液體和固體電介質的

第二章液體和固體電介質的絕緣特性第一節(jié)電介質的極化第二節(jié)電介質的電導第三節(jié)電介質的損耗第四節(jié)液體電介質的擊穿特性第五節(jié)固體電介質的擊穿特性第六節(jié)電介質的老化第1頁/共38頁第一頁，共39頁。一、電介質的極化1、定義

：電介質中的帶電質點在電場作用下沿電場方向作有限位移。Qo=CoU相同情況下不同介質極化的程度不同Q=CU第2頁/共38頁第二頁，共39頁。Qo=CoUεr

——相對介電系數(shù)Qo=CoU

表征電介質在電場作用下的極化程度。表2——1第3頁/共38頁第三頁，共39頁。2、極化的基本形式(1)電子式極化其特點:a、極化所需時間極短。b、極化時沒有能量損耗。c、溫度對極化影響極小。第4頁/共38頁第四頁，共39頁。(2)離子式極化其特點:a.極化過程極短。b.極化過程無能量損耗。c.溫度對極化有影響,極化隨溫度升高而增強。第5頁/共38頁第五頁，共39頁。(3)偶極子式極化其特點a、極化所需時間較長，因而與頻率有關。b、極化過程有能量損耗。c、溫度對極化影響很大，溫度很高和很低時，極化均減弱。第6頁/共38頁第六頁，共39頁。(4)夾層式極化其特點

在兩層電介質的界面上發(fā)生電荷的移動和積累，極化過程緩慢，并有損耗。

交界面積聚的異號電荷不等，在交界處顯示出極性。第7頁/共38頁第七頁，共39頁。(4)夾層式極化P36舉例，

初始狀態(tài)時與穩(wěn)態(tài)時的電壓分配不同，過度過程就是極化過程。

極化使等值電容變大。

交界面積聚的異號電荷不等，在交界處顯示出極性。

工程意義，P36底3點。第8頁/共38頁第八頁，共39頁。二、電介質的電導1、定義

介質在電場作用下，使其內部聯(lián)系較弱的帶電粒子作有規(guī)律的運動形成電流，即泄漏電流。這種物理現(xiàn)象稱為電導。

表征電導過程強弱程度的物理量為電導率γ，或它的倒數(shù)電阻率ρo表2—1第9頁/共38頁第九頁，共39頁。(1)電容電流ic

在加壓初瞬間介質中的電子式極化和離子式極化過程所引起的電流，無損耗，存在時間極短。(2)吸收電流ia

有損極化所對應的電流，即夾層極化和偶極子極化時的電流，它隨時間而衰減。

絕緣介質中少量離子定向移動所形成的電導電流，它不隨時間而變化。(3)泄漏電流ig2、介質中的電流第10頁/共38頁第十頁，共39頁。流過介質的電流i由三個分量組成：第11頁/共38頁第十一頁，共39頁。3、吸收現(xiàn)象

固體電介質在直流電壓作用下，觀察到電路中的電流從大到小隨時間衰減,，最終穩(wěn)定于某一數(shù)值，稱為“吸收現(xiàn)象”。

介質干燥和嘲濕程度不同，吸收現(xiàn)象不一樣，據(jù)此可判斷絕緣性能的好壞。4、固體電介質的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻表面泄漏電流的影響第12頁/共38頁第十二頁，共39頁。三、電介質的損耗1、損耗的形式(1)電導損耗由泄漏電流引起的損耗，交直流下都存在。(2)極化損耗由偶極子與夾層極化引起，交流電壓下極明顯。(3)游離損耗

指氣體間隙的電暈放電以及液固體介質內部氣泡中局部放電所造成的損耗。第13頁/共38頁第十三頁，共39頁。2、介質損耗角

在交流電壓作用下，由于存在三種形式的損耗，需引入一個新的物理量來表征介損的特性。用介質損耗角的正切tgδ來表示介損的意義可推導出介質的有功損耗P第14頁/共38頁第十四頁，共39頁。由于:(1)P值與試驗電壓U的高低等因素有關;(2)tgδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無關的量，而僅取決于電介質的損耗特性。

(3)tgδ可以用高壓電橋等儀器直接測量.

所以表征介損用介質損失角的正切tgδ來表示,而不是用有功損耗P來表示.第15頁/共38頁第十五頁，共39頁。3、影響tgδ的因素（1）溫度的影響第16頁/共38頁第十六頁，共39頁。（2）頻率的影響第17頁/共38頁第十七頁，共39頁。（3）電壓的影響在電場強度不很高時，tgδ不變；

在電場強度較高時，tgδ隨電場強度升高而迅速增大。

較高電壓下測量tgδ可發(fā)現(xiàn)介質的氣泡、分層和裂痕等缺陷。第18頁/共38頁第十八頁，共39頁。

描寫電介質電性能的四個物理量與對應的四個物理現(xiàn)象1.電介質的極化相對介電系數(shù)2.電介質的電導電導率γ3.電介質的損耗介質損失角正切tgδ4.電介質的擊穿電場強度E第19頁/共38頁第十九頁，共39頁。四、液體電介質的擊穿特性1、“小橋”理論（即“氣泡”擊穿理論）

變壓器油的擊穿主要原因，在于雜質的影響,，而雜質是水分、受潮的纖維和被游離了的氣泡等構成。

在交流電壓下，串聯(lián)介質中的電場分布是與介質的εr

成反比的。由于氣泡的εr

最小（≈1），其電氣強度又比液體介質低得多，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。電離產生的帶電離子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導致氣體通道擴大。如果許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。第20頁/共38頁第二十頁，共39頁。

如果液體介質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中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場強

氣泡理論可推廣到其他懸浮物所引起的擊穿，用來解釋工程用變壓器油的擊穿過程。工程用變壓器油是有雜質的，這些雜質的介電常數(shù)和電導率均與變壓器油不同，從而會畸變油中電場，影響油的擊穿。

由于水和纖維的

εr

很大，很易沿電場方向極化定向，并排列成雜質小橋。這時會發(fā)生兩種情況：

（1）如果雜質小橋尚未接通電極，則纖維等雜質與油串聯(lián)，由于纖維εr

大以及含水分纖維的電導大，使其端部油中電場顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴大，電離增強，這樣下去必然會出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。第21頁/共38頁第二十一頁，共39頁。

（2）如果雜質小橋接通電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發(fā)熱會促使水分汽化，氣泡擴大，發(fā)展下去也會出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。

工程用變壓器油的擊穿有如下特點：在均勻電場中，當工頻電壓升高到某值時，油中可能出現(xiàn)一個火花放電，但旋即消失，油又恢復其電氣強度；電壓再增油中又可能出現(xiàn)火花，但可能又旋即消失；這樣反復多次，最后才會發(fā)生穩(wěn)定的擊穿。

判斷油的質量，重要依靠則量其電氣強度、tgδ和含水量等。其中最重要的試驗項目是用標準油杯測量油的工頻擊穿電壓。第22頁/共38頁第二十二頁，共39頁。2、影響液體電介質擊穿電壓的因素（1）自身品質因素：雜質的多少（含水量、纖維量、氣量）通過標準油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓來衡量油的品質第23頁/共38頁第二十三頁，共39頁。（2）溫度第24頁/共38頁第二十四頁，共39頁。（3）壓力擊穿電壓隨壓力增大。

當電壓作用時間大于毫秒級時，表現(xiàn)為熱擊穿，擊穿電壓隨作用時間增加而降低。（5）電場均勻程度電場愈均勻，雜質對擊穿電壓的影響愈大分散性也愈大，擊穿電壓也愈高。（4）電壓作用時間

加壓后短至幾個微秒時，表現(xiàn)為電擊穿，擊穿電壓很高。第25頁/共38頁第二十五頁，共39頁。3、提高液體電介質擊穿電壓的措施（1）過濾（2）防潮（3）脫氣（4）采用固體電介質覆蓋層——電極表面絕緣層屏障——油間隙中間第26頁/共38頁第二十六頁，共39頁。五、固體電介質的擊穿1、擊穿形式(1)電擊穿

固體介質的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。

固體介質中存在少量處于導電能級的電子（傳導電子），它們在強電場作用下加速，并與晶格接點上的原子（或離子）不斷碰撞。當單位時間內傳導電子從電場獲得的能量大于碰撞時失去的能量，則在電子的能量達到了能使晶格原子（或離子）發(fā)生電離的水平時，傳導電子數(shù)將迅速增多，引起電子崩，破壞了固體介質的晶格結構，使電導大增而導致?lián)舸?。?7頁/共38頁第二十七頁，共39頁。

雜介質電導（或介質損耗）很小，又有良好的散熱條件以及介質內部不存在局部放電的情況下，固體介質的擊穿通常為電擊穿，其擊穿場強一般可達105～106kV/m，比熱擊穿時的擊穿場強高很多，后者僅為103～104kV/m。

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；除擊穿時間很短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時間的關系不大；介質發(fā)熱不顯著；電場的均勻程度對擊穿電壓有顯著影響。第28頁/共38頁第二十八頁，共39頁。(2)熱擊穿

熱擊穿是由于固體介質內熱不穩(wěn)定過程造成的。當固體介質長期地承受電壓的作用時，會因介質損耗而發(fā)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到平衡這時固體介質處于熱穩(wěn)定狀態(tài)介質溫度不會不斷上升而的導致絕緣的破壞。但是如果發(fā)熱大于散熱，介質溫度將不斷上升，導致介質分解、熔化、碳化或燒焦，從而發(fā)生熱擊穿。

（1）熱擊穿電壓會隨周圍媒質溫度t0

的上升而下降。（2）熱擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加，因厚度越大，介質中心附近的熱量逸出就越困難，所以固體介質的擊穿場強隨厚度的增大而降低。第29頁/共38頁第二十九頁，共39頁。

固體介質在長期工作電壓的作用下，由于介質內部發(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現(xiàn)象稱為電化學擊穿。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以電擊穿形式完成。

（3）如果介質的導熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升。（4）f或tgδ的增大都會造成介質的發(fā)熱量增大。臨界擊穿電壓下降。

電化學擊穿電壓的大小與加電壓時間的關系非常密切，但也因介質種類的不同而異。一般來說，無機絕緣材料耐局部放電的性能較好。(3)電化學擊穿第30頁/共38頁第三十頁，共39頁。2、影響固體電介質擊穿放電的因素(1)電壓作用時間

如果電壓作用時間很短（例如0.1s以下），固體介質的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當然也較高。隨著電壓作用時間的增長，擊穿電壓下降，如果在加壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結果。第31頁/共38頁第三十一頁，共39頁。(2)電場均勻程度與介質厚度2、影響因素(3)電壓種類

處于均勻電場中的固體介質，其擊穿電壓往往較高，且隨厚度的增加近似地成線性增大；若在不均勻電場中，介質厚度增加將使電場更不均勻，于是擊穿電壓不在隨厚度的增加而線性上升。當厚度增加到使散熱困難到可能引起熱擊穿時，增加厚度的意義就更小了。直流時的擊穿電壓大于交流。第32頁/共38頁第三十二頁，共39頁。(4)電壓作用的累積效應(5)受潮

固體介質在不均勻電場中以及在幅值不是很高的過電壓、特別是雷電沖擊電壓下，介質內部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時，局部損傷會逐步發(fā)展，這稱為累積效應。它會導致固體介質擊穿電壓的下降。

對不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介質，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；