液體和固體電介質(zhì)的

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

：電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)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(zhì)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(zhì)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(diǎn):a、極化所需時(shí)間極短。b、極化時(shí)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(diǎn):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(qiáng)。第5頁/共38頁第五頁，共39頁。(3)偶極子式極化其特點(diǎn)a、極化所需時(shí)間較長，因而與頻率有關(guān)。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(shí)，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(diǎn)

在兩層電介質(zhì)的界面上發(fā)生電荷的移動(dòng)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(shí)與穩(wěn)態(tài)時(shí)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(diǎn)。第8頁/共38頁第八頁，共39頁。二、電介質(zhì)的電導(dǎo)1、定義

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

表征電導(dǎo)過程強(qiáng)弱程度的物理量為電導(dǎo)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(zhì)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(shí)間極短。(2)吸收電流ia

有損極化所對應(yīng)的電流，即夾層極化和偶極子極化時(shí)的電流，它隨時(shí)間而衰減。

絕緣介質(zhì)中少量離子定向移動(dòng)所形成的電導(dǎo)電流，它不隨時(shí)間而變化。(3)泄漏電流ig2、介質(zhì)中的電流第10頁/共38頁第十頁，共39頁。流過介質(zhì)的電流i由三個(gè)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(zhì)在直流電壓作用下，觀察到電路中的電流從大到小隨時(shí)間衰減,，最終穩(wěn)定于某一數(shù)值，稱為“吸收現(xiàn)象”。

介質(zhì)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(zhì)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(zhì)的損耗1、損耗的形式(1)電導(dǎo)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(zhì)內(nèi)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(zhì)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(gè)新的物理量來表征介損的特性。用介質(zhì)損耗角的正切tgδ來表示介損的意義可推導(dǎo)出介質(zhì)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(yàn)電壓U的高低等因素有關(guān);(2)tgδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無關(guān)的量，而僅取決于電介質(zhì)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(zhì)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(qiáng)度不很高時(shí)，tgδ不變；

在電場強(qiáng)度較高時(shí)，tgδ隨電場強(qiáng)度升高而迅速增大。

較高電壓下測量tgδ可發(fā)現(xiàn)介質(zhì)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(zhì)電性能的四個(gè)物理量與對應(yīng)的四個(gè)物理現(xiàn)象1.電介質(zhì)的極化相對介電系數(shù)2.電介質(zhì)的電導(dǎo)電導(dǎo)率γ3.電介質(zhì)的損耗介質(zhì)損失角正切tgδ4.電介質(zhì)的擊穿電場強(qiáng)度E第19頁/共38頁第十九頁，共39頁。四、液體電介質(zhì)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(zhì)的影響,，而雜質(zhì)是水分、受潮的纖維和被游離了的氣泡等構(gòu)成。

在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中的電場分布是與介質(zhì)的εr

成反比的。由于氣泡的εr

最小（≈1），其電氣強(qiáng)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)生的帶電離子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)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(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(qiáng)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(qiáng)

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(zhì)的，這些雜質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率均與變壓器油不同，從而會(huì)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(zhì)小橋。這時(shí)會(huì)發(fā)生兩種情況：

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

大以及含水分纖維的電導(dǎo)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(kuò)大，電離增強(qiáng)，這樣下去必然會(huì)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(zhì)小橋接通電極，因小橋的電導(dǎo)大而導(dǎo)致泄漏電流增大，發(fā)熱會(huì)促使水分汽化，氣泡擴(kuò)大，發(fā)展下去也會(huì)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(diǎn)：在均勻電場中，當(dāng)工頻電壓升高到某值時(shí)，油中可能出現(xiàn)一個(gè)火花放電，但旋即消失，油又恢復(fù)其電氣強(qiáng)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(fù)多次，最后才會(huì)發(fā)生穩(wěn)定的擊穿。

判斷油的質(zhì)量，重要依靠則量其電氣強(qiáng)度、tgδ和含水量等。其中最重要的試驗(yàn)項(xiàng)目是用標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)擊穿電壓的因素（1）自身品質(zhì)因素：雜質(zhì)的多少（含水量、纖維量、氣量）通過標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓來衡量油的品質(zhì)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(dāng)電壓作用時(shí)間大于毫秒級時(shí)，表現(xiàn)為熱擊穿，擊穿電壓隨作用時(shí)間增加而降低。（5）電場均勻程度電場愈均勻，雜質(zhì)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(shí)間

加壓后短至幾個(gè)微秒時(shí)，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(zhì)擊穿電壓的措施（1）過濾（2）防潮（3）脫氣（4）采用固體電介質(zhì)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(zhì)的擊穿1、擊穿形式(1)電擊穿

固體介質(zhì)的電擊穿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。

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），它們在強(qiáng)電場作用下加速，并與晶格接點(diǎn)上的原子（或離子）不斷碰撞。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場獲得的能量大于碰撞時(shí)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(shí)，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?。?7頁/共38頁第二十七頁，共39頁。

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)的擊穿通常為電擊穿，其擊穿場強(qiáng)一般可達(dá)105～106kV/m，比熱擊穿時(shí)的擊穿場強(qiáng)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(guān)；除擊穿時(shí)間很短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系不大；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。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(zhì)內(nèi)熱不穩(wěn)定過程造成的。當(dāng)固體介質(zhì)長期地承受電壓的作用時(shí)，會(huì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，與此同時(shí)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)到平衡這時(shí)固體介質(zhì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)介質(zhì)溫度不會(huì)不斷上升而的導(dǎo)致絕緣的破壞。但是如果發(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。

（1）熱擊穿電壓會(huì)隨周圍媒質(zhì)溫度t0

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(qiáng)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(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(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)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(qiáng)度下降而以電擊穿形式完成。

（3）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。（4）f或tgδ的增大都會(huì)造成介質(zhì)的發(fā)熱量增大。臨界擊穿電壓下降。

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

如果電壓作用時(shí)間很短（例如0.1s以下），固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時(shí)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(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。不過二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)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(zhì)厚度2、影響因素(3)電壓種類

處于均勻電場中的固體介質(zhì)，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(zhì)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(dāng)厚度增加到使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí)，增加厚度的意義就更小了。直流時(shí)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(yīng)(5)受潮

固體介質(zhì)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(zhì)內(nèi)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(shí)，局部損傷會(huì)逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。它會(huì)導(dǎo)致固體介質(zhì)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(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；