第二章 液体和固体介质绝缘强度

1、第二章第二章 液体和固体介质的绝缘强度液体和固体介质的绝缘强度液体绝缘介质液体绝缘介质 常做载流导体或磁导体（铁心）的冷却剂，在开关电器中可用作灭弧材料。固体绝缘介质固体绝缘介质 可作为载流导体的支撑或作为极间屏障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。2.1介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗2.1.1电介质的极化（1）介质的极化和相对介电常数电介质的极化电介质的极化 正常情况下，任何电介质都是呈中性的。但在电场作用下，其电荷质点就会沿电场方向产生有限的位移，这种现象称为电介质的极化。 实验证明：当电容器充满某种均匀介质时，电容器实验证明：当电容器充满某种均匀介质时，电容器的电容将增大。如

2、果真空中电容器用的电容将增大。如果真空中电容器用C0表示，充满表示，充满介质后电容用介质后电容用C表示，实验表明其比值表示，实验表明其比值10rCC 叫做电介质的相对电容率，是个纯数，叫做电介质的相对电容率，是个纯数，它只与电介质的性质有关，也叫相对介电常数它只与电介质的性质有关，也叫相对介电常数r 相对介电常数相对介电常数 充满介质时的几何电容和真空时的静电电容的比值。 各种气体的相对介电常数接近于1，而常用的液体、固体介质的相对介电常数各不相同，多在26之间，且和温度、电源频率的不同而各不相同，并和各种极化形式有关。（2）极化的形式）极化的形式1）电子式位移极化2）离子式位移极化3）偶极子

3、极化4）夹层极化1）电子式位移极化 任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，且正负电荷作用中心重合，对外不显电性。 在外电场的作用下，原子外层电子轨道相对在外电场的作用下，原子外层电子轨道相对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态。再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态。0EE电子式位移极化的特点：电子式位移极化的特点：u形成极化所需时间很短，在各种频率下都可能发生。因此其相对介电常数与外加电源频率无关；u具有弹性，当外施电压去掉后，正、负电荷的相互吸引力又可使极化原子恢复

4、到原有状态，所以无能量损耗；u温度对于电子式极化的影响极小，相对介电常数随温度上升略有降低，但工程上可忽略温度的影响。2）离子式位移极化 固体有机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在无外电场时，正、负离子对称排列，各离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零。 在外电场作用下，正、负离子将发生相反方向的在外电场作用下，正、负离子将发生相反方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩，对外偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩，对外呈现出电性。呈现出电性。0EE离子式位移极化的特点离子式位移极化的特点u弹性极化，极化过程时间较电子式极化稍长，几乎无损耗。在一般使用的频率范围内，相对介

5、电常数与频率无关。u温度对离子式极化的影响，存在相反的两种因素： 离子的结合力随温度升高而降，极化程度增强；（影（影响因素更大）响因素更大） 温度升高，离子密度减小，极化程度降低。3）偶极子极化偶极子：正、负电荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正电荷，另一端呈负电荷，分子本身就是一个永久性的偶极矩。极性介质：由永久性偶极子构成的介质叫极性介质。 单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介质分子处于不停的热运动状态，宏观上正负电荷平衡，对外不显电性。 在外电场的作用下，原来在外电场的作用下，原来混乱分布的极性分子沿电场混乱分布的极性分子沿电场方向作定向排列，因而呈现方向作定向排列，因而呈现出极性

6、出极性。0EE无外电场时有外电场时偶极子极化的特点偶极子极化的特点u偶极子极化是非弹性非弹性的，因为极化时极性分子旋转时克服分子间的吸引力而消耗的电场能量在复原时不可能收回；u极化所需时间较长，因此极性介质的相对介电常数与电源频率有较大关系，随频率的增高而上升，频率很高时，偶极子来不及转向，因而介电常数减小。u温度升高，分子间联系减弱，转向容易，极化加强；但分子热运动加剧，妨碍它们有规律地运动，这又使极化减弱。所以极性电介质的介电常数最初随温度升高而增加，以后当热运动变得较强烈时，又随温度升高而减小。综上所述（综上所述（3 3点）点）：1）气体介质由于密度很小，也即单位体积内所含分子的数目很少

7、，所以不论是非极性气体还是极性气体，其相对介电常数均很小，在工程上可近似地认为其等于1。2）液体介质可分为非极性、极性和强极性3种。l非极性（或弱极性）非极性（或弱极性）液体的相对介电常数在1.82.5，变压器油等矿物油属此类。l极性液体极性液体的相对介电常数在26，如蓖麻油、氯化联苯即属此类。l强极性液体强极性液体的相对介电常数很大（10），如酒精、水等，但这类液体介质的电导也很大，所以不能用做绝缘材料。3）固体介质的情况比较复杂。 用作高压设备绝缘材料的极性介质（如酚醛树脂、聚氯乙烯），非极性介质（聚乙烯、聚苯乙稀等），以及离子介质（如云母、陶瓷等），其相对介电常数在210的范围内，还有一

8、些相对介电常数很大的固体介质，如钛酸钡等，其相对介电常数大于1000，不能用做绝缘材料。聚氯乙烯 PVC 材料的电缆聚苯乙烯聚苯乙烯电容云母绝缘垫圈 陶瓷绝缘子4）夹层极化 在高压设备中，常应用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器绕组等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上产生“夹层极化”现象。1U2U1C2C1g2gKUUK夹层极化现象夹层极化现象12021CCUUt1221GGUUt假设C1C2，G1180耐热耐热等级等级最高允许工最高允许工作温度（作温度（）相当于该耐热等级的绝缘材料简述相当于该耐热等级的绝缘材料简述O90用未浸渍过的棉纱、丝及纸等材料或其组合物所组成

9、的绝缘结构A105用浸渍过的或浸在液体电介质（如变压器油中的棉纱、丝及纸等材料或其组合物所组成的绝缘结构）E120用合成有机薄膜、合成有机瓷漆等材料其组合物所组成的绝缘结构B130用合适的树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材料、合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘结构F155用合适的树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材料、合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘结构H180用合适的树脂（如有机硅树脂）粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等材料或其组合物所组成的绝缘结构C180以上以上用合适的树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、以及未经浸渍

10、处理的云母、陶瓷、石英等材料或其组合物所组成的绝缘结构 使用温度超过表中所规定的温度，绝缘材料迅速劣化，寿命大大缩短：例如：例如：A级绝缘温度超过级绝缘温度超过8，则寿命缩短一半左右。，则寿命缩短一半左右。（热劣化的（热劣化的8 规则）规则）B级绝缘级绝缘10 H级绝缘级绝缘12 绝缘介质的耐寒性 一些材料在低温下，可能会发生固化、变脆或开裂。 因些，对运行在低温环境下的设备，也要注意其耐寒性。例如：例如： 选择变压器油时要注意其凝固点应低于选择变压器油时要注意其凝固点应低于环境的最低温度。环境的最低温度。 变压器油的牌号变压器油的牌号10#，25#，45#分别表分别表示其凝固温度为示其凝固温

11、度为-10 ，-25 ，-45 。耐弧性能 对可能发生沿面闪络的情况尤为重要。 有的材料能经受电弧的高温作用而不破坏，有的会留下烧伤的痕迹，有的则会被电弧完全破坏。 须根据工作条件来选择材料。耐热冲击稳定性 脆性材料（如玻璃、陶瓷、硬塑料等）在骤冷骤热的温度下，由于材料内外层间温差和不均匀地膨胀（或收缩）能形成裂缝，这种性质称为耐热冲击稳定性。 对户外装置是很重要。 例如：例如： 电瓷的出厂试验中，就有冷热试验项目电瓷的出厂试验中，就有冷热试验项目。2.4.22.4.2机械性能机械性能 绝缘材料有脆性、塑性和弹性材料三种，其机械性能相差很大。机械性能：抗拉、抗压、抗弯强度例如：例如： 瓷的抗压强度比抗拉、抗弯强度高得多瓷的抗压强度比抗拉、抗弯强度高得多2.4.32.4.3吸潮性能吸潮性能 吸潮性能直接影响到绝缘的电导和损耗，从而影响到绝缘的耐电强度。对运行于湿