第3章 液体和固体介质的电气特性

1、田付强田付强 副教授副教授牵引供电研究所Email: 办公室：电气楼808办公电话604手机一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程第二第二章章 气体介质的电气强度气体介质的电气强度第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性 第一第一节节 液体液体和固体介质的极化和固体介质的极化、 电导电导和损耗和损耗1第二节第二节 液体介质的击穿液体介质的击穿23第三节第三节 固体介质固体介质的击穿的击穿4第四节第四节 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度第三章第三章 液体

2、和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性液体液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：液体和固体介质为： 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 固体介质：固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、玻璃、硅橡胶硅橡胶本章引言本章引言电介质的电气特性主要表现为他们在电场作用下的电介质的电气特性主要表现为他们在电场作用下的导电导电性能、性能、介电性能介电性能和和电气强度电气强度。它们分别以四个主要参数，即。它们分别以四个主要参数，即电导率电导率、介电常数、介电常

3、数、介质损耗角正切、介质损耗角正切tg、击穿场强、击穿场强Eb。本章将主要介绍液体和固体介质四大电气参数的基本概本章将主要介绍液体和固体介质四大电气参数的基本概念及它们在温度、湿度、电场强度、频率、电压类型等因素念及它们在温度、湿度、电场强度、频率、电压类型等因素影响下的变化规律。影响下的变化规律。一一电介质电介质的极性及化学键的极性及化学键结构决定性质。电介质的极化、电导和损耗性能与其分子键构结构决定性质。电介质的极化、电导和损耗性能与其分子键构成密切相关成密切相关离子键（强极性键）离子键（强极性键）强极性分子强极性分子共价键共价键正、负离子之间形成很大的键矩正、负离子之间形成很大的键矩原子

4、电负原子电负性相同性相同非极性键非极性键非极性分子非极性分子共用电子对共用电子对的电子云对称的电子云对称分布在两个原子核中间分布在两个原子核中间原子电负原子电负性不同性不同极性键极性键一个极性一个极性键组成键组成结构对称结构对称多个极性多个极性键组成键组成极性分子极性分子结构不对称结构不对称化学键化学键极性分子极性分子非极性分子非极性分子第一节第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二二电介质的极化电介质的极化1. 极化的概念和相对介电常数极化的概念和相对介电常数 电介质的极化电介质的极化电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电

5、场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。u 实验显示，加同样大小直流电压实验显示，加同样大小直流电压Up 极板中为真空时：极板上电荷量极板中为真空时：极板上电荷量为为Q0；p 极板中为固体介质时：极板中为固体介质时：极板上电极板上电荷量增加了荷量增加了，为，为Q0+Q问题问题:为什么极板中为固体介为什么极板中为固体介质时，电荷量会增加？质时，电荷量会增加？固体电介固体电介质加电场质加电场固体中原来彼此中和的正固体中原来彼此中和的正负电荷按电场方向运动负电荷按电场方向运动同量的负电荷在同量的负电荷在极板上吸引出同极板上吸引出同量的正电荷量的正电荷正电

6、荷靠近正电荷靠近负极板负极板负电荷靠近负电荷靠近正极板正极板同量的正电荷在同量的正电荷在极板上吸引出同极板上吸引出同量的负电荷量的负电荷增加了极板上的电荷量增加了极板上的电荷量电介质的极化电介质的极化导致了极板上电荷量的增加导致了极板上电荷量的增加u 极间为真空时极板的电容：极间为真空时极板的电容：000QACUd u 极间为固体介质时极间为固体介质时,电容量将增电容量将增大为：大为：Q是由电介质极化引起的束缚电荷是由电介质极化引起的束缚电荷0QQACUd 介质的介电常数介质的介电常数0真空的介电常数真空的介电常数A极板面积极板面积，cm2d极间距离极间距离，cm 相对介电常数相对介电常数ru

7、 r是反映电介质极化特性的一个物理量。是反映电介质极化特性的一个物理量。表征电介质在电场表征电介质在电场作用下的极化程度。作用下的极化程度。 介电常数越大，表明介质越容易极化介电常数越大，表明介质越容易极化 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近一切气体的相对介电常数都接近1，液体和固体多在，液体和固体多在26之间（表之间（表3-1）。）。0000rQQCCQ 2. 电介质极化的种类电介质极化的种类 电子式极化电子式极化p 在外电场在外电场 的作用下，介质的作用下，介质原子中的原子中的电子轨道将相对于电子

8、轨道将相对于原子核发生弹性位移原子核发生弹性位移。正负。正负电荷作用中心不再重合而出电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，即对外显出现感应偶极矩，即对外显出电性，发生极化。电性，发生极化。E u 极化机理极化机理 电子式极化存在于一切气体、液体和固体电介质电子式极化存在于一切气体、液体和固体电介质中；中； 完成极化需要的时间极短完成极化需要的时间极短10-1410-15s，r与与电源频电源频率无关；率无关； 极化具有弹性，即外电场消失，整体恢复中性。极化具有弹性，即外电场消失，整体恢复中性。所以所以电子式极化不产生能量损耗，不会使介质发电子式极化不产生能量损耗，不会使介质发热；热； 温度对极化

9、影响小。温度对极化影响小。u 电子式极化的特点电子式极化的特点 离子式极化离子式极化 无外电场时：无外电场时：晶体的正、负晶体的正、负离子对称排列，各个离子对离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。极矩为零。 在出现外电场后：在出现外电场后：正、负离正、负离子将发生方向相反的偏移，子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。质呈现极化。u 极化机理极化机理 离子式极化存在于一些固体无机化合物中，如云母，离子式极化存在于一些固体无机化合物中，如云母，陶瓷等；陶瓷等； 极化需要的时间极短极化需要的时间极短10-15s

10、，r与与电源频率无关；电源频率无关； 极化具有弹性，极化具有弹性，不产生能量损耗。不产生能量损耗。 温度对离子式极化的影响，存在相反的两种作用温度对离子式极化的影响，存在相反的两种作用p 注意：通常前一种影响较大，注意：通常前一种影响较大，r一般具有正的温度系数。一般具有正的温度系数。温度升高：离子间的结合力减小温度升高：离子间的结合力减小极化程度增强；极化程度增强；温度升高：温度升高：离子的密度减小离子的密度减小极化程度减弱极化程度减弱。u 离子式极化的特点离子式极化的特点 偶极子极化偶极子极化 无外电场时：无外电场时：极性分子的极性分子的偶极子因热运动而杂乱无偶极子因热运动而杂乱无序的排列

11、着，宏观电矩为序的排列着，宏观电矩为零，整个介质对外不表现零，整个介质对外不表现出极性；出极性； 在出现外电场后：在出现外电场后：杂乱的杂乱的偶极子将沿电场方向转动，偶极子将沿电场方向转动，有规则的排列，显示出极有规则的排列，显示出极性。介质内部电场与外加性。介质内部电场与外加电场相反。电场相反。u 极化机理极化机理 极化时间相对较长极化时间相对较长10-1010-2s，r与与频率有较大关系频率有较大关系u 偶极子极化的特点偶极子极化的特点 频率频率太低时太低时，偶极子将来不，偶极子将来不及转动，及转动，r 值较大。值较大。其中其中：r0相当于直流电场下的相对相当于直流电场下的相对介电常数；介

12、电常数； f f1 以后偶极子将越来越跟以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，不上电场的交变，r值不断下值不断下降；降； f f2 时，偶极子已完全不跟时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时着电场转动了，这时只存在只存在电子式极化电子式极化，r减小到减小到r 。 偶极子极偶极子极化非弹性，化非弹性，产生能量损耗；产生能量损耗； 极化中偶极子旋转要克服分子间的作用力，而消耗的电场极化中偶极子旋转要克服分子间的作用力，而消耗的电场能量在复原时无法收回能量在复原时无法收回 温度对偶极子极化影响大温度对偶极子极化影响大a)a) 对于极性气体介质对于极性气体介质 温度温度分子热运动加剧分子热运动加剧阻碍偶

13、极子排列阻碍偶极子排列极化极化b)b) 对于极性液体和固体介质（双向作用）对于极性液体和固体介质（双向作用） 低温下随温度的升高低温下随温度的升高分子间联系减弱分子间联系减弱偶极子转向偶极子转向容易容易极化加强极化加强 但当热运动变得较强烈时但当热运动变得较强烈时分子热运动阻碍极性分子分子热运动阻碍极性分子沿电场取向沿电场取向极化减弱极化减弱 夹层极化夹层极化 高电压设备的绝缘往往是由几种不同材料组成或介质是不均高电压设备的绝缘往往是由几种不同材料组成或介质是不均匀的匀的 当外电场加在由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的当外电场加在由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构上，各层电

14、压将从绝缘结构上，各层电压将从开始时按介电常数分布开始时按介电常数分布逐渐过渡逐渐过渡到到稳态时按电导率分布稳态时按电导率分布。 在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的使整个介质的等值电容增大等值电容增大，这种极化称为，这种极化称为夹层极化夹层极化。u 夹层极化的概念夹层极化的概念u 极化机理极化机理直流电压下直流电压下1122设设、两种介质面积厚度相等，外加电压为直流电压两种介质面积厚度相等，外加电压为直流电压U t=0，合闸瞬间，电容开始充合闸瞬间，电容开始充电：电：电压分配与电容成反比电压分配与电容成反比122

15、10tUCUC t=，达到稳态，电容充电完达到稳态，电容充电完毕：毕：电压分配与电导成反比电压分配与电导成反比1221tUGUG电介质的介电常数电介质的介电常数电介质电导率电介质电导率直流电压下直流电压下1122电介质的介电常数电介质的介电常数电介质电导率电介质电导率u 若介质为单一均匀的，若介质为单一均匀的，12、C1=C2、G1=G2则：则： 即合闸后，不会产生电压重新分配即合闸后，不会产生电压重新分配11220ttUUUU u 若介质为不均匀，若介质为不均匀，12、C1C2、G1G2则：则： 即合闸后，两层介质电压要重新分即合闸后，两层介质电压要重新分配，即配，即C1、C2上电荷重新分配

16、上电荷重新分配11220ttUUUU 吸收电荷：吸收电荷：t =0后，随时间增大，后，随时间增大，U1减小而减小而U2 增大，总的电压增大，总的电压U保保持不变。即持不变。即C1上一部分电荷要通上一部分电荷要通过过G1放掉，而放掉，而C2要从电源再吸收要从电源再吸收一部分电荷，这一部分电荷称为一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷吸收电荷。直流电压下直流电压下1122 吸收过程：吸收过程：由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收由于夹层的存在，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，这一过程称为电荷，整个介质的等值电容增大，这一过程称为吸收过程吸收过程 。 夹层极化：夹层极化：

17、吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为夹层极化夹层极化。u若设若设C1C2、G1G2则：则： t = 0时时：U1U2 ； t 时时：U1 U2 。u 夹层极化的特点夹层极化的特点 极化时间缓慢极化时间缓慢10-1s数小时，夹层极化数小时，夹层极化只有在只有在直流直流和和低频交流电压低频交流电压下才能表现出来；下才能表现出来； 极化非弹性，极化非弹性，产生能量损耗。产生能量损耗。3. 讨论电介质极化的意义讨论电介质极化的意义 选择绝缘选择绝缘u 在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常数数

18、r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择择r较大的介质较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择对于电缆，为减小电容电流，要选择r较小的介质较小的介质材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因数。化和热击穿的一个重要因数。介质损耗越大，绝缘材料越易劣化，老化，而击穿介质损耗越大，绝缘材料越易劣化，老化，而击穿 对于多层介质，在交流及冲击电压下，对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层场强分布与其各层场强分布与其 r r成成反比反比，要注意选择，要注意选择

19、 r r，使各层介质的，使各层介质的电场分布较均匀电场分布较均匀，从而达，从而达到绝缘的合理应用到绝缘的合理应用1221EE 若绝缘中存在气泡，由于气体的若绝缘中存在气泡，由于气体的 r r是是最小的，所以气泡将承受较大的电场最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生游离，引起强度，首先在气泡处发生游离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。如采用低。如采用油浸方式油浸方式能改善电场分布能改善电场分布 在电缆芯处使用在电缆芯处使用 r r较大的材料，可减较大的材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高

20、整体的耐电强度。匀一些，从而提高整体的耐电强度。 在绝缘预防性试验中，在绝缘预防性试验中，夹层极化现象夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷况。在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。对人身安全的威胁。 夹层极化吸收夹层极化吸收过程要经过过程要经过C1、C2和和G1、G2进行，其放电时进行，其放电时间常数为间常数为 =(C1+C2)(G1+G2)。由于电导。由于电导G的数值很小，的数值很小，因而时间常数因而时间常数 很大，极化速度非常缓慢。很大，极化速度非常缓慢。当介质受潮，当介质受潮，电导增大，电导增

21、大， 将大大降低，极化速度加快。将大大降低，极化速度加快。 同理，去掉外加电压之后，同理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也是十分缓介质内部电荷释放也是十分缓慢的。慢的。因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危及分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危及人身安全。人身安全。三三电介质的电导电介质的电导1. 电介质电导的概念和电导率电介质电导的概念和电导率u 电介质的电导过程电介质的电导过程在电介质内部或多或少存在在电介质内部或多或少存在数量很小的带电粒子，它们在电场作用下会不同程数量很小的

22、带电粒子，它们在电场作用下会不同程度的作定向移动而形成度的作定向移动而形成传导电流传导电流的物理现象。的物理现象。p 电介质中的传导电流含电介质中的传导电流含泄漏电流泄漏电流和和吸收电流吸收电流两个两个分量分量 泄漏电流泄漏电流由介质中自由的或联系弱的带电由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动形成的；质点在电场作用下运动形成的； 吸收电流吸收电流电介质极化形成。电介质极化形成。u 描述电导的物理量描述电导的物理量电导率电导率或或电阻率电阻率2. 电介质电导的特性电介质电导的特性 电介质电导主要是离子电导电介质电导主要是离子电导 电介质中少量的带电粒子主要是离子；金属导体的电导性电介质

23、中少量的带电粒子主要是离子；金属导体的电导性质为电子式电导，带电粒子为金属中的大量自由电子。质为电子式电导，带电粒子为金属中的大量自由电子。 温度的影响温度的影响 温度升高温度升高分子离解度增大分子离解度增大电介质中离子数增多，迁移电介质中离子数增多，迁移率增大率增大电导率增大电导率增大 固体、液体介质电导率固体、液体介质电导率与温度与温度T的关系的关系BTAe A、B介质有关的常数介质有关的常数T 绝对温度，单位为绝对温度，单位为KR3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3ui1i3i2i= i1 +i2 + i3I606015I15i t(s) i1纯电容电流（无损极化）纯电容电流

24、（无损极化） 由电极间电容由电极间电容C1及介质中的无损极化及介质中的无损极化决定，存在时间很短，很快衰减到零决定，存在时间很短，很快衰减到零； i2吸收电流（有损极化）吸收电流（有损极化） 由介质的有损极化过程所决定，其存由介质的有损极化过程所决定，其存在时间较长，可达数分钟到数十分钟在时间较长，可达数分钟到数十分钟 i3电导电流（电导电流（泄漏电流泄漏电流） 趋向稳定的电流，不随时间而变，与趋向稳定的电流，不随时间而变，与绝缘电阻相对应，服从欧姆定律绝缘电阻相对应，服从欧姆定律3. 电导的表征电导的表征-泄漏电流泄漏电流和绝缘电阻和绝缘电阻 电介质电流的组成电介质电流的组成UI电路电路 绝

25、缘电阻绝缘电阻u 绝缘电阻绝缘电阻泄漏电流对应的电阻泄漏电流对应的电阻3URiu绝缘电阻的测量绝缘电阻的测量 加直流电压加直流电压1分钟后，极化过程结束，仅存电导过程，此分钟后，极化过程结束，仅存电导过程，此时流过介质的电流为泄漏电流，对应电阻为绝缘电阻时流过介质的电流为泄漏电流，对应电阻为绝缘电阻u 绝缘电阻的组成绝缘电阻的组成p 包括了绝缘介质的包括了绝缘介质的体积绝缘电阻体积绝缘电阻和和表面表面绝缘电阻绝缘电阻 式式中中 R1体积绝缘电阻；体积绝缘电阻； R2表面绝缘电阻。表面绝缘电阻。 介质的绝缘电阻决定了介质中的泄漏电流介质的绝缘电阻决定了介质中的泄漏电流 泄漏电流大泄漏电流大介质发

26、热介质发热加快绝缘介质的老化加快绝缘介质的老化 一般一般所指所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，相应的绝相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况，以此来反映介质内部的情况1212RRRRR4. 讨论电介质电导的意义讨论电介质电导的意义 在绝缘预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘是否受潮或有在绝缘预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象其他劣化现象u 如绝缘良好，则如绝缘良好，则R较大较大u 如绝缘受潮，则如绝缘受潮，则R较小较小 多层介质在直流电压下，多层介质在直流电压下，电压分布与电导成反比电压分布与电导成反

27、比，故设计用，故设计用于直流的设备要注意所用介质的电导，应使材料使用合理。于直流的设备要注意所用介质的电导，应使材料使用合理。 设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是湿度的影响湿度的影响。u 有时需要作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷有时需要作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或或石蜡石蜡等等。 对某些能量较小的电源，如静电发生器等，要注意减小绝缘对某些能量较小的电源，如静电发生器等，要注意减小绝缘材料表面泄漏电流以保证得到高电压材料表面泄漏电流以保证得到高电压u 电流若从外部流过，电压会有损失

28、电流若从外部流过，电压会有损失 不是所有的情况下均要求绝缘电阻值高，有些情况下要设法不是所有的情况下均要求绝缘电阻值高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。减小绝缘电阻值。u 在高压套管法兰附近涂半导体釉等，是为了改善电压分布在高压套管法兰附近涂半导体釉等，是为了改善电压分布，提高沿面放电电压，消除电晕。，提高沿面放电电压，消除电晕。 四四电介质的损耗电介质的损耗1. 1. 电介质损耗的概念和介质损耗角正切电介质损耗的概念和介质损耗角正切 电介质损耗的形式电介质损耗的形式 电导损耗电导损耗 在直流电压下，无周期性极化过程，当外施电压低于发在直流电压下，无周期性极化过程，当外施电压低于发生局部放电电

29、压时，介质中损耗由电流流过电阻引起生局部放电电压时，介质中损耗由电流流过电阻引起 极化损耗极化损耗 在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗化引起的能量损耗 气体电离损耗气体电离损耗u 电介质损耗电介质损耗介质在交、直流电压下的有功功率损耗介质在交、直流电压下的有功功率损耗 介质损耗角正切介质损耗角正切 直流电压下直流电压下 电介质中没有周期性的极化过程，当外施电压低于发生局电介质中没有周期性的极化过程，当外施电压低于发生局部放电电压时，部放电电压时，介质中的损耗将仅由电导组成介质中的损耗将仅由电导组成 物理量物理量用电导

30、率表达，不必再引入介质损耗这个概念了。用电导率表达，不必再引入介质损耗这个概念了。 交流电压下交流电压下 除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗 引入一个新物理量：引入一个新物理量：损耗角正切（损耗角正切（tan） 加交流电压，由于介质中有损耗，电流不是纯加交流电压，由于介质中有损耗，电流不是纯电容电流，分为两个分量：电容电流，分为两个分量： 式中式中 有功电流分量；有功电流分量； 无功电流分量。无功电流分量。.rcIII .cI.rIu 交流电压下介质损耗的分析交流电压下介质损耗的分析接线图接线图 相量图相量图介质损耗功率（有功功

31、功率损耗）介质损耗功率（有功功功率损耗）cosrcPUIUIUI tg1()cUIU CC 2PUCtg 式中：式中：电源角频率；电源角频率； 功率因数角；功率因数角； 介质损耗角介质损耗角; C电解质等值电容电解质等值电容.u 用介质损耗用介质损耗P来表示介质品质好坏是不方便的来表示介质品质好坏是不方便的 P P值与试验电压的平方和电源频率成正比，与试品尺寸、值与试验电压的平方和电源频率成正比，与试品尺寸、放置位置有关，不同试品之间难以进行比较。放置位置有关，不同试品之间难以进行比较。u 对同类试品可直接用对同类试品可直接用tg 来代替来代替P值，对绝缘的优劣进行判断值，对绝缘的优劣进行判断

32、 当外加电压和频率一定时，当外加电压和频率一定时，P与介质的物理电容与介质的物理电容C成正比，成正比，对一定结构的试品而言，电容对一定结构的试品而言，电容C是定值，是定值，P与与tg 成正比。成正比。u 定义定义 为介质损失角，是功率因数角为介质损失角，是功率因数角 的余角。的余角。 介质损失角正切值介质损失角正切值tg ，同，同r一样，只取决于材料的特性，一样，只取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。2PUCtg URCIIIRICIRCPu 由向量图：介质损耗角正切由向量图：介质损耗角正切 tg等于有等于有功电流和无功电流

33、的比值功电流和无功电流的比值u 功率损耗为功率损耗为2.2. 介质损失角正切值介质损失角正切值tg 的计算的计算u 采用并联等值电路或串联等值电路来分析采用并联等值电路或串联等值电路来分析 并联等值电路并联等值电路电压不变，分解电流电压不变，分解电流/1RCPPIU RtgIU CC R 并并22PUPUC tgR并并u 采用条件：采用条件：介质损耗主要由电导所引起介质损耗主要由电导所引起 串联等值电路串联等值电路UI UrUcsUI Csru 采用条件：采用条件：介质损耗主要由极化所引起介质损耗主要由极化所引起u 介质损耗角正切介质损耗角正切 tgu 功率损耗为功率损耗为 由于由于很小，很小

34、， cos1/rSCsSUIrtgC rUIC 串串2222(cos)cosSSStgPI rUCUC tgC 串串StgrC cosCSSSIUCUC 由由电流不变，分解电压电流不变，分解电压2SPUC tg 串串3. 气体、液体和固体介质的损耗气体、液体和固体介质的损耗 气体介质损耗气体介质损耗u 气体电介质的极化率极小，所以在极化中不会引起损耗气体电介质的极化率极小，所以在极化中不会引起损耗u 气体中的气体中的tg 与电压的关系与电压的关系 当外加电场不足以使气体分子发当外加电场不足以使气体分子发生电离时，气体中只有很小的电生电离时，气体中只有很小的电导损耗导损耗（tg 10-8)，工程

35、中略去，工程中略去不计。不计。 当外施电压当外施电压U超过起始放电电压超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急时，将发生局部放电，损耗急剧增加。（气体电离损耗）剧增加。（气体电离损耗） 液体介质损耗液体介质损耗 这类介质中的损耗主要是电导损耗；这类介质中的损耗主要是电导损耗； 介质损耗与温度、电场强度等因素的关系与电导和这些因素介质损耗与温度、电场强度等因素的关系与电导和这些因素的关系相似；的关系相似； 中性液体或中性固体电介质中性液体或中性固体电介质的的tg 与温度的关系示意图与温度的关系示意图 中性液体或中性固体电介质中性液体或中性固体电介质的的tg 与电场的关系示意图与电场的关系示

36、意图 中性和弱极性液体介质（变压器油）中性和弱极性液体介质（变压器油）p 这类介质中的损耗包括电导损耗和极化损托两部分这类介质中的损耗包括电导损耗和极化损托两部分 极性液体介质（蓖麻油）极性液体介质（蓖麻油） 较小时：较小时：偶极子跟得上电场的交变偶极子跟得上电场的交变，极化充分发展，此时的，极化充分发展，此时的r最大；但最大；但偶极子单位时间的转向次数不多，因偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，而极化损耗很小，tg 也小，主要由电也小，主要由电导损耗。导损耗。 随随增大：增大：转向极化逐渐跟不上电场转向极化逐渐跟不上电场交变，交变，r开始下降，但由于转向频率开始下降，但由于转向频

37、率增大仍会使极化损耗增加、增大仍会使极化损耗增加、tg 增大。增大。 当偶极子完全来不及转向时当偶极子完全来不及转向时：r 值变值变得最小得最小tg 也变得很小也变得很小u 极性液体介质中的损耗与频率的关系极性液体介质中的损耗与频率的关系 ru 极性液体介质中的损耗与温度的关系极性液体介质中的损耗与温度的关系 当当tt1：极化损耗和电导损耗都较小，极化损耗和电导损耗都较小，随温度的升高，液体的粘度减小，偶极随温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的所以总的tg 亦上升，亦上升，tt1时为极大值；时为极大值； 当当t1tt2：电

38、导损耗随温度急剧上升，而极电导损耗随温度急剧上升，而极化损耗不断减小而退居次要地位，因而化损耗不断减小而退居次要地位，因而tg 随随t的上升而持续增大。的上升而持续增大。 固体介质损耗固体介质损耗固体介质固体介质分子式结构介质分子式结构介质离子式结构介质离子式结构介质不均匀结构介质不均匀结构介质强极性介质强极性介质工程中采用工程中采用工程很少使用工程很少使用u 中性介质中性介质 p 无极化损耗，主要是电导损耗，通常很小。无极化损耗，主要是电导损耗，通常很小。 如石蜡、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等，如石蜡、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等，u 极性介质极性介质 p 有极化损耗和电导损耗，有极

39、化损耗和电导损耗，tg 与温度、频率的关系与极性与温度、频率的关系与极性液体相似，液体相似，tg 值较大，高频下更为严重。值较大，高频下更为严重。 如纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材如纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等）料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等） 分子式结构介质分子式结构介质(有机绝缘材料有机绝缘材料)u 结构紧密的不含杂质的离子晶体结构紧密的不含杂质的离子晶体u 主要是由电导损耗，主要是由电导损耗， tg 极小极小 如云母，云母的电气强度高，耐热性能好，耐局部放如云母，云母的电气强度高，耐热性能好，耐局部放电性

40、能也好，故云母是优良的绝缘材料，在高频下也电性能也好，故云母是优良的绝缘材料，在高频下也可使用。可使用。u 结构不紧密的离子结构结构不紧密的离子结构 u 如玻璃如玻璃、陶瓷，有极化损耗和电导损耗，介质的、陶瓷，有极化损耗和电导损耗，介质的tg 较大较大，但随成分和结构的不同，但随成分和结构的不同， tg 相差悬殊。相差悬殊。 离子式结构（无机绝缘材料）离子式结构（无机绝缘材料） 不均匀结构不均匀结构u 不均匀结构的电介质的不均匀结构的电介质的tg 取决于其中各成分的性能和数量取决于其中各成分的性能和数量间的比例间的比例p 如电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环氧如电机绝缘中用的云母制品

41、（是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质）、油浸纸和胶纸绝缘等树酯所组合的复合介质）、油浸纸和胶纸绝缘等4. 讨论电介质损耗的意义讨论电介质损耗的意义 设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。值。 若若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。热击穿。 用于冲击测量的连接电缆，其用于冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度。在其中传播时将发生畸变，影响测量精度。 在绝缘试验中，在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。

42、的测量是一项基本测试项目。 当绝缘受潮劣化或含有杂质时，当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加，绝缘内将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测部是否存在局部放电，可通过测tg U的关系曲线加以判的关系曲线加以判断。断。 第一节第一节 液体和固体介质的极化、液体和固体介质的极化、 电导和损耗电导和损耗1第二节第二节 液体介质的击穿液体介质的击穿23第三节第三节 固体介质的击穿固体介质的击穿4第四节第四节 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性 液体电介质的击穿理论液体电介质的击穿理论 影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介

43、质击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的方法提高液体电介质击穿电压的方法本节内容提要本节内容提要第二节第二节 液体电介质的击穿液体电介质的击穿一一液体电介质的击穿理论液体电介质的击穿理论液体电介质液体电介质纯净的液体电介质纯净的液体电介质电击穿理论电击穿理论小桥击穿理论小桥击穿理论气泡击穿理论气泡击穿理论工程用液体电介质工程用液体电介质1. 纯净液体电介质的电击穿理论（纯净液体电介质的电击穿理论（电子碰撞电离理论）电子碰撞电离理论）u 与气体放电汤逊理论相似与气体放电汤逊理论相似 在外电场足够强时，电子碰撞液体分子引起电离，使电子在外电场足够强时，电子碰撞液体分子引起电离，使电子数倍增，形成

44、电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。导致液体介质击穿。u 液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，积累液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，积累能量困难，所以纯净液体的击穿场强比气体大得多。能量困难，所以纯净液体的击穿场强比气体大得多。u 基于碰撞电离理论对部分实验现象的解释基于碰撞电离理论对部分实验现象的解释 纯净液体的密度增加时纯净液体的密度增加时, , 击穿场强会增大击穿场强会增大( (电子自由行程

45、减电子自由行程减小小) )； 温度升高时液体膨胀，击穿场强下降温度升高时液体膨胀，击穿场强下降( (电子自由行程增大电子自由行程增大) )； 实验电压作用时间短时，击穿场强提高，因而液体介质的实验电压作用时间短时，击穿场强提高，因而液体介质的冲击场强高于工频击穿场强冲击场强高于工频击穿场强( (电子电子崩的产生和空间电荷形成崩的产生和空间电荷形成需要一定时间需要一定时间) )。2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论纯净液体电介质的气泡击穿理论液体中出现气泡液体中出现气泡交流电压下串联介质中电场强度交流电压下串联介质中电场强度的分布与介质的的分布与介质的r成反比成反比气泡气泡r 最小，将承担高场强，

46、且最小，将承担高场强，且电气强度比液体介质低很多电气强度比液体介质低很多气泡先发气泡先发生电离生电离气泡电离后温度气泡电离后温度上升、体积膨胀上升、体积膨胀、密度减小、密度减小电离进一步发展电离进一步发展电离产生的带电粒子撞击电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大体，导致气体通道扩大许多的气泡在电场中排许多的气泡在电场中排列成列成气体小桥气体小桥贯穿两极贯穿两极击穿在通道中完成击穿在通道中完成u 击穿过程击穿过程u 产生气泡的各种原因产生气泡的各种原因 电子电流加热液体电子电流加热液体，分解出气体；，分解出气体； 电子碰撞液体分子电子碰撞液体分子

47、，使之解离产出气体；，使之解离产出气体； 静电斥力静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大； 电极凸起处的电晕电极凸起处的电晕引起液体气化引起液体气化。u 基于气泡理论对部分实验现象的解释基于气泡理论对部分实验现象的解释 增加液体压力，可使击穿场强提高，增加液体压力，可使击穿场强提高，如高压充油如高压充油电缆中总要加大油压以提高电缆的击穿场强；电缆中总要加大油压以提高电缆的击穿场强；3. 工程工程液体液体电介质电介质的的击穿（变压器油）击穿（变压器油）u工程液体的特点：工程液体

48、的特点：含有杂质、纤维含有杂质、纤维等等(r很大很大)（变压器油变压器油r=2.2）u由于水和纤维的由于水和纤维的r很大，易沿电场方向发生极化，并排列成很大，易沿电场方向发生极化，并排列成杂质小桥杂质小桥。小桥小桥击穿击穿理论理论 杂质小杂质小桥接通桥接通电极电极杂质中电导大杂质中电导大泄漏电流增加泄漏电流增加，导致发热，导致发热水分汽化水分汽化气泡扩大气泡扩大 杂质小杂质小桥未接桥未接通电极通电极杂质中杂质中r大大油中电场强度油中电场强度增高增高引起油电离引起油电离油分解出气体油分解出气体，气泡扩大气泡扩大 气泡因气泡因电电离或发热离或发热而而不断扩大，不断扩大，排列成排列成气体气体小桥贯穿

49、两小桥贯穿两极极，液体最，液体最终在气体通终在气体通道中击穿道中击穿形成形成“小桥小桥”未形成未形成“小桥小桥”二二影响液体电介质击穿电压的因素影响液体电介质击穿电压的因素1. 液体介质本身品质的影响液体介质本身品质的影响 含水量含水量u 液态水在油中的两种状态：液态水在油中的两种状态： 以分子状态以分子状态溶解溶解于油中，于油中，对击对击穿电压影响不大穿电压影响不大 以乳化状态以乳化状态悬浮悬浮在油中，在油中，易形易形成成“小桥小桥”使击穿电压明显下使击穿电压明显下降降u 含含0.1%的水分，油的击穿电压的水分，油的击穿电压降到干燥时的降到干燥时的15%30% Ub（有效值）/kV00.04

50、0.022040含水量100图图3-16 变压器油的工频击穿电压变压器油的工频击穿电压和含水量的关系和含水量的关系 含纤维量含纤维量u 电场作用下，电场作用下，纤维形成纤维形成“小桥小桥”，使油的击穿电压降低；，使油的击穿电压降低；u 有很强的有很强的吸附水分的能力吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为，联合作用使击穿电压降低更为严重。严重。 含碳量含碳量u 碳粒的产生：碳粒的产生：电弧电弧u 碳粒对油耐电强度作用的两个方面：碳粒对油耐电强度作用的两个方面： 碳粒具有较好的导电性，局部场强增加，击穿电压降碳粒具有较好的导电性，局部场强增加，击穿电压降低；低； 活性碳粒有活性碳粒有很强的吸附

51、水分和气体的能力很强的吸附水分和气体的能力。 含气量含气量u 溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降。溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降。u 所溶气体的来源：所溶气体的来源：直接、分解、电解直接、分解、电解u 油中气体析出后的危害：油中气体析出后的危害： 一是成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿一是成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿电压；电压； 二是与油分子发生化学结合，氧化，加速老化。二是与油分子发生化学结合，氧化，加速老化。u 判断变压器油的质量，主要依靠测量其判断变压器油的质量，主要依靠测量其电气强度、电气强度、 tg 和含水和含水量量。其中最重要的实验项目就是

52、用标准油杯测量油的。其中最重要的实验项目就是用标准油杯测量油的工频击工频击穿电压穿电压。米米u 我国采用的标准油杯极间距离为我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直径等于，电极是直径等于25mm的圆的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为为2.5mm的半圆以减弱边缘效应，保的半圆以减弱边缘效应，保证了极间电场极板上是均匀的。证了极间电场极板上是均匀的。u 用来灌注高压电力变压器等的变压器用来灌注高压电力变压器等的变压器油，其工频击穿电压在油，其工频击穿电压在2540kv以上以上u 灌注高压电缆和电容器的用油，其工灌注高压电缆和电容器的用油，其工频击穿电压在

53、频击穿电压在50kV或或60kV以上以上u工程应用中不同电压等级对变压器油的要求工程应用中不同电压等级对变压器油的要求2. 温度温度u 均匀电场时均匀电场时p 干燥的油（曲线干燥的油（曲线1 1）：随油温升随油温升高，电子碰撞电离过程加剧，击高，电子碰撞电离过程加剧，击穿电压下降穿电压下降p 潮湿的油（曲线潮湿的油（曲线2 2） 温度由温度由0开始开始 上升：一部分水上升：一部分水分从悬浮状态转为害处较小的溶分从悬浮状态转为害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；解状态，使击穿电压上升； 超过超过80 后：水开始汽化，产后：水开始汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，在生气泡，引起击穿电压下降，在60

54、 80间出现最大值间出现最大值3-18u 在极不均匀电场在极不均匀电场p 随着油温的上升，电子碰撞随着油温的上升，电子碰撞电离过程加剧，击穿电压稍电离过程加剧，击穿电压稍有下降，有下降，p 水滴等杂质不影响极不均匀水滴等杂质不影响极不均匀电场中的工频击穿电压。电场中的工频击穿电压。3. 电场均匀度电场均匀度u 油的纯净程度较高时油的纯净程度较高时 改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高明显提高u 油的品质较差时油的品质较差时 由于杂质的聚集和排列已使电场畸变，改善电场，击穿由于杂质的聚集和排列已使电场畸变，改善电场，击穿电压提高

55、不明显电压提高不明显 但含杂质的油受但含杂质的油受冲击电压作用冲击电压作用，杂质来不及，杂质来不及运动、聚集运动、聚集而无法而无法形成小桥，所以改善电场均匀程度能提高击穿电形成小桥，所以改善电场均匀程度能提高击穿电压压4. 电压作用时间电压作用时间u 加压后短至几个微秒时加压后短至几个微秒时p 表现为电击穿（电子碰撞电离表现为电击穿（电子碰撞电离），击穿电压很高），击穿电压很高u 电压作用时间为数十到数百微秒电压作用时间为数十到数百微秒p 无杂质的影响，仍为电击穿，无杂质的影响，仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要这时影响油隙击穿电压的主要因素是因素是电场的均匀程度电场的均匀程度；u 电压作

56、用时间更长电压作用时间更长p 杂质开始聚集，油隙的击穿开杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现始出现热过程热过程，击穿电压再度，击穿电压再度下降，为下降，为热击穿热击穿。5. 压力压力u 不论电场均匀度如何，变压器油的工频击穿电压总是不论电场均匀度如何，变压器油的工频击穿电压总是随油压随油压的增加而增加的增加而增加因为压力越大因为压力越大油中气泡的电油中气泡的电离电压增高离电压增高气体在油中的气体在油中的溶解度增大溶解度增大不易形成小桥不易形成小桥，击穿，击穿电压高电压高三三提高液体电介质击穿电压的方法提高液体电介质击穿电压的方法1. 提高以及保持油的品质提高以及保持油的品质u 过滤：过滤：除去纤维

57、、水分、有机酸。除去纤维、水分、有机酸。u 防潮：防潮：制造、检修。制造、检修。u 祛气：祛气：除去水分和气体。除去水分和气体。u 防尘防尘2. 覆盖层覆盖层u 材料：材料： 1mm的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带。的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带。u 作用机理：作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展。阻碍杂质小桥中热击穿的发展。u 适用情况：适用情况：油品质越差，电场越均匀，电压作用时间越长，油品质越差，电场越均匀，电压作用时间越长，则覆盖层的效果越显著。则覆盖层的效果越显著。3. 绝缘层绝缘层u 材料：材料： 厚可达几十毫米的固体绝缘层。厚可达几十毫米的固体绝缘层。u 作用机理：作用

58、机理：覆在曲率半径较小的电极上，降低这部分空间的覆在曲率半径较小的电极上，降低这部分空间的场强。且固体绝缘层的耐电强度较高，不易造成局部放电。场强。且固体绝缘层的耐电强度较高，不易造成局部放电。u 适用情况：适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环、充充油油套管套管的导电杆包有绝缘层）。的导电杆包有绝缘层）。4. 极间障极间障u 材料：材料： 厚度为厚度为27mm的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层压板。压板。u 作用机理：作用机理：能机械地阻隔杂质小桥改善电场分布。能机械地阻隔杂质小桥改善电场分布。u 适用情况：适用情况：

59、不均匀电场中效果显著，较均匀电场中也有效果不均匀电场中效果显著，较均匀电场中也有效果 固体电介质的击穿理论固体电介质的击穿理论 影响固体介质击穿电压的主要因素影响固体介质击穿电压的主要因素 提高固体介质击穿电压的措施提高固体介质击穿电压的措施本节内容提要本节内容提要第三节第三节 固体电介质的击穿固体电介质的击穿u 气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高 空气的耐电强度一般在空气的耐电强度一般在34 kV/mm左右左右 液体的耐电强度在液体的耐电强度在1020 kV/mm 固体的耐电强度在十几至几百固体的耐电强度在十几至几百kV/mm

60、u 固体电介质的击穿过程最复杂，且固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的击穿后是唯一不可恢复的绝缘绝缘u 普遍规律：介质的击穿总是从普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性性一一固体电介质的击穿理论固体电介质的击穿理论1. 电击穿理论电击穿理论u 击穿机理：击穿机理：电击穿理论建立在固体电介质中发生电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基碰撞电离基础础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶上，固体电介质中存在少量传导电子，在