第二章 液體、固體介質(zhì)的電氣特性-華電科大版

1、高電壓技術(shù)中國石油大學(xué)勝利學(xué)院機械與控制工程學(xué)院Page 2第二章 液體、固體介質(zhì)的電氣特性n 各類電介質(zhì)都有各類電介質(zhì)都有極化極化、電導(dǎo)電導(dǎo)和和損耗損耗等電氣物理現(xiàn)象等電氣物理現(xiàn)象n 氣體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗都很微弱，一般均可忽略不氣體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗都很微弱，一般均可忽略不計計n 所以真正需要注意的只有液體和固體介質(zhì)在這些方面的特所以真正需要注意的只有液體和固體介質(zhì)在這些方面的特性。性。Page 3第一節(jié)電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗n （1）電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場方向產(chǎn)電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)

2、象和偶極子的取向現(xiàn)象。這時電荷的偏移大都是在原子或分生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。這時電荷的偏移大都是在原子或分子的范圍內(nèi)作微觀位移，并產(chǎn)生電矩（即偶極矩）。子的范圍內(nèi)作微觀位移，并產(chǎn)生電矩（即偶極矩）。 電介質(zhì)極化的強弱可用電介質(zhì)極化的強弱可用介電常數(shù)介電常數(shù)的大小來表示，它與該電介質(zhì)分子的的大小來表示，它與該電介質(zhì)分子的極性強弱有關(guān)，還受溫度外加電場頻率等因素的影響。極性強弱有關(guān)，還受溫度外加電場頻率等因素的影響。 具有極性分子的電介質(zhì)稱為具有極性分子的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)，而由中性分子構(gòu)成的電介，而由中性分子構(gòu)成的電介質(zhì)稱為質(zhì)稱為中性電介質(zhì)中性電介質(zhì)。前者是即使沒有外電場的

3、作用其分子本身也具有。前者是即使沒有外電場的作用其分子本身也具有電矩的電介質(zhì)。電矩的電介質(zhì)。Page 4介質(zhì)的介質(zhì)的相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)0r r 綜合反映電介質(zhì)極化的一個物理量。在綜合反映電介質(zhì)極化的一個物理量。在20時工頻電壓下氣體介質(zhì)時工頻電壓下氣體介質(zhì)r 接近于接近于1，液體和固體介質(zhì)的大多在，液體和固體介質(zhì)的大多在26之間。之間。 最基本的極化形式有最基本的極化形式有電子式極化電子式極化、離子式極化離子式極化和和偶極子偶極子式式極化極化等三種等三種，另外還有，另外還有夾層夾層介質(zhì)界面介質(zhì)界面極化極化和和空間空間電荷電荷極化極化等。等。 現(xiàn)簡要介紹如下現(xiàn)簡要介紹如下Page 5 在外

4、電場在外電場 的作用下，介質(zhì)原子中的的作用下，介質(zhì)原子中的電子運動軌道將相對與原子核發(fā)生彈性位電子運動軌道將相對與原子核發(fā)生彈性位移，如右圖。正負(fù)電荷作用中心不再重合移，如右圖。正負(fù)電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應(yīng)偶極矩。這種極化稱為而出現(xiàn)感應(yīng)偶極矩。這種極化稱為電子式電子式極化或電子位移極化極化或電子位移極化。E 電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，它有兩個特點：電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，它有兩個特點： 完成極化所需的時間極短約完成極化所需的時間極短約10-15 s ，故其，故其r 不受外電場不受外電場頻率影響；頻率影響；(在所有的極化類型中，電子式極化時間最短在所有的極化類型中，電子式極化時間

5、最短) 它是一種彈性位移，一旦外電場消失，正負(fù)電荷作用中它是一種彈性位移，一旦外電場消失，正負(fù)電荷作用中心立即重合，整體恢復(fù)中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，心立即重合，整體恢復(fù)中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會使電介質(zhì)發(fā)熱。不會使電介質(zhì)發(fā)熱。溫度對這種極化影響不大溫度對這種極化影響不大，只是在溫度，只是在溫度升升高時，電介質(zhì)略有膨脹，單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少，引起高時，電介質(zhì)略有膨脹，單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少，引起r 稍稍有減小。有減小。（一）電子式極化Page 6 （二）離子式極化 固體化合物大多數(shù)屬離子式結(jié)構(gòu)固體化合物大多數(shù)屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷等。無外，如云母、陶瓷等。無外電場時，

6、各個離子對的偶極矩互相抵消，平均偶極矩為零。出電場時，各個離子對的偶極矩互相抵消，平均偶極矩為零。出現(xiàn)外電場后正、負(fù)離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩現(xiàn)外電場后正、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)呈極化，這就是不再為零，介質(zhì)呈極化，這就是離子式極化離子式極化或稱或稱離子位移極化離子位移極化 在離子間束縛較強的情況下離子的相對位移是有限的，沒在離子間束縛較強的情況下離子的相對位移是有限的，沒有離開晶格，外電場消失后立即還原，所以它也屬于彈性位移有離開晶格，外電場消失后立即還原，所以它也屬于彈性位移極化，幾乎不引起損耗。所需時間很短，約極化，幾乎不引起損耗。所需時間很短，

7、約10-13 s，所以其，所以其r 也幾乎與外電場的頻率無關(guān)。也幾乎與外電場的頻率無關(guān)。 溫度對離子式極化有兩種相反的影響，即離子間的結(jié)合力溫度對離子式極化有兩種相反的影響，即離子間的結(jié)合力會隨著溫度會隨著溫度 的升高而減小，從而使極化程度增強；另一方面，的升高而減小，從而使極化程度增強；另一方面，離子的密度將隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前離子的密度將隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前一種影響較大一些，所以其一種影響較大一些，所以其r 一般具有正的溫度系數(shù)。一般具有正的溫度系數(shù)。Page 7 有些電介質(zhì)具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中心永不有些電介質(zhì)具有固有的電矩，即正、

8、負(fù)電荷作用中心永不重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質(zhì)稱為重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。 每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當(dāng)不存在每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當(dāng)不存在外電場時，這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列著，宏觀電外電場時，這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列著，宏觀電矩等于零，整個介質(zhì)對外并不表現(xiàn)出極性矩等于零，整個介質(zhì)對外并不表現(xiàn)出極性出現(xiàn)外電場后偶極子沿出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)動，作較有電場方向轉(zhuǎn)動，作較有規(guī)則的排列，規(guī)則的排列，

9、因而顯出因而顯出極性，這種極化稱為偶極性，這種極化稱為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。極子極化或轉(zhuǎn)向極化。UU電極電極電介質(zhì)電介質(zhì)E（三）偶極子極化Page 8 它是非彈性的，極化過程需要消耗一定的能量，極它是非彈性的，極化過程需要消耗一定的能量，極化所需時間也較長在化所需時間也較長在10-1010-2 s范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 由此可知，極性電介質(zhì)的由此可知，極性電介質(zhì)的r 與電源頻率有較大的關(guān)與電源頻率有較大的關(guān)系，頻率太高時偶極子將來不及轉(zhuǎn)動，因而其系，頻率太高時偶極子將來不及轉(zhuǎn)動，因而其r 值變小。值變小。 溫度對極性電介質(zhì)溫度對極性電介質(zhì)r 值也有很大的影響。因為溫度值也有很大的影響。因為溫度較低時

10、分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)動困難。所以較低時分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)動困難。所以r 很小。很小。溫度升高后分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，溫度升高后分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱。所以液體固體的使極化減弱。所以液體固體的r 在低溫下先隨溫度的升高在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當(dāng)熱運動變的較強烈時，而增大，以后當(dāng)熱運動變的較強烈時，r 又開始隨溫度的又開始隨溫度的上升而減小。上升而減小。Page 9 為便于比較，將上述各種極化列為下表為便于比較，將上述各種極化列為下表極化種類產(chǎn)生場合所需時間能量損耗產(chǎn)生原因電子式極化任何電介質(zhì)10-15 s無束縛電子運行軌道偏移

11、離子式極化離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)10-13 s幾乎沒有離子的相對偏移偶極子極化極性電介質(zhì)10-1010-2 s有偶極子的定向排列夾層極化多層介質(zhì)的交界面10-1 s數(shù)小時有自由電荷的移動Page 10 任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性，只不過其電任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性，只不過其電導(dǎo)率很小而已，導(dǎo)率很小而已， 表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量即為電導(dǎo)率表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量即為電導(dǎo)率 或其倒數(shù)或其倒數(shù)電阻率電阻率 。 按載流子的不同，電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為按載流子的不同，電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為兩種：兩種： 離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)：在電場或外界因素影響下，電介質(zhì)本身會產(chǎn)生在電場或外界因素影

12、響下，電介質(zhì)本身會產(chǎn)生電離，電介質(zhì)中的正負(fù)離子沿電場方向移動，形成電導(dǎo)電流電離，電介質(zhì)中的正負(fù)離子沿電場方向移動，形成電導(dǎo)電流 電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)：電介質(zhì)中的自由電子是在高電場作用下，離子：電介質(zhì)中的自由電子是在高電場作用下，離子與電介質(zhì)分子碰撞電離激發(fā)出來的，這些電子在電場作用下移與電介質(zhì)分子碰撞電離激發(fā)出來的，這些電子在電場作用下移動形成電子電導(dǎo)電流（此時表明電介質(zhì)已被擊穿）動形成電子電導(dǎo)電流（此時表明電介質(zhì)已被擊穿） 前者以離子為載流子，而后者以自由電子為載流子。在正前者以離子為載流子，而后者以自由電子為載流子。在正常情況下，電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，這同金屬導(dǎo)體的電常情況下，電介質(zhì)的電

13、導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，這同金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)主要依靠自由電子有本質(zhì)的區(qū)別。導(dǎo)主要依靠自由電子有本質(zhì)的區(qū)別。二、電介質(zhì)的電導(dǎo)Page 11n 理論與實踐都已證明：液體和固體的介質(zhì)電導(dǎo)率與溫度間有以下關(guān)系:n 即=Ae-/KTn A為常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)；T為絕對溫度，單位為K；n 為導(dǎo)電率的活性化能量對礦物油、硅油，=0.41eV；n k為波爾茲曼常數(shù)由以上分析得出：在測量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時，必須記錄環(huán)境溫度，以便對測量結(jié)果進(jìn)行分析Page 12二、電介質(zhì)的損耗損耗極化損耗（DC下無）電導(dǎo)損耗（DC、AC都有） 在直流電壓的作用在直流電壓的作用 下，電介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，下，電介質(zhì)中沒有周

14、期性的極化過程，只要外加電壓還沒到達(dá)引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將只要外加電壓還沒到達(dá)引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將僅由電導(dǎo)所引起，所以用體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)率兩個物理量就僅由電導(dǎo)所引起，所以用體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)率兩個物理量就已能充分說明問題，不必在引入介質(zhì)損耗這個概念了。已能充分說明問題，不必在引入介質(zhì)損耗這個概念了。 （一）電介質(zhì)損耗的基本概念（一）電介質(zhì)損耗的基本概念 在在 交流電壓下，流過電介質(zhì)的電流交流電壓下，流過電介質(zhì)的電流 包含有功分量包含有功分量 和和無功分量無功分量 ，即，即IRICICRIIIPage 13UUICRIIIRICIRCPRICIUI 在下圖中畫出了此時

15、的電壓、電流相量圖，可以看出，此在下圖中畫出了此時的電壓、電流相量圖，可以看出，此時的介質(zhì)功率損耗時的介質(zhì)功率損耗 P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg (2-2)式中式中 電源角頻率；電源角頻率； 功率因數(shù)角；功率因數(shù)角； 介質(zhì)損耗角。介質(zhì)損耗角。 介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 為功率因數(shù)角為功率因數(shù)角 的余角，其正切的余角，其正切 tg 又可稱又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（%）來表示。）來表示。Page 14n 討論介質(zhì)損耗的意義：討論介質(zhì)損耗的意義：n 1.在進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須注意絕緣材料的在進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須注

16、意絕緣材料的tg值，如果過大而值，如果過大而引起嚴(yán)重發(fā)熱，將使材料容易劣化，故盡可能選擇引起嚴(yán)重發(fā)熱，將使材料容易劣化，故盡可能選擇tg較小的材料。較小的材料。n 2.當(dāng)絕緣受潮或惡化時，當(dāng)絕緣受潮或惡化時，tg會急劇增大，因此經(jīng)常監(jiān)測會急劇增大，因此經(jīng)常監(jiān)測tg值并進(jìn)行值并進(jìn)行對比，可判斷絕緣的狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題。對比，可判斷絕緣的狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題。n 3.通過測量通過測量tgU的關(guān)系曲線，可判斷絕緣內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電。的關(guān)系曲線，可判斷絕緣內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電。n 介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)發(fā)熱有時也可以利用，例如利用介質(zhì)損耗發(fā)熱來介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)發(fā)熱有時也可以利用，例如利用介質(zhì)損耗發(fā)熱

17、來加速干燥過程。加速干燥過程。 Page 15 第二節(jié) 液體介質(zhì)的擊穿 目前最常用的液體介質(zhì)主要是礦物絕緣油，它廣泛用于變壓器、目前最常用的液體介質(zhì)主要是礦物絕緣油，它廣泛用于變壓器、斷路器、套管、電纜及電容器等設(shè)備中，分別稱為變壓器油、電纜斷路器、套管、電纜及電容器等設(shè)備中，分別稱為變壓器油、電纜油和電容器油油和電容器油 液體介質(zhì)在強電場（高電壓）作用下，將出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w介質(zhì)在強電場（高電壓）作用下，將出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的擊穿過程導(dǎo)體的擊穿過程Page 16 一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論 關(guān)于純凈液體介質(zhì)的擊穿機理有各種理論，主要可分為兩關(guān)于純凈液體介質(zhì)的擊穿

18、機理有各種理論，主要可分為兩大類，即電子碰撞電離理論和氣泡擊穿理論，前者亦稱電擊穿大類，即電子碰撞電離理論和氣泡擊穿理論，前者亦稱電擊穿理論。理論。 （一）電子碰撞電離理論（一）電子碰撞電離理論 當(dāng)外電場足夠強時，在陰極產(chǎn)生的強場發(fā)射的電子將被電當(dāng)外電場足夠強時，在陰極產(chǎn)生的強場發(fā)射的電子將被電場加速而具有足夠的動能，在碰撞液體分子是可引起電離，使場加速而具有足夠的動能，在碰撞液體分子是可引起電離，使電子數(shù)加倍，形成電子崩。與此同時由碰撞電離產(chǎn)生的正離子電子數(shù)加倍，形成電子崩。與此同時由碰撞電離產(chǎn)生的正離子將在陰極附近集結(jié)詞性成空間電荷層，增強了陰極附近的電場將在陰極附近集結(jié)詞性成空間電荷層，

19、增強了陰極附近的電場，使陰極發(fā)生的電子數(shù)增多；當(dāng)外加電壓增大到一定程度時，使陰極發(fā)生的電子數(shù)增多；當(dāng)外加電壓增大到一定程度時，電子崩電流會急劇增大，從而導(dǎo)致液體介質(zhì)的擊穿。電子崩電流會急劇增大，從而導(dǎo)致液體介質(zhì)的擊穿。Page 17 純凈液體介質(zhì)的電擊穿理論與氣體放電的湯遜理論中純凈液體介質(zhì)的電擊穿理論與氣體放電的湯遜理論中 、 的作用有些相似。但純凈液體的擊穿場強要比氣體介質(zhì)高的作用有些相似。但純凈液體的擊穿場強要比氣體介質(zhì)高得多（約高一個數(shù)量級）。得多（約高一個數(shù)量級）。 由電擊穿理論知由電擊穿理論知 ：純凈液體的密度增加時，擊穿場強會：純凈液體的密度增加時，擊穿場強會增大；溫度升高時液體

20、膨脹擊穿場強會下降；由于電子崩的增大；溫度升高時液體膨脹擊穿場強會下降；由于電子崩的產(chǎn)生和空間電荷層的形成需要一定時間，當(dāng)電壓作用時間很產(chǎn)生和空間電荷層的形成需要一定時間，當(dāng)電壓作用時間很短時，擊穿場強將提高，因此液體介質(zhì)的沖擊擊穿場強高于短時，擊穿場強將提高，因此液體介質(zhì)的沖擊擊穿場強高于共頻擊穿場強（沖擊系數(shù)共頻擊穿場強（沖擊系數(shù) 1)。Page 18 在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中的電場分布是與介質(zhì)的在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中的電場分布是與介質(zhì)的 r 成成反比的。由于氣泡的反比的。由于氣泡的r 最?。ㄗ钚。?），其電氣強度又比液體介），其電氣強度又比液體介質(zhì)低得多，所以氣泡先發(fā)生電離。氣泡電離后

21、溫度上升、體質(zhì)低得多，所以氣泡先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離近一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶積膨脹、密度減小，這促使電離近一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電離子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴大電離子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴大。如果許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可。如果許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。能在此通道中發(fā)生。 如果液體介質(zhì)的擊穿因氣體小橋而引起，那么增加液體如果液體介質(zhì)的擊穿因氣體小橋而引起，那么增加液體的壓力，就可使其擊穿場強有所提高。因此在高壓充油電纜的壓力，就可使其擊穿場強有所提高。因此

22、在高壓充油電纜中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場強中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場強 （二）氣泡擊穿理論Page 19第三節(jié) 固體介質(zhì)的擊穿一、概述一、概述（1）氣體、固體、液體三種電介質(zhì)中，固體的密度最大，耐電強）氣體、固體、液體三種電介質(zhì)中，固體的密度最大，耐電強度最高度最高 空氣的耐電強度一般在空氣的耐電強度一般在34kV/mm 液體的耐電強度一般在液體的耐電強度一般在1020kV/mm 固體的耐電強度一般在十幾固體的耐電強度一般在十幾幾百幾百kV/mm（2）固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是）固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一唯一不可恢復(fù)的不可恢復(fù)的絕緣，屬絕緣，屬非自恢

23、復(fù)絕緣非自恢復(fù)絕緣（3）實驗研究表明：固體介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間有關(guān)外，）實驗研究表明：固體介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間有關(guān)外，主要由介質(zhì)本身的微觀結(jié)構(gòu)，幾何形狀，電場均勻化程度，外加主要由介質(zhì)本身的微觀結(jié)構(gòu)，幾何形狀，電場均勻化程度，外加電壓波形以及環(huán)境溫度共同確定。因此，它不具備度量絕緣材料電壓波形以及環(huán)境溫度共同確定。因此，它不具備度量絕緣材料的材料常數(shù)的意義，而只具有比較參考的意義。的材料常數(shù)的意義，而只具有比較參考的意義。（4）固體介質(zhì)的擊穿與電壓作用時間有很大關(guān)系，并且隨著電壓）固體介質(zhì)的擊穿與電壓作用時間有很大關(guān)系，并且隨著電壓作用時間的不同，有作用時間的不同，有電擊穿、熱擊穿

24、、電化學(xué)擊穿電擊穿、熱擊穿、電化學(xué)擊穿三種不同的形三種不同的形式式Page 20固體介質(zhì)的擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系固體介質(zhì)的擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系Page 21 二二、固體介質(zhì)的擊穿理論、固體介質(zhì)的擊穿理論 （一）電擊穿理論（一）電擊穿理論 固體介質(zhì)的固體介質(zhì)的電擊穿電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質(zhì)是指僅僅由于電場的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。 純電擊穿理論純電擊穿理論 從絕緣材料內(nèi)有自由移動的電子這一前提出發(fā)，在直流從絕緣材料內(nèi)有自由移動的電子這一前提出發(fā)，在直流電壓作用下，來自固體介質(zhì)陰極區(qū)的自由電子得到加速，在其電壓作用下，來自固

25、體介質(zhì)陰極區(qū)的自由電子得到加速，在其向陽極行進(jìn)的途中發(fā)生多次碰撞，同時產(chǎn)生一些新的自由電子向陽極行進(jìn)的途中發(fā)生多次碰撞，同時產(chǎn)生一些新的自由電子，這些二次電子又參與隨后的電離過程，引起電子崩；而碰撞，這些二次電子又參與隨后的電離過程，引起電子崩；而碰撞產(chǎn)生的正離子，在到達(dá)陰極前形成正的空間電荷，它使至陰極產(chǎn)生的正離子，在到達(dá)陰極前形成正的空間電荷，它使至陰極區(qū)的場強明顯提高，碰撞電離越來越強，必將加速擊穿過程區(qū)的場強明顯提高，碰撞電離越來越強，必將加速擊穿過程Page 22 集體電子擊穿理論集體電子擊穿理論 固體介質(zhì)中存在少量處于導(dǎo)電能級的電子（傳導(dǎo)電子），固體介質(zhì)中存在少量處于導(dǎo)電能級的電子

26、（傳導(dǎo)電子），它們在強電場作用下加速，并與晶格接點上的原子（或離子）它們在強電場作用下加速，并與晶格接點上的原子（或離子）不斷碰撞。當(dāng)單位時間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場獲得的能量大于碰撞不斷碰撞。當(dāng)單位時間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場獲得的能量大于碰撞時失去的能量，則在電子的能量達(dá)到了能使晶格原子（或離子時失去的能量，則在電子的能量達(dá)到了能使晶格原子（或離子）發(fā)生電離的水平時，傳導(dǎo)電子數(shù)將迅速增多，引起電子崩，）發(fā)生電離的水平時，傳導(dǎo)電子數(shù)將迅速增多，引起電子崩，破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)大增而導(dǎo)致?lián)舸?。破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)大增而導(dǎo)致?lián)舸?空間電荷理論空間電荷理論 在某些絕緣材料內(nèi)發(fā)生擊穿是空間

27、電荷的作用增強的結(jié)果在某些絕緣材料內(nèi)發(fā)生擊穿是空間電荷的作用增強的結(jié)果。前提是一些導(dǎo)電性很弱的如高聚合物絕緣材料具有使載流子。前提是一些導(dǎo)電性很弱的如高聚合物絕緣材料具有使載流子長期貯存于其內(nèi)的能力。長期貯存于其內(nèi)的能力。Page 23 雜介質(zhì)電導(dǎo)（或介質(zhì)損耗）很小，又有良好的散熱條件以雜介質(zhì)電導(dǎo)（或介質(zhì)損耗）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)的擊穿通常為及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿電擊穿，其擊穿場強一般可達(dá)，其擊穿場強一般可達(dá)105106kV/m，比熱擊穿時的擊，比熱擊穿時的擊穿場強高很多，后者僅為穿場強高很多，后者僅為103

28、104kV/m，而作用時間卻短得多，而作用時間卻短得多 電擊穿的主要特征為：電擊穿的主要特征為： 擊穿電壓幾乎與周圍環(huán)境溫度無關(guān)擊穿電壓幾乎與周圍環(huán)境溫度無關(guān) 除擊穿時間很短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)除擊穿時間很短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)系不大；系不大； 介質(zhì)發(fā)熱不顯著；介質(zhì)發(fā)熱不顯著； 電場的均勻程度對擊穿電壓有顯著影響。電場的均勻程度對擊穿電壓有顯著影響。Page 24 熱擊穿熱擊穿是由于固體介質(zhì)是由于固體介質(zhì)內(nèi)熱不穩(wěn)定內(nèi)熱不穩(wěn)定過程造成的。過程造成的。 當(dāng)固體介質(zhì)長期地承受電壓的作用時，會因介質(zhì)損耗而發(fā)當(dāng)固體介質(zhì)長期地承受電壓的作用時，會因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，與此同時也

29、向周圍散熱，如果周圍環(huán)境溫度低、散熱條件熱，與此同時也向周圍散熱，如果周圍環(huán)境溫度低、散熱條件好，發(fā)熱與散熱將在一定條件下達(dá)到平衡好，發(fā)熱與散熱將在一定條件下達(dá)到平衡。 固體介質(zhì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)固體介質(zhì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，介質(zhì)溫度不會不斷上升而導(dǎo)致介質(zhì)溫度不會不斷上升而導(dǎo)致絕緣的破壞。絕緣的破壞。 發(fā)熱大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷上升，導(dǎo)致介質(zhì)分解、熔發(fā)熱大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷上升，導(dǎo)致介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，從而發(fā)生熱擊穿?；⑻蓟驘?，從而發(fā)生熱擊穿。（二）熱擊穿理論Page 25如圖所示，在三個電壓下(U1U2U3)有發(fā)熱曲線1、2、3，4為散熱曲線。 Page 26曲線1，Q1Q2，介質(zhì)

30、一定擊穿；曲線2，與散熱曲線4交于k點，它是不穩(wěn)定的平衡點，ttk時，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。 曲線3和曲線4有a、b兩個交點，a為穩(wěn)定的熱平衡點，b為不穩(wěn)定的熱平衡點， ttb 時，介質(zhì)發(fā)生擊穿。Page 27結(jié)論：結(jié)論： （1）熱擊穿電壓會隨周圍媒質(zhì)溫度）熱擊穿電壓會隨周圍媒質(zhì)溫度 t0 的上升而下降的上升而下降 （2）熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因厚度越）熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因厚度越大，介質(zhì)中心附近的熱量逸出就越困難，所以固體介質(zhì)的擊穿大，介質(zhì)中心附近的熱量逸出就越困難，所以固體介質(zhì)的擊穿場強隨厚度的增大而降低。場強隨厚度的增大而降低。 （3）如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系

31、數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿）如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升。電壓上升。Page 28 固體介質(zhì)在長期工作電壓的作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局固體介質(zhì)在長期工作電壓的作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，是絕緣劣化、電氣強度逐步下降并引起擊穿的部放電等原因，是絕緣劣化、電氣強度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿電化學(xué)擊穿。在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處溫。在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處溫度過高而以熱擊穿形式完成，也可以因劣化后電氣強度下降而度過高而以熱擊穿形式完成，也可以因劣化后電氣強度下降而以電擊穿形式完成。以電擊穿形式完成。（三）電化學(xué)擊穿電老化的類型：

32、電離性老化、電導(dǎo)性老化和電解性老化。電老化的類型：電離性老化、電導(dǎo)性老化和電解性老化。 局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強度下降部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強度下降的主要原因為：的主要原因為： 1) 1)產(chǎn)生活性氣體對介質(zhì)氧化、腐蝕；產(chǎn)生活性氣體對介質(zhì)氧化、腐蝕； 2) 2)溫升使局部介質(zhì)損耗增加；溫升使局部介質(zhì)損耗增加； 3) 3)切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。Page 29Tree-like樹枝狀樹枝狀Bush-like灌木叢狀灌木叢狀che

33、stnut-like栗子狀栗子狀樹枝老化的一般形狀樹枝老化的一般形狀Page 30電離性放電：這通常發(fā)生在有機絕緣材料的場合。當(dāng)有機絕電離性放電：這通常發(fā)生在有機絕緣材料的場合。當(dāng)有機絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出現(xiàn)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在現(xiàn)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹有機固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。枝化放電劣化。Page 31電導(dǎo)性老化：在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)電導(dǎo)性老化

34、：在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)( (例如水例如水) )，當(dāng)該處場強超過某定值時，該液體會沿電場方向逐，當(dāng)該處場強超過某定值時，該液體會沿電場方向逐漸深入到絕緣層中，形成近似樹枝狀的痕跡，稱作漸深入到絕緣層中，形成近似樹枝狀的痕跡，稱作“水樹枝水樹枝”。（圖（圖2-172-17）Page 32n電壓作用時間：電壓作用時間：很短電擊穿；較長熱擊穿、電熱聯(lián)合；很長時間電化學(xué)擊穿。n電場均勻程度：電場均勻程度：均勻電場擊穿電壓與厚度成正比；不均勻電場中出現(xiàn)熱擊穿后厚度的增加擊穿電壓增加不大。n溫度：溫度：環(huán)境溫度越高，散熱越差，熱擊穿電壓越低。n電壓種類：電壓種類：沖擊擊穿電壓遠(yuǎn)大于工頻擊穿

35、電壓。n累積效應(yīng)：累積效應(yīng)：局部損傷積累。n受潮：受潮：易受潮的極性介質(zhì)受潮后擊穿電壓大幅降低。n機械負(fù)荷（累積效應(yīng)）：機械負(fù)荷（累積效應(yīng)）：出現(xiàn)微觀裂縫后擊穿電壓顯著下降。三、影響固體介質(zhì)擊穿電壓主要因素Page 33 對高壓電氣設(shè)備絕緣的要求是多方面的，除了必須有優(yōu)對高壓電氣設(shè)備絕緣的要求是多方面的，除了必須有優(yōu)異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機械性能及其他異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機械性能及其他物理物理化學(xué)性能，單一品種的電介質(zhì)往往難以同時滿足這些化學(xué)性能，單一品種的電介質(zhì)往往難以同時滿足這些要求，所以實際的絕緣結(jié)構(gòu)一般由多種電介質(zhì)組合而成。要求，所以實際的絕緣結(jié)構(gòu)一般

36、由多種電介質(zhì)組合而成。 第四節(jié) 組合絕緣的電氣強度Page 34 一、介質(zhì)的組合原則 不同介電常數(shù)的介質(zhì)組合在一起構(gòu)成組合絕緣，組合絕緣不同介電常數(shù)的介質(zhì)組合在一起構(gòu)成組合絕緣，組合絕緣的電氣強度不僅取決于所用介質(zhì)的電氣特性，而且還與介質(zhì)的的電氣強度不僅取決于所用介質(zhì)的電氣特性，而且還與介質(zhì)的互相配合有關(guān)?；ハ嗯浜嫌嘘P(guān)。 組合絕緣組合絕緣常見的形式常見的形式是由多種介質(zhì)構(gòu)成的是由多種介質(zhì)構(gòu)成的層狀絕緣層狀絕緣(層疊絕層疊絕緣緣)。 各層各層最理想的分配原則最理想的分配原則是：使組合絕緣中各層絕緣所受的是：使組合絕緣中各層絕緣所受的電場強度與其電氣強度成正比。電場強度與其電氣強度成正比。因為此時

37、，整個組合絕緣的電因為此時，整個組合絕緣的電氣強度最高，每層絕緣材料得到了最充分、合理地利用。氣強度最高，每層絕緣材料得到了最充分、合理地利用。Page 35 各層絕緣所承受的電壓各層絕緣所承受的電壓與絕緣材料的特性和作用電壓的與絕緣材料的特性和作用電壓的類型有關(guān)。類型有關(guān)。 在直流電壓下在直流電壓下：各層絕緣分擔(dān)的電壓與其絕緣電阻成正比各層絕緣分擔(dān)的電壓與其絕緣電阻成正比，即和電導(dǎo)率成反比，即和電導(dǎo)率成反比,所以應(yīng)該把所以應(yīng)該把電氣強度高、電導(dǎo)率大電氣強度高、電導(dǎo)率大的材的材料用在料用在電場最強電場最強的地方。的地方。 在工頻交流和沖擊電壓的作用下在工頻交流和沖擊電壓的作用下：各層所分擔(dān)的電

38、壓與各各層所分擔(dān)的電壓與各層的電容成反比，亦即各層中的電場強度與其介電常數(shù)成反層的電容成反比，亦即各層中的電場強度與其介電常數(shù)成反比比，所以應(yīng)該把所以應(yīng)該把電氣強度高、介電常數(shù)大電氣強度高、介電常數(shù)大的材料用在的材料用在電場最電場最強強的地方。的地方。Page 36 在組合絕緣中，同時在組合絕緣中，同時采用多種電介質(zhì)，在需采用多種電介質(zhì)，在需要對這一類絕緣結(jié)構(gòu)中要對這一類絕緣結(jié)構(gòu)中的電場作定性分析時，的電場作定性分析時，常常采用最簡單的均勻常常采用最簡單的均勻電場雙層介質(zhì)模型，如電場雙層介質(zhì)模型，如右圖。在此模型中，最右圖。在此模型中，最基本的關(guān)系式為基本的關(guān)系式為 二、組合絕緣中的電場 1、

39、均勻電場雙層介質(zhì)模型、均勻電場雙層介質(zhì)模型2E2 1E1Udd1d2 1 E1 = 2 E2 U = E1 d1+E2 d2 Page 37221111ddUE 由此可得由此可得221122ddUE 1 和和 E1 分別為油的介電常數(shù)和油中電場強度，分別為油的介電常數(shù)和油中電場強度，2E2 分別分別為屏障的介電常數(shù)和屏障中的電場強度，即可知為屏障的介電常數(shù)和屏障中的電場強度，即可知 1 E2 。上面第一個上面第一個式式子子可改寫成可改寫成212221ddUEPage 38).().(.22112211112211332211nnnnnnnnnndddUEdddUEdEdEdEUEEEE由上式可

40、知，當(dāng)外加電壓由上式可知，當(dāng)外加電壓U和極間距離不變的條件下，增和極間距離不變的條件下，增大大i，Ei下降，但對于其余介質(zhì)的下降，但對于其余介質(zhì)的E有不同程度增大的趨勢有不同程度增大的趨勢Page 39 超高壓交流電纜常為單相圓芯結(jié)構(gòu)，由于其絕緣層較厚，超高壓交流電纜常為單相圓芯結(jié)構(gòu)，由于其絕緣層較厚，一般采用分階結(jié)構(gòu)，以減小纜芯附近的最大電場強度。一般采用分階結(jié)構(gòu)，以減小纜芯附近的最大電場強度。 2、介質(zhì)界面是電纜芯線的同心圓筒的情況 分階絕緣分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層絕緣構(gòu)成的組合絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層絕緣構(gòu)成的組合絕緣 分階原則分階原則是對越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越大

41、的是對越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越大的材料，以達(dá)到電場均勻化的目的。材料，以達(dá)到電場均勻化的目的。 先討論單相圓芯均勻介質(zhì)電纜中絕緣的利用系數(shù)。如果先討論單相圓芯均勻介質(zhì)電纜中絕緣的利用系數(shù)。如果施加交流電壓施加交流電壓U ，則其絕緣層中距電纜軸心，則其絕緣層中距電纜軸心 r 處的電場處的電場E可由可由下式求得下式求得0lnrRrUE 式中式中 r0、 R 分別為電纜芯線的半徑和外電極（金屬護(hù)套）的分別為電纜芯線的半徑和外電極（金屬護(hù)套）的半徑。半徑。Page 40 對于單相圓芯均勻介質(zhì)電纜而言，絕緣層中最大電場強對于單相圓芯均勻介質(zhì)電纜而言，絕緣層中最大電場強度度Emax 位于芯線的表

42、面上位于芯線的表面上00maxlnrRrUE 而最小電場強度而最小電場強度Emin 位于絕緣層的外表面（位于絕緣層的外表面（r=R）。此時）。此時的平均電場強度的平均電場強度Eav 應(yīng)為應(yīng)為0rRUEav 絕緣中平均場強與最大場強之比成為該絕緣的利用系數(shù)絕緣中平均場強與最大場強之比成為該絕緣的利用系數(shù)，則此時，則此時000maxlnrRrRrEEav 值越大，則電場分布越均勻，亦值越大，則電場分布越均勻，亦即絕緣材料利用的越充分。即絕緣材料利用的越充分。平板電容器的平板電容器的 值可視為值可視為1。Page 41第五節(jié) 絕緣的老化n 老化：電氣設(shè)備的絕緣在運行過程中，由于受到各種因素老化：電氣

43、設(shè)備的絕緣在運行過程中，由于受到各種因素的長期作用，會發(fā)生一系列的長期作用，會發(fā)生一系列不可逆不可逆的變化，從而導(dǎo)致其物的變化，從而導(dǎo)致其物理、化學(xué)、電和機械等性能的劣化理、化學(xué)、電和機械等性能的劣化n 老化的原因有哪些？ n 熱、電、機械力、水分、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。n 最主要的是電老化、熱老化、機械應(yīng)力老化和綜合性的環(huán)最主要的是電老化、熱老化、機械應(yīng)力老化和綜合性的環(huán)境老化境老化 電老化電老化局部放電老化局部放電老化 熱老化熱老化熱作用下的氧化熱作用下的氧化 環(huán)境老化環(huán)境老化污染性化學(xué)老化污染性化學(xué)老化Page 42n （一）電介質(zhì)的電老化n 電老化：在外加高電壓或強電場作用下發(fā)生的老化。n 主要原因：局部放電局部放電Page 43