濕度的影響。u 有時(shí)需要作表面防潮處理，如在膠布（或紙）筒外表面刷環(huán)氧漆，絕緣子表面涂硅有機(jī)物或地蠟等。對(duì)某些能量較小的電源，如靜電發(fā)生器等，要注意減小絕緣材料表面泄漏電流以保證得到高電壓u 電流若從外部流過(guò)，電壓會(huì)有損失不是所有的情況下均要求絕緣電阻值高，有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。u 在高壓套管法蘭附近涂半導(dǎo)體釉等，是為了改善電壓分布，提高沿面放電電壓，消除電暈。 電介質(zhì)損耗的概念和介質(zhì)損耗角正切 電介質(zhì)損耗的形式電導(dǎo)損耗p 在直流電壓下，無(wú)周期性

29、極化過(guò)程，當(dāng)外施電壓低于發(fā)生局部放電電壓時(shí)，介質(zhì)中損耗由電流流過(guò)電阻引起。 極化損耗p 在交流電壓下，除了電導(dǎo)損耗外，還由于存在周期性極化引起的能量損耗 。氣體電離損耗u 電介質(zhì)損耗介質(zhì)在交、直流電壓下的有功功率損耗5.1.3 電介質(zhì)的能量損耗電介質(zhì)的能量損耗 介質(zhì)損耗角正切直流電壓下p 電介質(zhì)中沒有周期性的極化過(guò)程，當(dāng)外施電壓低于發(fā)生局部放電電壓時(shí)，介質(zhì)中的損耗將僅由電導(dǎo)損耗組成。p 物理量用電導(dǎo)率表達(dá)，不必再引入介質(zhì)損耗這個(gè)概念了。交流電壓下p 除了電導(dǎo)損耗外，還由于存在周期性極化引起的能量損耗。p 引入一個(gè)新物理量：損耗角正切（tan）加交流電壓，由于介質(zhì)中有損耗，電流不是純電容電流，分

30、為兩個(gè)分量： 式中 有功電流分量； 無(wú)功電流分量。.rcIII .cI.rIu 交流電壓下介質(zhì)損耗的分析接線圖 相量圖介質(zhì)損耗功率（有功功功率損耗）cosrcPUIUIUI tg 1()cUIU CC 2PUCtg 式中：電源角頻率； 功率因數(shù)角； 介質(zhì)損耗角; C電介質(zhì)等值電容.u 用介質(zhì)損耗P來(lái)表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的 p P值與試驗(yàn)電壓的平方和電源頻率成正比，與試品尺寸、放置位置有關(guān)，不同試品之間難以進(jìn)行比較。u 對(duì)同類試品可直接用tg 來(lái)代替P值，對(duì)絕緣的優(yōu)劣進(jìn)行判斷 p 當(dāng)外加電壓和頻率一定時(shí)，P與介質(zhì)的物理電容C成正比，對(duì)一定結(jié)構(gòu)的試品而言，電容C是定值，P與tg成正比。u 定義

31、為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角的余角。p 介質(zhì)損失角正切值tg ，同r一樣，只取決于材料的特性，而與材料尺寸無(wú)關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)。2PUCtg URCIIIRICIRCPu 由向量圖：介質(zhì)損耗角正切 tg等于有功電流和無(wú)功電流的比值u 功率損耗為介質(zhì)損失角正切值tg 的計(jì)算u 采用并聯(lián)等值電路或串聯(lián)等值電路來(lái)分析 并聯(lián)等值電路電壓不變，分解電流/1RCPPIU RtgIU CC R 并并22PUPUC tgR 并并u 采用條件：介質(zhì)損耗主要由電導(dǎo)所引起 串聯(lián)等值電路UI UrUcsUI Csru 采用條件：介質(zhì)損耗主要由極化所引起u 介質(zhì)損耗角正切 tgu 功率損耗為 由于很小， cos

32、1/rSCsSUIrtgC rUIC 串串2222(cos)cosSSStgPI rUCUC tgC 串串StgrC cosCSSSIUCUC 由電流不變，分解電壓2SPUC tg 串串22PPSSPtgtgPPUC tgCCPUC tg 串串并并串串并并串串串串并并并并221SPSCCPtgC rrtgtgRC R 串串式式相相乘乘并并由于tg 1，所以rR氣體、液體和固體介質(zhì)的損耗 氣體介質(zhì)損耗u 氣體電介質(zhì)的極化率極小，所以在極化中不會(huì)引起損耗u 氣體中的tg 與電壓的關(guān)系p 當(dāng)外加電場(chǎng)不足以使氣體分子發(fā)生電離時(shí)，氣體中只有很小的電導(dǎo)損耗（tg 10-8)，工程中略去不計(jì)。p 當(dāng)外施電壓

33、U超過(guò)起始放電電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加。（氣體電離損耗） 液體介質(zhì)損耗p這類介質(zhì)中的損耗主要是電導(dǎo)損耗；p介質(zhì)損耗與溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的關(guān)系與電導(dǎo)和這些因素的關(guān)系相似；中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg 與溫度的關(guān)系示意圖 中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與電場(chǎng)的關(guān)系示意圖中性和弱極性液體介質(zhì)（變壓器油）p這類介質(zhì)中的損耗包括電導(dǎo)損耗和極化損托兩部分 極性液體介質(zhì)（蓖麻油）p較小時(shí)：偶極子跟得上電場(chǎng)的交變，極化充分發(fā)展，此時(shí)的r最大；但偶極子單位時(shí)間的轉(zhuǎn)向次數(shù)不多，因而極化損耗很小，tg也小，主要由電導(dǎo)損耗。p隨增大：轉(zhuǎn)向極化逐漸跟不上電場(chǎng)交變，r開始下降，但由于轉(zhuǎn)向頻率增大仍會(huì)使

34、極化損耗增加、tg增大。p當(dāng)偶極子完全來(lái)不及轉(zhuǎn)向時(shí)：r 值變得最小tg也變得很小u極性液體介質(zhì)中的損耗與頻率的關(guān)系 ru 極性液體介質(zhì)中的損耗與溫度的關(guān)系 p 當(dāng)tt1：極化損耗和電導(dǎo)損耗都較小，隨溫度的升高，液體的粘度減小，偶極子轉(zhuǎn)向極化增加，電導(dǎo)損耗也在增大，所以總的tg亦上升，tt1時(shí)為極大值；p 當(dāng)t1tt2：電導(dǎo)損耗隨溫度急劇上升，而極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而tg 隨t的上升而持續(xù)增大。 固體介質(zhì)損耗固體介質(zhì)分子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)離子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)強(qiáng)極性介質(zhì)工程中采用工程很少使用u 中性介質(zhì) p 無(wú)極化損耗，主要是電導(dǎo)損耗，通常很小。 如石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯

35、等，u 極性介質(zhì) p 有極化損耗和電導(dǎo)損耗，tg與溫度、頻率的關(guān)系與極性液體相似，tg 值較大，高頻下更為嚴(yán)重。 如纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機(jī)材料（聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等）分子式結(jié)構(gòu)（有機(jī)絕緣材料）u結(jié)構(gòu)緊密的不含雜質(zhì)的離子晶體u主要是由電導(dǎo)損耗， tg極小如云母，云母的電氣強(qiáng)度高，耐熱性能好，耐局部放電性能也好，故云母是優(yōu)良的絕緣材料，在高頻下也可使用。u結(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu) u有極化損耗和電導(dǎo)損耗，介質(zhì)的tg較大，但隨成分和結(jié)構(gòu)的不同， tg相差懸殊。如玻璃、陶瓷，離子式結(jié)構(gòu)（無(wú)機(jī)絕緣材料）不均勻結(jié)構(gòu)u 不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)的tg 取決于其中各成分的性能和數(shù)量

36、間的比例p 如電機(jī)絕緣中用的云母制品（是云母和紙或布以及環(huán)氧樹酯所組合的復(fù)合介質(zhì)）、油浸紙和膠紙絕緣等討論電介質(zhì)損耗的意義 設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意到絕緣材料的tg 值。p 若tg 過(guò)大會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱，使材料劣化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。 用于沖擊測(cè)量的連接電纜，其tg 必須要小，否則沖擊電壓波在其中傳播時(shí)將發(fā)生畸變，影響測(cè)量精度。 在絕緣試驗(yàn)中，tg 的測(cè)量是一項(xiàng)基本測(cè)試項(xiàng)目。p 當(dāng)絕緣受潮劣化或含有雜質(zhì)時(shí)，tg 將顯著增加，絕緣內(nèi)部是否存在局部放電，可通過(guò)測(cè)tg U的關(guān)系曲線加以判斷。 液體介質(zhì)主要有天然的礦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、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它

37、們對(duì)液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響。 一旦作用于固體和液體介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，在介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象就不再限于前面介紹的極化、電導(dǎo)和介質(zhì)損耗了。與氣體介質(zhì)相似，液體和固體介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)(高電壓)的作用下，也會(huì)出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的擊穿過(guò)程。5.2 液體介質(zhì)的擊穿液體介質(zhì)的擊穿 耐電強(qiáng)度：耐電強(qiáng)度：比氣體高，且具有絕緣、散熱、冷比氣體高，且具有絕緣、散熱、冷卻和滅弧作用。卻和滅弧作用。 擊穿理論研究現(xiàn)狀：擊穿理論研究現(xiàn)狀：遠(yuǎn)不及氣體介質(zhì)擊穿機(jī)理遠(yuǎn)不及氣體介質(zhì)擊穿機(jī)理研究，目前尚缺乏完善的擊穿理論。研究，目前尚缺乏完善的擊穿理論。 按擊穿機(jī)理分類：按擊穿機(jī)理分類：純凈的和工程用純凈的和工程用

38、( (非純凈非純凈) )。液體電介質(zhì)純凈的液體電介質(zhì)電擊穿理論小橋擊穿理論氣泡擊穿理論工程用液體電介質(zhì)（1）純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理）純凈的液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理 電擊穿理論：電擊穿理論：液體中因強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射等原因產(chǎn)生的電液體中因強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射等原因產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)中被加速，與液體分子發(fā)生碰撞電離。子在電場(chǎng)中被加速，與液體分子發(fā)生碰撞電離。因液體介質(zhì)的密度比氣體大得多，因液體介質(zhì)的密度比氣體大得多，電子運(yùn)動(dòng)的平電子運(yùn)動(dòng)的平均自由行程短，所以其擊穿場(chǎng)強(qiáng)比氣體高很多均自由行程短，所以其擊穿場(chǎng)強(qiáng)比氣體高很多。 氣泡擊穿理論：氣泡擊穿理論：當(dāng)外加電場(chǎng)較高時(shí)，液體介質(zhì)會(huì)當(dāng)外加電場(chǎng)較高時(shí)，液體介質(zhì)會(huì)由于各種原因產(chǎn)生

39、氣泡。由于串聯(lián)介質(zhì)中，場(chǎng)強(qiáng)由于各種原因產(chǎn)生氣泡。由于串聯(lián)介質(zhì)中，場(chǎng)強(qiáng)的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比，氣泡的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比，氣泡r =1， 小小于液體的于液體的r，因而，因而氣泡承擔(dān)比液體更高的場(chǎng)強(qiáng)，氣泡承擔(dān)比液體更高的場(chǎng)強(qiáng)，而氣體耐電強(qiáng)度又低，所以氣泡先行電離而氣體耐電強(qiáng)度又低，所以氣泡先行電離；然后；然后氣泡中氣體溫度升高體積膨脹，電離進(jìn)一步發(fā)展氣泡中氣體溫度升高體積膨脹，電離進(jìn)一步發(fā)展使油分解出氣體；一旦電離的氣泡在電場(chǎng)中堆積使油分解出氣體；一旦電離的氣泡在電場(chǎng)中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生。成氣體通道，則擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生。u 各種原因產(chǎn)生氣泡：p 電子電流加熱液體，分

40、解出氣體；p 電子碰撞液體分子，使之解離產(chǎn)出氣體；p 靜電斥力，電極表面吸附的氣泡表面積累電荷，當(dāng)靜電斥力大于液體表面張力時(shí)，氣泡體積變大；p 電極凸起處的電暈引起液體氣化。純凈液體電介質(zhì)的氣泡擊穿理論純凈液體電介質(zhì)的氣泡擊穿理論液體中出現(xiàn)氣泡液體中出現(xiàn)氣泡交流電壓下串聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度交流電壓下串聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度的分布與介質(zhì)的的分布與介質(zhì)的r成反比成反比氣泡氣泡r 最小，將承擔(dān)高場(chǎng)強(qiáng)，且最小，將承擔(dān)高場(chǎng)強(qiáng)，且電氣強(qiáng)度比液體介質(zhì)低很多電氣強(qiáng)度比液體介質(zhì)低很多氣泡先發(fā)氣泡先發(fā)生電離生電離氣泡電離后溫度氣泡電離后溫度上升、體積膨脹上升、體積膨脹、密度減小密度減小電離進(jìn)一步發(fā)展電離進(jìn)一步發(fā)展電離產(chǎn)生的

41、帶電粒子撞擊電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大許多的氣泡在電場(chǎng)中排許多的氣泡在電場(chǎng)中排列成列成氣體小橋氣體小橋貫穿兩極貫穿兩極擊穿在通道中完成擊穿在通道中完成u 擊穿過(guò)程擊穿過(guò)程（2）工程用的（非純凈）液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論）工程用的（非純凈）液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論 油中雜質(zhì)：油中雜質(zhì)：水分、固體絕緣材料（如紙、布）脫水分、固體絕緣材料（如紙、布）脫落纖維、液體本身老化分解。落纖維、液體本身老化分解。 小橋形成：小橋形成：液體中的雜質(zhì)在電場(chǎng)力的作用下，液體中的雜質(zhì)在電場(chǎng)力的作用下， 在在電場(chǎng)方向定向，并逐漸沿電力線方向

42、排列成電場(chǎng)方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成 雜質(zhì)雜質(zhì)的的“小橋小橋”，由于水和纖維的介電常數(shù)分別為，由于水和纖維的介電常數(shù)分別為81和和67，比油的介電常數(shù)，比油的介電常數(shù)1.82.8大得大得 多，從而這多，從而這些雜質(zhì)容易極化并在電場(chǎng)方向定向排列成小橋。些雜質(zhì)容易極化并在電場(chǎng)方向定向排列成小橋。受潮纖維在電極間定向示意圖受潮纖維在電極間定向示意圖(a) 形成形成“小橋小橋”(b) 未形成未形成“小橋小橋”工程液體電解質(zhì)的擊穿（變壓器油）工程液體電解質(zhì)的擊穿（變壓器油）u工程液體的特點(diǎn)：工程液體的特點(diǎn)：含有雜質(zhì)、纖維等，含有雜質(zhì)、纖維等， r很大（變壓器油很大（變壓器油r=2.2）u由于水和

43、纖維的由于水和纖維的r很大，易沿電場(chǎng)方向發(fā)生極化，并排列成很大，易沿電場(chǎng)方向發(fā)生極化，并排列成雜質(zhì)小橋雜質(zhì)小橋。小橋小橋擊穿擊穿理論理論雜質(zhì)小雜質(zhì)小橋接通橋接通電極電極雜質(zhì)中電導(dǎo)大雜質(zhì)中電導(dǎo)大泄漏電流增加泄漏電流增加，導(dǎo)致發(fā)熱，導(dǎo)致發(fā)熱水分汽化水分汽化氣泡擴(kuò)大氣泡擴(kuò)大雜質(zhì)小雜質(zhì)小橋未接橋未接通電極通電極雜質(zhì)中雜質(zhì)中r大大油中電場(chǎng)強(qiáng)度油中電場(chǎng)強(qiáng)度增高增高引起油電離引起油電離油分解出氣體油分解出氣體，氣泡擴(kuò)大氣泡擴(kuò)大 氣泡因氣泡因電電離或發(fā)熱離或發(fā)熱而而不斷擴(kuò)大，不斷擴(kuò)大，排列成排列成氣體氣體小橋貫穿兩小橋貫穿兩極極，液體最，液體最終在氣體通終在氣體通道中擊穿道中擊穿形成形成“小橋小橋”未形成未形

44、成“小橋小橋” 小橋擊穿的特點(diǎn)：小橋擊穿的特點(diǎn)：(1) 與熱過(guò)程緊密相連；與熱過(guò)程緊密相連；(2) 如果如果間隙較長(zhǎng)間隙較長(zhǎng)則則難以形成小橋難以形成小橋，但因不連續(xù)的，但因不連續(xù)的小橋也會(huì)小橋也會(huì)畸變電場(chǎng)畸變電場(chǎng)，而引起間隙，而引起間隙擊穿電壓降低擊穿電壓降低；(3) 小橋的形成和電極形狀及電壓種類有關(guān)：小橋的形成和電極形狀及電壓種類有關(guān)：電場(chǎng)電場(chǎng)極不均勻極不均勻時(shí)，由于尖電極附近發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，由于尖電極附近發(fā)生局部放電現(xiàn)象造成油的擾動(dòng)，而造成油的擾動(dòng)，而難以形成小難以形成小橋；橋；沖擊電壓沖擊電壓下，下，由于作用時(shí)間極短，由于作用時(shí)間極短，小橋來(lái)不及形成小橋來(lái)不及形成。絕緣外殼黃銅電極

45、標(biāo)準(zhǔn)試油杯（圖中尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)試油杯（圖中尺寸均為mm）油間隙距離2.5mm5.2.1 影響液體介質(zhì)擊穿的因素影響液體介質(zhì)擊穿的因素對(duì)液體介質(zhì)，通常用對(duì)液體介質(zhì)，通常用標(biāo)準(zhǔn)試油杯標(biāo)準(zhǔn)試油杯測(cè)得的工頻擊穿測(cè)得的工頻擊穿電壓來(lái)衡量其品質(zhì)的好壞。電壓來(lái)衡量其品質(zhì)的好壞。 我國(guó)采用的標(biāo)準(zhǔn)油杯極間距離為2.5mm，電極是直徑等于25mm的圓盤型銅電極，電極的邊緣加工成半徑為2.5mm的半圓以減弱邊緣效應(yīng)，保證了極間電場(chǎng)極板上是均勻的。對(duì)變壓器油，其標(biāo)準(zhǔn)油杯中的擊穿電壓為對(duì)變壓器油，其標(biāo)準(zhǔn)油杯中的擊穿電壓為 Ub 25kV40kV;對(duì)電容器油及電纜油，其標(biāo)準(zhǔn)油杯中的擊穿電壓對(duì)電容器油及電纜油，其標(biāo)準(zhǔn)油杯中的

46、擊穿電壓一般為一般為Ub 50kV60kV。在標(biāo)準(zhǔn)油杯中測(cè)得的油的耐電強(qiáng)度只能作為對(duì)油在標(biāo)準(zhǔn)油杯中測(cè)得的油的耐電強(qiáng)度只能作為對(duì)油的品質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不能用此數(shù)值直接計(jì)算在不同條的品質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不能用此數(shù)值直接計(jì)算在不同條件下油間隙的耐受電壓。件下油間隙的耐受電壓。（1）雜質(zhì)的影響）雜質(zhì)的影響標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓Ub和含水量和含水量W的關(guān)系的關(guān)系 W為110-4時(shí)已使油的擊穿強(qiáng)度降得很低。含水量再增大時(shí)，影響不大 水分水分：水在油中以溶解狀或懸浮狀存在。：水在油中以溶解狀或懸浮狀存在。溶解狀溶解狀的水的水對(duì)油的耐壓影響不大；對(duì)油的耐壓影響不大；懸浮狀懸

47、浮狀的水分易形成小橋，對(duì)的水分易形成小橋，對(duì)擊穿電壓的影響較大。擊穿電壓的影響較大。 水分、懸浮物如固水分、懸浮物如固體纖維、氣泡體纖維、氣泡水分水分- -介電常數(shù)大介電常數(shù)大-延電場(chǎng)方向被拉長(zhǎng)延電場(chǎng)方向被拉長(zhǎng)- - -與固體纖維一起與固體纖維一起向高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)運(yùn)動(dòng)向高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)運(yùn)動(dòng)-逐漸形成導(dǎo)電的小逐漸形成導(dǎo)電的小橋橋-液體擊穿液體擊穿極不均勻場(chǎng)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部放電，引起介質(zhì)擾動(dòng)，極不均勻場(chǎng)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部放電，引起介質(zhì)擾動(dòng)，小橋不易形成，雜質(zhì)對(duì)擊穿的影響不大。小橋不易形成，雜質(zhì)對(duì)擊穿的影響不大。（2）溫度的影響）溫度的影響干燥的油受潮的油標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓

48、器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系 干燥油的擊穿強(qiáng)度與溫度沒有多大關(guān)系 低于0，Ub提高（水滴凍結(jié)成冰粒） 080，Ub提高（水分溶解度增加）溫度再升高，Ub下降（水分汽化）；（3）油體積的影響）油體積的影響變壓器油中水分含量為變壓器油中水分含量為3110-6時(shí)的時(shí)的Ub與與d的關(guān)系的關(guān)系稍不均勻電場(chǎng)T=100稍不均勻電場(chǎng)T=20極不均勻電場(chǎng)T=20隨著間隙長(zhǎng)隨著間隙長(zhǎng)度的增加變度的增加變壓器油的壓器油的擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降穿場(chǎng)強(qiáng)下降 均勻電場(chǎng)中油（均勻電場(chǎng)中油（T=90）的沖擊擊穿的沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)與油體積的關(guān)系場(chǎng)強(qiáng)與油體積的關(guān)系 規(guī)律：規(guī)律：油的擊穿強(qiáng)度隨油體積的油的擊穿強(qiáng)度隨油體積的增加而明顯下降。增加

49、而明顯下降。原因：原因：間隙中缺陷間隙中缺陷(即雜質(zhì)即雜質(zhì))出現(xiàn)出現(xiàn)的概率隨油體積的增加而增大。的概率隨油體積的增加而增大。不能將實(shí)驗(yàn)室中對(duì)小體積油的測(cè)試結(jié)果，直接用于高壓電氣設(shè)備絕緣的設(shè)計(jì) （4）電壓形式的影響）電壓形式的影響雜質(zhì)形成小橋所需的時(shí)間，比氣體放電所需時(shí)間長(zhǎng)，因雜質(zhì)形成小橋所需的時(shí)間，比氣體放電所需時(shí)間長(zhǎng)，因此油間隙的沖擊擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度要高得多。極不均勻此油間隙的沖擊擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度要高得多。極不均勻電場(chǎng)中沖擊系數(shù)約為電場(chǎng)中沖擊系數(shù)約為1.4l.5，均勻場(chǎng)中可達(dá)均勻場(chǎng)中可達(dá)2或更高?；蚋?。 -1.2/50s波 +1.2/50s波 工頻電壓 稍不均勻電場(chǎng)中變壓器油的

50、擊穿電壓與間距的關(guān)系稍不均勻電場(chǎng)中變壓器油的擊穿電壓與間距的關(guān)系 （5）電場(chǎng)均勻程度的影響）電場(chǎng)均勻程度的影響u 油的純凈程度較高時(shí)油的純凈程度較高時(shí)p 改善電場(chǎng)的均勻程度能使改善電場(chǎng)的均勻程度能使工頻或直流電壓下工頻或直流電壓下的擊穿電壓的擊穿電壓明顯提高明顯提高u 油的品質(zhì)較差時(shí)油的品質(zhì)較差時(shí)p 由于雜質(zhì)的聚集和排列已使電場(chǎng)畸變，改善電場(chǎng)，能使由于雜質(zhì)的聚集和排列已使電場(chǎng)畸變，改善電場(chǎng)，能使工頻或直流電壓下工頻或直流電壓下的擊穿電壓提高不明顯的擊穿電壓提高不明顯在沖擊電壓下在沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來(lái)不及形成小橋，故改善電場(chǎng)總是，由于雜質(zhì)來(lái)不及形成小橋，故改善電場(chǎng)總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電

51、壓，而與油的品質(zhì)好壞幾能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質(zhì)好壞幾乎無(wú)關(guān)。乎無(wú)關(guān)。5.2.2 減小雜質(zhì)影響的措施減小雜質(zhì)影響的措施（1）過(guò)濾過(guò)濾 使油在連續(xù)壓力下通過(guò)濾油機(jī)中的濾紙，使油在連續(xù)壓力下通過(guò)濾油機(jī)中的濾紙，即可即可將纖維、碳粒等固態(tài)雜質(zhì)除去將纖維、碳粒等固態(tài)雜質(zhì)除去，油中大部分水，油中大部分水分和有機(jī)酸等也會(huì)被濾紙所吸附。分和有機(jī)酸等也會(huì)被濾紙所吸附。（2）防潮防潮 油浸式絕緣在浸油前必須烘干，必要時(shí)油浸式絕緣在浸油前必須烘干，必要時(shí)可用真空干燥法可用真空干燥法去除水分去除水分；在油箱呼吸器的空氣入；在油箱呼吸器的空氣入口放干燥劑，以防潮氣進(jìn)入?？诜鸥稍飫苑莱睔膺M(jìn)入。 （3

52、）祛氣祛氣 將油加熱，噴成霧狀，并抽真空，油中將油加熱，噴成霧狀，并抽真空，油中所含水分和氣體即揮發(fā)并被抽走，然后在真空條件所含水分和氣體即揮發(fā)并被抽走，然后在真空條件下將油注入電氣設(shè)備中，可以達(dá)到下將油注入電氣設(shè)備中，可以達(dá)到去除油中水分和去除油中水分和氣體氣體的目的。的目的。 （4）用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響 覆蓋層：覆蓋層：指緊貼在金屬電極上的固體絕緣薄層指緊貼在金屬電極上的固體絕緣薄層（小于小于1mm），它的作用主要是使油中的雜質(zhì)、），它的作用主要是使油中的雜質(zhì)、水分等形成的水分等形成的“小橋小橋”不能直接與電極接觸，從不能直接與電極接觸，從而而減小了流經(jīng)

53、雜質(zhì)小橋的電流減小了流經(jīng)雜質(zhì)小橋的電流，阻礙了雜質(zhì)小橋，阻礙了雜質(zhì)小橋中熱擊穿的發(fā)展。中熱擊穿的發(fā)展。適用于電場(chǎng)較均勻時(shí)適用于電場(chǎng)較均勻時(shí)。 絕緣層：絕緣層：指電極表面包覆上較厚的固體絕緣材料指電極表面包覆上較厚的固體絕緣材料（可達(dá)幾十毫米可達(dá)幾十毫米），絕緣層不僅能），絕緣層不僅能起覆蓋層的作起覆蓋層的作用用，減小雜質(zhì)的有害影響，而且它能承擔(dān)一定的，減小雜質(zhì)的有害影響，而且它能承擔(dān)一定的電壓，可電壓，可改善電場(chǎng)的分布改善電場(chǎng)的分布。它。它通常只用在不均勻通常只用在不均勻電場(chǎng)電場(chǎng)中，包在曲率半徑較小的電極上。中，包在曲率半徑較小的電極上。充油電力設(shè)備中很少采用裸導(dǎo)體。充油電力設(shè)備中很少采用裸導(dǎo)

54、體。（4）用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響 屏障：屏障：又稱極間障或隔板，是放在電極間油間隙又稱極間障或隔板，是放在電極間油間隙中的固體絕緣板。屏障的作用一方面是中的固體絕緣板。屏障的作用一方面是阻隔雜質(zhì)阻隔雜質(zhì)小橋的形成小橋的形成；另一方面可改善油間隙中的電場(chǎng)分；另一方面可改善油間隙中的電場(chǎng)分布，從而提高油間隙的擊穿電壓。在極不均勻電布，從而提高油間隙的擊穿電壓。在極不均勻電場(chǎng)中，曲率半徑較小的電極附近場(chǎng)強(qiáng)高，會(huì)發(fā)生場(chǎng)中，曲率半徑較小的電極附近場(chǎng)強(qiáng)高，會(huì)發(fā)生電離，電離出的帶電粒子被屏障阻擋，并分布在電離，電離出的帶電粒子被屏障阻擋，并分布在屏障的一側(cè)，屏障的一側(cè)，使電

55、場(chǎng)變得比較均勻使電場(chǎng)變得比較均勻，從而能提高，從而能提高油間隙的擊穿電壓。油間隙的擊穿電壓。變壓器等充油電力設(shè)備中廣泛采用油變壓器等充油電力設(shè)備中廣泛采用油-屏障絕緣結(jié)構(gòu)。屏障絕緣結(jié)構(gòu)。三態(tài)電介質(zhì)的耐電特性三態(tài)電介質(zhì)的耐電特性 普遍規(guī)律普遍規(guī)律：任何介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能最?。喝魏谓橘|(zhì)的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來(lái)的，弱的缺陷處發(fā)展起來(lái)的，所謂的缺陷可以指電場(chǎng)所謂的缺陷可以指電場(chǎng)的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性。的集中，也可指介質(zhì)的不均勻性。擊穿特性擊穿特性：一般情況下，在氣、液、固三種電介質(zhì)中，固體密度一般情況下，在氣、液、固三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度也最高。最大，耐電強(qiáng)

56、度也最高。 耐電強(qiáng)度耐電強(qiáng)度:空氣一般在空氣一般在 34 kV/mm; 液體一般在液體一般在1020 kV/mm; 固體一般在十幾幾百固體一般在十幾幾百 kV/mm固體電介質(zhì)的擊穿過(guò)程最復(fù)雜，固體電介質(zhì)的擊穿過(guò)程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一不可且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣。恢復(fù)的絕緣。5.3 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的固有擊穿強(qiáng)度比液體和氣體介質(zhì)高，其固體介質(zhì)的固有擊穿強(qiáng)度比液體和氣體介質(zhì)高，其擊穿的擊穿的特點(diǎn)是擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用的時(shí)間有很大的關(guān)系特點(diǎn)是擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用的時(shí)間有很大的關(guān)系。在電場(chǎng)作用下，固體介質(zhì)可能因以下過(guò)程而被擊穿，且在電場(chǎng)作用下，固體介質(zhì)可能因以下過(guò)程而被擊穿，且擊

57、穿使固體介質(zhì)發(fā)生永久性破壞，是非自恢復(fù)絕緣。擊穿使固體介質(zhì)發(fā)生永久性破壞，是非自恢復(fù)絕緣。 5.3.1 電擊穿電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿是指固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場(chǎng)的作用僅僅由于電場(chǎng)的作用而而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象，電擊穿過(guò)直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象，電擊穿過(guò)程與氣體中相似，程與氣體中相似，碰撞電離形成電子崩碰撞電離形成電子崩，固體電介，固體電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子，在電場(chǎng)加速下與晶格結(jié)質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子，在電場(chǎng)加速下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子碰撞，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時(shí)破壞介質(zhì)晶格點(diǎn)上的原子碰撞，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時(shí)破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?。結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有

58、良好的散熱條件以及在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿。穿通常為電擊穿。電擊穿的主要特征：電擊穿的主要特征： 擊穿電壓高，擊穿時(shí)間短；擊穿電壓高，擊穿時(shí)間短； 與周圍環(huán)境溫度無(wú)關(guān)；與周圍環(huán)境溫度無(wú)關(guān)； 除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大；除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大； 介質(zhì)發(fā)熱不顯著；介質(zhì)發(fā)熱不顯著； 電場(chǎng)均勻程度對(duì)擊穿有顯著影響；電場(chǎng)均勻程度對(duì)擊穿有顯著影響； 體積效應(yīng)：體積效應(yīng)：擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)分散性很大，與材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)分散性很大，與材料不均勻性有關(guān)。加大試樣的面積或

59、體積，使材不均勻性有關(guān)。加大試樣的面積或體積，使材料弱點(diǎn)出現(xiàn)的概率增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。料弱點(diǎn)出現(xiàn)的概率增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。 固體介質(zhì)在沖擊電壓多次作用下，其擊穿電壓固體介質(zhì)在沖擊電壓多次作用下，其擊穿電壓有可能低于單次沖擊作用時(shí)的值有可能低于單次沖擊作用時(shí)的值。因?yàn)楣腆w介質(zhì)為因?yàn)楣腆w介質(zhì)為非自恢復(fù)絕緣，如每次沖擊電壓下介質(zhì)發(fā)生部分損非自恢復(fù)絕緣，如每次沖擊電壓下介質(zhì)發(fā)生部分損傷，則多次作用下部分損傷會(huì)擴(kuò)大而導(dǎo)致?lián)舸?。這傷，則多次作用下部分損傷會(huì)擴(kuò)大而導(dǎo)致?lián)舸＿@種現(xiàn)象為種現(xiàn)象為累積效應(yīng)累積效應(yīng)。 有累積效應(yīng)基本無(wú)累積效應(yīng)有機(jī)材料有機(jī)材料玻璃、云母等玻璃、云母等無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料固體介質(zhì)沖

60、擊電壓試驗(yàn)時(shí)的累積效應(yīng)固體介質(zhì)沖擊電壓試驗(yàn)時(shí)的累積效應(yīng)5.3.2 熱擊穿熱擊穿絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，會(huì)因電導(dǎo)電流和介質(zhì)極化引起介會(huì)因電導(dǎo)電流和介質(zhì)極化引起介質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱。質(zhì)損耗，使介質(zhì)發(fā)熱。介質(zhì)電導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇增大，介質(zhì)電導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇增大，因此介質(zhì)的發(fā)熱因溫度的升高而增加。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫因此介質(zhì)的發(fā)熱因溫度的升高而增加。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時(shí)，也存在一個(gè)通過(guò)電極及其它介質(zhì)向外不斷散熱的過(guò)程。的同時(shí)，也存在一個(gè)通過(guò)電極及其它介質(zhì)向外不斷散熱的過(guò)程。如果介質(zhì)中產(chǎn)生的熱量總是大于散熱，則溫度不斷上升，以致如果介質(zhì)中產(chǎn)生的熱量總是大于散熱，則溫度