重庆大学高电压2 液体、固体介质绝缘强度

1、第一篇第一篇 高电压绝缘与试验高电压绝缘与试验第二章第二章 液体、固体电介质的绝缘强度液体、固体电介质的绝缘强度电介质的概念：电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，一旦施加电场后发生介质子的结构，一旦施加电场后发生介质极化极化的固体、液的固体、液体和气体总称为电介质体和气体总称为电介质（dielectrics）电介质电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有子工程领域中占有重要的地位。重要的地位。电介质的主要用途电介质的主要用途：利用大介电常数构成电容器利用大介电常数构成电容器利用高绝缘阻抗构

2、成电工利用高绝缘阻抗构成电工绝缘绝缘材料材料（insulating materials）在电场作用下在电场作用下电介质电介质的电气特性表现为：的电气特性表现为： 导电性能导电性能 介电性能介电性能 电气强度电气强度表征参数表征参数通过本章的学习要通过本章的学习要掌握掌握液体和固体介质的极化、电导液体和固体介质的极化、电导和损耗；和损耗；掌握掌握液体和固体介质的击穿特性；了解组合液体和固体介质的击穿特性；了解组合绝缘的意义。绝缘的意义。 电导率电导率(绝缘电阻率绝缘电阻率) 相对介电常数相对介电常数r介质损耗角正切介质损耗角正切tg在高电场下的电气传导在高电场下的电气传导机理、击穿电压机理、击穿

3、电压导电性能导电性能介电性能介电性能电气强度电气强度主要内容介质在工作介质在工作电压下的表电压下的表现特性现特性介质在极端介质在极端电压（击穿电压（击穿电压）作用电压）作用下的表现下的表现1 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗用平板电容器做实验，可以用平板电容器做实验，可以发现，当极间为真空时：发现，当极间为真空时：极板间为真空极板间为真空dAUQC000A1.1 介质的极化和相对介电常数介质的极化和相对介电常数dAUQQUQC000000/dAdAQQQCCr r 是反映电介质是反映电介质极化极化程度的一个程度的一个物理量。物理量。极板间为固体介质极板间为固体介质相对介电常数相

4、对介电常数当极间填充极间距离相同的固体介质时：当极间填充极间距离相同的固体介质时：r的的物理意义物理意义：在电压在电压U作用下，极间放入电介质后，极间的作用下，极间放入电介质后，极间的电容量电容量(或极板间的电荷或极板间的电荷)比真空时极间的电容量（或极板间的电荷）比真空时极间的电容量（或极板间的电荷）增大的倍数增大的倍数电容量增大的原因在于介质的极化现象。电容量增大的原因在于介质的极化现象。极化的基本概念：极化的基本概念：电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极生偶极矩，或在电介质表面出

5、现感应束缚电荷的现象称为电介质极化化(1) 电子式位移极化电子式位移极化在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩出现感应偶极矩特点：特点：p极化时间很短；各种频率下均极化时间很短；各种频率下均可发生，极化与外加频率无关；可发生，极化与外加频率无关；p具有弹性，无损耗；具有弹性，无损耗；p温度影响不大。温度影响不大。1.2 电介质极化的类型电介质极化的类型不同类型不同类型的介质正、负电荷的表现形式不同，因此具有的介质正、负电荷的表现形式不同

6、，因此具有不同的极化类型不同的极化类型。特点：特点：p极化时间稍长，极化与频率无关；极化时间稍长，极化与频率无关；p弹性极化，无损；弹性极化，无损；p极化受温度影响：极化受温度影响： T离子结合力离子结合力极化极化 （主要）（主要） T密度密度极化极化（次要）（次要） T极化极化 固体固体无机化合物无机化合物大多属大多属离子式结构离子式结构，无外电场时，晶体的正、，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平均极矩负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平均极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的

7、偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。(2) 离子式位移极化离子式位移极化(3) 偶极子极化偶极子极化 极性电介质极性电介质中，中， 极性分子极性分子无外电场无外电场作用时，作用时，极性分子极性分子的偶极的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。介质对外并不表现出极性。出现外电场出现外电场后，原先排列杂乱的偶后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶

8、极子极化或转向极化。显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。 特点：特点：p 极化时间较长；极化时间较长；p 非弹性极化；非弹性极化；p 频率的影响：频率频率的影响：频率偶极子来不及转向偶极子来不及转向极化极化；p 温度影响：温度影响：T转向容易转向容易极化极化 T热运动加剧阻碍转向热运动加剧阻碍转向极化极化（a）无外电场）无外电场 （b）有外电场）有外电场 合闸瞬间，合闸瞬间，t=时，电时，电压按电容分配：压按电容分配：2101212012CUUCCCUUCC(4)夹层介质界面极化夹层介质界面极化1022010tUCUC122121GGRRUUt合闸后，合闸后，t，到达稳到达稳定，电压

9、按电阻分配：定，电压按电阻分配：11122212RUURRRUURR201021,UUUU121212,()CCRRGG或假设：假设：101202UUUU即：外加电压即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布在两层介质上的初始分布不等于稳态分布1022010tUCUC122121GGRRUUt由由t=到到t有一电压重新分配的过程，也就是有一电压重新分配的过程，也就是C1和和C2上电压重新分配的过程。上电压重新分配的过程。U2的电压下降，表明的电压下降，表明C上的电荷要通过上的电荷要通过R泄放。泄放。U1的电压上升，表明的电压上升，表明C1要通过要通过R由电源充电吸收一部分电荷，由电源充

10、电吸收一部分电荷，即即。由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸。由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这个过程称为收电荷，整个介质的等值电容增大，这个过程称为。2U 1U 时间常数时间常数夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导完成的，高压绝缘介质夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导完成的，高压绝缘介质的的G通常很小，所以极化速度非常缓慢。通常很小，所以极化速度非常缓慢。2121GGCC各种极化类型的比较各种极化类型的比较电子式电子式任何电介质任何电介质10-15束缚电荷的位移束缚电荷的位移无无离子式离子式离子式结构电离子式结构电介质介质10-13离子的相对偏移离子

11、的相对偏移几乎无几乎无偶极子式偶极子式极性电介质极性电介质10-1010-2偶极子的定向排列偶极子的定向排列有有夹层介质夹层介质界面界面多层介质多层介质交界面交界面10-1数小时数小时自由电荷的移动自由电荷的移动有有前三种极化是由带电质点（电荷）的弹性位移或转向形成的，夹层介质界前三种极化是由带电质点（电荷）的弹性位移或转向形成的，夹层介质界面的极化则是有带电质点的移动形成的。面的极化则是有带电质点的移动形成的。 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r大的电介质，因大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其

12、他电气设备中往往希望选用其他电气设备中往往希望选用r较小的电介质，这是因为较小的电介质，这是因为较大的较大的r往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。大。(如酒精如酒精r，水的，水的r，属于强极性物质，属于强极性物质，其电导率也很大，因此，不能用其作为绝缘介质其电导率也很大，因此，不能用其作为绝缘介质) 在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的这时应注意各种材料的r值之间的配合，因为在工频交流值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分

13、布电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的与串联各层电介质的r成反比。成反比。讨论极化在工程实际中的意义讨论极化在工程实际中的意义 对于电容器，要求相同体积有较大的电容量，需增大对于电容器，要求相同体积有较大的电容量，需增大 r ； 对于电缆，为减小电容电流，需减小对于电缆，为减小电容电流，需减小 r ； 在交流及冲击电压下，各层电压分布与其在交流及冲击电压下，各层电压分布与其 r 成反比，选择成反比，选择合适的合适的 r 使各层介质电场分布较均匀。使各层介质电场分布较均匀。 掌握不同极化类型对介质损耗的影响掌握不同极化类型对介质损耗的影响 通过夹层极化现象可以判断

14、绝缘受潮。在使用电容器等大通过夹层极化现象可以判断绝缘受潮。在使用电容器等大电容设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的影响。电容设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的影响。 电导率电导率表征电介质表征电介质导电导电性能的主要物理量，其倒数性能的主要物理量，其倒数为电阻率。为电阻率。 任何电介质都有电导；任何电介质都有电导； 按载流子的不同，电介质电导分为按载流子的不同，电介质电导分为离子电导离子电导、电子电子电导电导、电泳电导。电泳电导。1.3 电介质的电导电介质的电导1、电子电导、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数一般很微弱，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

15、。极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。2、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，本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率电阻率10101014 cm 。 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率是杂质离子电导，电阻率10171019cm 。3、电泳电导：、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶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）或细小水珠，他们吸附体粒子（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。电荷后变成了带

16、电粒子。 对于对于固体介质固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导表面电导。其。其值受外界因素的影响很大。值受外界因素的影响很大。 注意注意：在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，：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、烘干水分。应清除表面污秽、烘干水分。 表面电导表面电导电介质的泄漏电流和绝缘电阻 ic-充电电流：为无损极化对应的纯电容电流。 ia-吸收电流：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化)。 ig-泄漏电流： 为电介质中的离子或电子在电场作用下的移动形成的电流。绝缘电阻和吸收比位移电流传导电流i：是表征单位时间内通过介质

17、内某一截面的电量。传导电流的组成：泄漏电流和位移电流两个分量三电极法测量介质电流的电路介质中的电流gIUR绝缘电阻：绝缘电阻：吸收比：吸收比：由于介质存在吸收现象，在试验中把加压由于介质存在吸收现象，在试验中把加压60s测量的绝缘测量的绝缘电阻与加压电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：6015RKR根据吸收比的大小可以有效地判断绝缘的好坏。如，良好、根据吸收比的大小可以有效地判断绝缘的好坏。如，良好、干燥的绝缘，吸收电流较大，干燥的绝缘，吸收电流较大，吸收比较大吸收比较大；受潮或有缺陷；受潮或有缺陷的绝缘，的绝缘，吸收比较小吸收比较小。绝缘电

18、阻的特点绝缘电阻的特点：(1) 测量介质或设备的测量介质或设备的R时应加压时应加压1分钟或分钟或10分钟（后者是指分钟（后者是指电容量大的设备如，电缆、电机等）电容量大的设备如，电缆、电机等）(2) 绝缘电阻绝缘电阻R具有负的温度系数具有负的温度系数(3) 绝缘电阻绝缘电阻R与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加的自由电子导电现象，增加的自由电子导电现象， 造成造成R剧烈下降剧烈下降(4) 对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电阻和表面电阻RS，由于受外界影响，由于受外界影响(如受潮、脏污等如受潮、

19、脏污等)很大，不能用很大，不能用RS来来说明绝缘内部问题。说明绝缘内部问题。工程电介质电导的性质工程电介质电导的性质(1)气体：电子电导气体：电子电导(2)液体：离子电导、电泳电导液体：离子电导、电泳电导(3)固体：离子电导、电子电导固体：离子电导、电子电导讨论电介质电导的意义讨论电介质电导的意义(1)电导是绝缘预防性试验的依据；电导是绝缘预防性试验的依据；(2)直流电压作用于分层绝缘时，电压分布与直流电压作用于分层绝缘时，电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率可实现各电阻成正比，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压；层间合理分压；(3)环境湿度对固体介质表面电阻的影响；环境湿度对固体介质表面

20、电阻的影响；(4)在某些情况下要减小绝缘电阻。在某些情况下要减小绝缘电阻。介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损介质损耗：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、夹层极化）引起的损耗，总称极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗介质损耗。直流下直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加：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将仅由电导电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率组成，所以可用体积电

21、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。说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。 1.3 电介质的能量损耗电介质的能量损耗1.3.1介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念交变电场，电介质能量损耗包括：电介质能量损耗包括：电导损耗电导损耗 通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗。损耗。极化损耗极化损耗 在交流电压下，由周期性极化所引起的能量在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗。损耗。因此，电介质在交流电压作用下，产生的因此，电介质在交流电压作用下，产生的有功功率损有功功率损耗耗，称为介质损耗，它包括，称为介质损耗，它包括电导损耗电导损

22、耗、极化损耗极化损耗。交流时，流过电介质的电流：交流时，流过电介质的电流：crIII视在功率：介质损耗(有功损耗)式中： 电源角频率； 功率因数角； 介质损耗角。)(crjIIUjQPScrIjUIUtgtg取决于材料的特性，与材料尺寸无关。取决于材料的特性，与材料尺寸无关。与外施电压、电源角频率、试品几何电容、介质与外施电压、电源角频率、试品几何电容、介质损失角正切损失角正切tg有关；有关；当外施电压当外施电压U一定时，对工频而言一定时，对工频而言，一定一定，P仅与仅与Cp和和 tg有关，对结构一定的试品，有关，对结构一定的试品，Cp也为定值。因此，也为定值。因此，对同类试品，介质的对同类试

23、品，介质的有功损耗有功损耗的由的由tg决定。决定。tgCUpp2并联电路：并联电路：RCCURUIItgppcrp1/tgCURUPpp22rCCIIUUtgssrcrs/2221tgtgCUrIPss21tgCCPPspsp通常，通常， tg1，则有，则有CpCs串联电路：串联电路：1.3.2 有损介质的等值电路有损介质的等值电路 电介质的电导损耗和极化损耗都同时存在，其介电介质的电导损耗和极化损耗都同时存在，其介质等值电路可用三个并联支路表示。质等值电路可用三个并联支路表示。C0：反映电子式和离子式极化；：反映电子式和离子式极化；Ca、ra：反映吸收电流，表示：反映吸收电流，表示 有损极化

24、；有损极化；R：反映电导损耗，该支路流过：反映电导损耗，该支路流过 的电流为泄漏电流。的电流为泄漏电流。C0CaraR电压、频率、温度电压、频率、温度(1) 电压电压 当电场强度达到气体的放电起始当电场强度达到气体的放电起始电压电压U0时，气体中发生放电，这时，气体中发生放电，这时损耗将急剧增大。当固体、液时损耗将急剧增大。当固体、液体介质中存在气泡，施加较高电体介质中存在气泡，施加较高电压（压（UU0），）， tg将增加，可检将增加，可检查出介质内部所存在的缺陷。查出介质内部所存在的缺陷。（预防性试验规程试验电压（预防性试验规程试验电压U=10kV）1.3.3 影响介质损耗的因素影响介质损耗

25、的因素（2）温度）温度液体介质损耗主要由液体介质损耗主要由电导引起，极性液体电导引起，极性液体介质的损耗介质的损耗tg与温度与温度的关系如图所示。的关系如图所示。在在低温低温时，时，极化损耗和极化损耗和电导损耗都较小，电导损耗都较小， 液液体的粘度体的粘度 ，偶极子转向极，偶极子转向极化化 ，电导损耗，电导损耗 并在并在tt1时达到时达到极极大值大值； t在在t1tt2以后，由于电以后，由于电导损耗随温度急剧上导损耗随温度急剧上升升 、极化损耗不断减、极化损耗不断减小小 而退居次要地位，而退居次要地位，因而就随温度因而就随温度t的上升的上升而持续增大而持续增大 。（3）频率）频率tg与温度的关

26、系中还给出与温度的关系中还给出了频率了频率f 对对tg的影响，可的影响，可见：见： f （ f 2f1）tg=f(f）曲线的形状不变，曲线的形状不变，但曲线向但曲线向右右移动了一定距移动了一定距离。离。这是这是因为因为频率增加时，偶极子不易充分转向，为使其充分转向频率增加时，偶极子不易充分转向，为使其充分转向，必须提高温度以减小粘度，故，必须提高温度以减小粘度，故，t- tg曲线向右移动。曲线向右移动。电介质的损耗电介质的损耗损耗极小损耗极小常用来构成标准电容器常用来构成标准电容器注意避免放电的发生注意避免放电的发生损耗与介质的极性有关损耗与介质的极性有关 非极性或弱极性非极性或弱极性 损耗决

27、定于漏导损耗决定于漏导 损耗小，损耗小，tg约为约为104 代表性介质有聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡胶、云母等代表性介质有聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡胶、云母等 极性液体、固体和结构不紧密的离子性固体极性液体、固体和结构不紧密的离子性固体 损耗决定于漏导和极化损失损耗决定于漏导和极化损失 损耗和温度、频率等因素有关，关系复杂损耗和温度、频率等因素有关，关系复杂讨论损耗的意义讨论损耗的意义：tg过大会引起绝缘介质严重发热，甚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因为至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为tg大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用大，而仅限于直流或脉冲电

28、压下使用，不能用于交流设备；于交流设备；如果绝缘受潮或劣化，如果绝缘受潮或劣化，tg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tgU 的关的关系曲线来判断是否发生局部放电；系曲线来判断是否发生局部放电；当当tg大的材料需加热时，可对材料加大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损的发热。该方法加交流电压，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热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法。法。小小 结结 电介质的极化电介质的极化q电子式极化电子式极化q离子式极化离子式极化q偶极子极化偶极子极化q夹层极化夹层极化 电介质的电

29、导：电介质的电导： 表征电介质导电性能的主要物理量表征电介质导电性能的主要物理量 电介质的损耗电介质的损耗： 在交变电场作用下电介质中的能量损耗在交变电场作用下电介质中的能量损耗液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，常用的液液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，常用的液体和固体介质为：体和固体介质为：液体介质液体介质：变压器油、电容器油、电缆油变压器油、电容器油、电缆油 、蓖麻油等、蓖麻油等固体介质固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、 硅橡胶等硅橡胶等2 液体电介质的击穿液体电介质的击穿2.1 液体电介质的击穿机理 一旦作用于固体和液体介质的电

30、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介绍的极化、电导和介质损耗。 与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。 液体电介质种类：液体电介质种类：主要指矿物油，如变压器油、主要指矿物油，如变压器油、电容器油、电缆油，植物油，如蓖麻油等。电容器油、电缆油，植物油，如蓖麻油等。作用：作用：它们在电气设备中起绝缘，冷却的作用，它们在电气设备中起绝缘，冷却的作用，在开关电器中还用来灭弧。在开关电器中还用来灭弧。绝缘性能：绝缘性能：液体介质的绝缘性能比空气好，用变液体介质的绝缘性能比空气好，用变压器油做为绝缘的电气设备的体积可大大缩

31、小。压器油做为绝缘的电气设备的体积可大大缩小。影响因素：影响因素：由于油间隙的击穿机理很复杂，它与由于油间隙的击穿机理很复杂，它与间隙中的电场分布、油中杂质、外加电压的形式、间隙中的电场分布、油中杂质、外加电压的形式、间隙距离等有着复杂的关系。间隙距离等有着复杂的关系。工程中往往用工程中往往用来衡量液体介质含杂质的来衡量液体介质含杂质的情况。情况。在标准试油器（通常称油在标准试油器（通常称油杯）中施加工频电压，此杯）中施加工频电压，此时油的击穿电压称为时油的击穿电压称为油的油的品质品质。用。用Q表示。表示。电压等级电压等级击穿电压击穿电压(kV)投运前的油投运前的油运行油运行油特高压特高压70

32、60500kV6050330kV504566220kV403535kV及以下及以下3530表表 运行中变压器油质量标准运行中变压器油质量标准2.1.1液体电介质的击穿机理液体电介质的击穿机理电击穿理论（电子碰撞电离理论）：电击穿理论（电子碰撞电离理论）：在外电场足够在外电场足够强时，强时，液体中因强场发射等原因产生的电子，液体中因强场发射等原因产生的电子，电子电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩电子崩。导致液体介质击穿。导致液体介质击穿。击穿特点：击穿特点：和长空气间隙的放电过程很相似。和长空气间隙的放电过程很相似。从击穿机理的角度

33、，可将液体电介质分为两类：从击穿机理的角度，可将液体电介质分为两类：纯净液体电介质纯净液体电介质非纯净液体电介质非纯净液体电介质(工程用工程用)气泡击穿理论（小桥理论）气泡击穿理论（小桥理论） 纯净的液体介质由于某种原因出现了气泡，在交纯净的液体介质由于某种原因出现了气泡，在交流电压下，流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的串联介质中电场强度的分布与介质的r 成反比成反比。由于气泡的。由于气泡的r 最小，其击穿强度又比液体最小，其击穿强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生介质低很多，所以气泡必先发生电离电离。 气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减

34、小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大导致气体通道扩大。许。许多电离的多电离的气泡气泡在电场中排列成气体在电场中排列成气体小桥小桥，击穿就可，击穿就可能在此通道中发生。能在此通道中发生。 纯净油的电气强度：纯净油的电气强度：相当高，可达相当高，可达8001000kV/cm，但，但提取工艺相当复杂。提取工艺相当复杂。 电气设备在电气设备在制造制造过程中难免混入杂质，过程中难免混入杂质，运行运行中也会老中也会老化而分解出气体和聚合物（蜡状物）。因此，化而分解出气体和聚合物（蜡状物

35、）。因此，工程上工程上用的绝缘油总是含有一些用的绝缘油总是含有一些气体气体和和杂质杂质。非纯净液体电介质（工程用液体电介质）油中的杂质：油中的杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。落纤维、液体本身老化分解。“杂质小桥杂质小桥”的形成：的形成：由于水和纤维的介电常数分别由于水和纤维的介电常数分别为为81和和67，比油的介电常数，比油的介电常数1.82.8大得多，从而大得多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥-杂质的杂质的“小桥小桥” 。油中受潮油中受潮水分水分(r=81)纸布脱落纸布脱

36、落纤维纤维(r=67)沿电场极化沿电场极化定向排列定向排列杂质杂质“小桥小桥”“杂质小桥杂质小桥”贯通两电极贯通两电极“杂质小桥杂质小桥”未贯通未贯通两电两电极极受潮纤维在电极间定向示意图受潮纤维在电极间定向示意图(a)如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电流增大，电流增大，发热发热会促使汽化；气泡扩大，发展下去会促使汽化；气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，会出现气体小桥，气泡小桥贯穿气泡小桥贯穿，使油隙发生击穿。，使油隙发生击穿。“杂质小桥杂质小桥”贯通两电极贯通两电极(b)杂质小桥尚杂质小桥尚未未接通电极时，则纤维等杂质与油串接通电极时，则纤

37、维等杂质与油串联，由于纤维的联，由于纤维的r大以及含水分纤维的电导大，使其大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起端部油中电场强度显著增高并引起电离电离，于是油，于是油分分解出气体解出气体，气泡扩大，电离增强，这样下去必然会，气泡扩大，电离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。出现由气体小桥引起的击穿。“杂质小桥杂质小桥”未贯通未贯通两电极两电极(a)桥贯穿：桥贯穿：G水水、G纤纤大大i油油发热发热水分汽化气泡扩大水分汽化气泡扩大(b)桥未贯穿：桥未贯穿：r纤纤r油油E纤纤小小 U纤纤小小 E油油油电离油电离 Eb气气80， t Ub(油中水分汽化增多油中水分汽化增

38、多)干燥的油干燥的油潮湿的油潮湿的油电场均匀度电场均匀度 优质油：改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著优质油：改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。增大，也能大大提高其冲击击穿电压。 品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差。效果较差。 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，而电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油与油的品质好坏几乎无关的品质好坏几乎无关。电压作用时间电压作用时间油隙的击穿电压会随电油隙的击穿电压会

39、随电压作用时间的增加而下降，压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的加电压时间还会影响油的击穿性质。击穿性质。电压作用时间为数十到电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电还不能显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。击穿，击穿电压很高。这这时影响油隙击穿电压的主时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度要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，油隙的击穿开始出现热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，于是击穿电压再度下降，为热击穿。过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。 油压的影响油压的影响 不论电场均匀

40、度如何，工业纯变压器油的工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随频击穿电压总是随油压油压的增加而的增加而增加增加，这是因为，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。增大的缘故。 油中含气体时：压力油中含气体时：压力 Ub油油(气体在油中溶解量气体在油中溶解量)油经脱气处理：压力对油经脱气处理：压力对Ub油油影响较小影响较小(1) 提高以及保持油的品质提高以及保持油的品质 过滤、防潮、祛气、防尘过滤、防潮、祛气、防尘(2) 改进绝缘结构以减小杂质的影响改进绝缘结构以减小杂质的影响 机理：阻止杂质小桥的形成和发展机理：

41、阻止杂质小桥的形成和发展2.1.3 提高液体介质击穿的主要措施提高液体介质击穿的主要措施 纯净液体介质的击穿纯净液体介质的击穿气体小桥理论气体小桥理论 用击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程用击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程 非纯净液体电介质的击穿机理非纯净液体电介质的击穿机理 影响变压器油击穿电压的因素影响变压器油击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的主要措施提高液体电介质击穿电压的主要措施什么是固体介质的击穿什么是固体介质的击穿? 当作用在固体介质的电场强度当作用在固体介质的电场强度超过某数值超过某数值时，时，在该介质在该介质内内会形成会形成导电通道导电通道，使固体介质破坏的，使固体

42、介质破坏的现象，称为固体介质的击穿。现象，称为固体介质的击穿。 固体介质被击穿后，会出现裂缝、痕迹或形固体介质被击穿后，会出现裂缝、痕迹或形成漏电通道。成漏电通道。 固体介质被击穿后，其绝缘性能不能自行恢固体介质被击穿后，其绝缘性能不能自行恢复。因而称复。因而称非自恢复绝缘非自恢复绝缘。 在气、液、固三种电介质中，固体材料密度在气、液、固三种电介质中，固体材料密度最大，耐电强度也最高。通常，最大，耐电强度也最高。通常，p空气的耐电强度空气的耐电强度 3kV/mm；p液体的耐电强度液体的耐电强度10kV/mm20 kV/mm；p固体的耐电强度固体的耐电强度几十几十kV/mm几百几百 kV/mm；

43、固体电介质的电气强度固体电介质的电气强度在电场作用下，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） t0.2 s 电化学过程（电化学击穿）电化学过程（电化学击穿） 数十小时数十小时3.1 固体电介质的击穿机理固体电介质的击穿机理含义：含义：固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作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。用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。条件：条件：在介质的电导很小，又有良好的散热条件在介质的电导很小，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，固体介以及介质内部不

44、存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿。质的击穿通常为电击穿。电击穿的主要特征：电击穿的主要特征： 与周围环境温度有关；与周围环境温度有关； 击穿时间很短（击穿时间很短（10 s0.2s) ，击穿电压与时间，击穿电压与时间无关；无关； 介质发热不显著；介质发热不显著； 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。3.1.1 电击穿理论电击穿理论 击穿机理击穿机理：固体介质会因介质损耗而发热，如果：固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、断上升而导致绝缘

45、的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。碳化或烧焦，从而引起热击穿。由于电导由于电导存在存在损耗损耗发热发热T(负温度系数负温度系数) R I损耗发热损耗发热(Q发发Q散散)T介质分解、劣化介质分解、劣化击击穿穿特点特点：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。质本身有关。击穿时间较长，击穿电压随击穿前时击穿时间较长，击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，击穿电压较低。间的增加而明显下降，击穿电压较低。3.1.2 热击穿理论热击穿理论 概念：概念：固体介质在电场长时间作用下（作用电固体介质在电场长时间作用下（作用电压时间长达数十小

46、时乃至几年甚至更长）压时间长达数十小时乃至几年甚至更长） ，逐，逐渐使介质的物理、化学性能发生渐使介质的物理、化学性能发生，并引起并引起击穿击穿的现象称为的现象称为电化电化学击穿学击穿。 介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部局部放电放电是是介质劣化介质劣化、损伤损伤、的主要的主要原因。原因。电化学3.1.3 电化学击穿 电离性老化电离性老化：在介质夹层或介质内部存在气隙或：在介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，在气泡，在交流电压交流电压作用下产生，作用下产生，气隙或气泡内气隙或气泡内放放电，并沿电场方向逐渐向电场深处发展，放电发电，并沿电场方向逐渐向电场深

47、处发展，放电发展通道会呈树枝状展通道会呈树枝状-电树枝老化电树枝老化 电导性老化电导性老化：在两极之间的绝缘层中存在：在两极之间的绝缘层中存在液态液态导导电物质（如水），在电物质（如水），在交流电压交流电压作用下产生，作用下产生，液体液体会会沿电场方向定向深入到绝缘层中，形成树枝状沿电场方向定向深入到绝缘层中，形成树枝状的痕迹，的痕迹，-水树枝老化水树枝老化 产生水树枝的原因是水或其他电解液中的离子在交产生水树枝的原因是水或其他电解液中的离子在交变电场下反复冲击绝缘物，使其产生疲劳损伤和化变电场下反复冲击绝缘物，使其产生疲劳损伤和化学分解，电解液便逐渐渗透、扩散到绝缘深处。学分解，电解液便逐渐

48、渗透、扩散到绝缘深处。 电解性老化电解性老化：离子性：离子性无机无机绝缘材料在绝缘材料在直直流流电压作用下，电介质会逐渐老化电压作用下，电介质会逐渐老化-电解电解老化老化 表面漏电起痕与电蚀损表面漏电起痕与电蚀损：有机介质表面：有机介质表面产生，如污秽放电，放电会使绝缘表面产生，如污秽放电，放电会使绝缘表面过热、局部炭化、烧蚀，形成漏电痕迹。过热、局部炭化、烧蚀，形成漏电痕迹。表面漏电起痕与电蚀损电介质中的树枝老化 在在电化学击穿电化学击穿中，有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机中，有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空绝缘材料的场

49、合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是迹，这就是树枝化树枝化放电劣化。放电劣化。 在交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生的带电粒子冲撞固体介质引起电化学劣化的结果。 在冲击电压下，则可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所造成的结果。(一一) 电压作用时间电压作用时间 如果电压作用时间如果电压作用时间很短很短(例如例如0.2s以下以下)，固体介质的击穿

50、，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。往往是电击穿，击穿电压当然也较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果在加电压后电压后数分钟数分钟到到数小时数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。作用。3.2影响固体介质击穿的因素和改进措施影响固体介质击穿的因素和改进措施 但两者并无明显的界限。例如在工频交流但两者并无明显的界限。例如在工频交流1min.耐压试耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。 电压作用时间长达电压作用时间长达数十小时数十小

51、时甚至甚至几年几年才发生击穿时，大才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。多属于电化学击穿的范畴。(二二) 电场均匀程度电场均匀程度 处于处于均匀电场均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成随介质厚度的增加近似地成线性增大线性增大； 若在若在不均匀电场不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压是击穿电压不再不再随厚度的增加而随厚度的增加而线性线性上升。当厚度增加上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。小了。常

52、用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。 (三三)温度温度 固体介质在某个温度范围内固体介质在某个温度范围内tt0后将发生后将发生热击穿热击穿，温度越高热击穿电压越低；，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。低。 因此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度因此，以

53、固体介质作绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。不同的固体介质其耐过高，在工作电压下即有热击穿的危险。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的临界温度临界温度t0一般也是不同的。一般也是不同的。(四四) 湿度湿度 湿度对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。湿度对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。 对不易吸潮的材料对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；受潮后击穿电压仅下降一半左右； 容易吸潮的极

54、性介质容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。电导率和介质损耗大大增加的缘故。 (五五)累积效应累积效应（固体介质的特有性能）（固体介质的特有性能） 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，化、烧焦或裂

55、缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为这称为累积效应累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。 。 (六六)机械负荷机械负荷 机械应力可能会造成绝缘材料开裂、松散，使得机械应力可能会造成绝缘材料开裂、松散，使得击穿电压下降。击穿电压下降。改善措施改善措施改进制造工艺改进制造工艺改善电场分布改善电场分布改善电极形状改善电极形状改善绝缘的工作条件改善绝缘的工作条件介质的其他性能介质的其他性能 热性能2. 机械性能3. 吸潮性能4. 化学性能及抗生物性热性能热性能 耐热性：耐热性：指保证电介质可靠安全运行指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度的

56、最高允许温度 热劣化：热劣化：电介质在稍高的温度下，长电介质在稍高的温度下，长时间后发生绝缘性能的不可逆变化时间后发生绝缘性能的不可逆变化 寿命：寿命：在一定温度下，电介质不产生在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命热损坏的时间称为寿命 短时耐热性：短时耐热性： 长期耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度产生热损坏的最高允许温度 介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料的最高持续工作温度为耐热程为此国际电工委员会按照材料的最高持续工作温度为耐热程度

57、划分耐热等级。如度划分耐热等级。如 Y A E B F H C度数级度数级 90 105 120 130 155 180 180 A级温度超过规定级温度超过规定8、B级级10、H级级12，寿命约，寿命约缩短一半缩短一半根据绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设根据绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计计电力设备使用期限定为电力设备使用期限定为20-25年。年。 耐寒性则是绝缘材料在低温下保证安全运耐寒性则是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，行的最低许可温度，否则否则，固体可能变脆、，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压号变

58、压器油分别表示其凝固温度为器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-402. 机械性能机械性能 有脆性、塑性和弹性三种有脆性、塑性和弹性三种 有些绝缘结构如绝缘子在运行中要承受较大的有些绝缘结构如绝缘子在运行中要承受较大的机械荷载。当其承受的机械荷载等于其破坏荷机械荷载。当其承受的机械荷载等于其破坏荷载时，它的载时，它的电气性能将下降电气性能将下降30%。多因素（如。多因素（如风、电、热及机械荷载的联合作用）会影响固风、电、热及机械荷载的联合作用）会影响固体介质的电气性能。因此，对绝缘子等产品在体介质的电气性能。因此，对绝缘子等产品在出厂前要经受出厂前要经受机械机械-电气电气联合试验，以便暴露出联合试验，以便暴露出绝缘中开裂、裂缝等缺陷。防患于未然。绝缘中开裂、裂缝等缺陷。防患于未然。3. 吸潮性能吸潮性能在潮湿地区要选用吸湿性小、憎水性强的材在潮湿地区要选用吸湿性小、憎水性强的材料。一般而言，非极性电介质吸湿性低，极料。一般而言，非极性电介质吸湿性