高电压技术-第二章-xueyd

1、第二章第二章 液体、固体介质的电气特性液体、固体介质的电气特性中国石油大学信控学院中国石油大学信控学院 薛永端薛永端主要内容主要内容第一节第一节 电介质的极化、电导和损耗介电常数、电导率、介质损耗角正切、击穿场强介电常数、电导率、介质损耗角正切、击穿场强 第二节第二节 液体介质的击穿液体介质的击穿 液体介质击穿的概念液体介质击穿的概念影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素减少杂质影响的办法减少杂质影响的办法第三节第三节 固体介质的击穿固体介质的击穿 固体介质的电击穿理论固体介质的电击穿理论固体介质的热击穿理论固体介质的热击穿理论固体介质的电化学击穿理论固体介质的电化学击穿理论第四

2、节第四节 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度介质的组合原则介质的组合原则组合绝缘中电场组合绝缘中电场绝缘的老化绝缘的老化2.1 电介质的极化、电导和损耗关于介质极化、电导、损耗关于介质极化、电导、损耗电场强度远小于击穿场强时，各类介质均有极化、电场强度远小于击穿场强时，各类介质均有极化、电导和损耗现象。电导和损耗现象。气体介质很微弱，可忽略。气体介质很微弱，可忽略。可只考虑液体和固体。可只考虑液体和固体。电介质极化的概念和分类电介质极化的概念和分类电介质极化的概念：电介质极化的概念：在电场力作用下，介质原子正负电荷中心沿电场方向产在电场力作用下，介质原子正负电荷中心沿电场方向产生有限位移的现

3、象。生有限位移的现象。电介质极化的分类：电介质极化的分类：电子式极化电子式极化离子式极化离子式极化偶极子式极化偶极子式极化夹层介质界面极化夹层介质界面极化空间电荷极化空间电荷极化电子式极化电子式极化原子由带正电荷的原子核和带负电荷原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子云组成的电子云组成不存在外电场时，电子云的中心与原不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，感应电矩为零子核重合，感应电矩为零电子式位移极化的过程电子式位移极化的过程外加电场时，电场力将使原子核向电场方外加电场时，电场力将使原子核向电场方向位移，电子云向电场反方向位移向位移，电子云向电场反方向位移当电场力与原子核对电子云的引力平衡

4、时，当电场力与原子核对电子云的引力平衡时，达到稳定达到稳定外电场消失时，恢复正常外电场消失时，恢复正常所有电介质内均存在电子位移极化所有电介质内均存在电子位移极化电子式极化是弹性的，不损耗能量电子式极化是弹性的，不损耗能量完成时间极短，完成时间极短，10-1410-15S，和可见，和可见光周期接近光周期接近离子式极化离子式极化针对由离子组成的介质。针对由离子组成的介质。没有外电场时，各正负离子对构成没有外电场时，各正负离子对构成的偶极矩彼此抵消，合成电矩为零的偶极矩彼此抵消，合成电矩为零外电场的作用首先促使离子内部产外电场的作用首先促使离子内部产生电子位移极化生电子位移极化离子式极化过程离子式

5、极化过程外电场作用下，正离子朝电场方向位外电场作用下，正离子朝电场方向位移、负离子反向位移移、负离子反向位移电场力和离子引力平衡时稳定电场力和离子引力平衡时稳定形成一定的合成电矩形成一定的合成电矩有极微量的能量损耗有极微量的能量损耗完成时间短，完成时间短，10-1210-13S，和红，和红外光周期接近外光周期接近极化率随温度升高而增加极化率随温度升高而增加升温后，离子间距增大，作用力减弱升温后，离子间距增大，作用力减弱偶极子式极化偶极子式极化针对于针对于极性电介质极性电介质没有外加电场时，分子中的正、负电荷中心也不重合没有外加电场时，分子中的正、负电荷中心也不重合对于单个分子而言，具有偶极矩对

6、于单个分子而言，具有偶极矩大量分子不规则热运动，宏观上不呈现合成电矩大量分子不规则热运动，宏观上不呈现合成电矩偶极子式极化过程偶极子式极化过程外电场作用下，每个分子的固有偶极矩就转向电场方外电场作用下，每个分子的固有偶极矩就转向电场方向，顺电场方向作定向排列，呈现宏观电矩。向，顺电场方向作定向排列，呈现宏观电矩。受分子热运动的干扰，定向排列只能达到某种程度受分子热运动的干扰，定向排列只能达到某种程度定向排列的程度，随场强和温度变化。定向排列的程度，随场强和温度变化。外电场越强，定向排列越充分，极化越强。外电场越强，定向排列越充分，极化越强。外电场消失，分子热运动使排列重回无序状态外电场消失，分

7、子热运动使排列重回无序状态完成时间较长，完成时间较长，10-610-2S。频率提高时，转向跟不上电场变化，极化率减小频率提高时，转向跟不上电场变化，极化率减小有能量损耗有能量损耗空间电荷极化空间电荷极化电子式、离子式、偶极子式极化的机理：都是由电子式、离子式、偶极子式极化的机理：都是由带电质点的弹性位移或转向形成带电质点的弹性位移或转向形成空间电荷极化的机理：由带电质点（电子或正负空间电荷极化的机理：由带电质点（电子或正负离子）的位移形成的。离子）的位移形成的。空间电荷极化的过程：空间电荷极化的过程：多数绝缘结构中，电介质往往呈层式结构多数绝缘结构中，电介质往往呈层式结构电场作用下，带电质点位

8、移时，可能被晶格缺陷捕获，电场作用下，带电质点位移时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界面上堆积或在两层介质界面上堆积形成电荷在介质空间的新分布，从而产生电矩。形成电荷在介质空间的新分布，从而产生电矩。夹层介质界面极化夹层介质界面极化一种典型的空间电荷极化一种典型的空间电荷极化电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大电荷的堆积是通过介质电导完成的电荷的堆积是通过介质电导完成的完成时间很长，几十秒完成时间很长，几十秒几分钟。几分钟。只有在低频下才有意义只有在低频下才有意义有能量损耗有能量损耗介电常数（介电常数（1）真空中的介电常数真空中的介电常数E为场强矢量，为场

9、强矢量，V/mD为电位移矢量，即电通量密度矢量，为电位移矢量，即电通量密度矢量，C/m2介质中的介电常数：介质中的介电常数：极化电矩产生的反向场强，减弱了合成场强极化电矩产生的反向场强，减弱了合成场强E。若要保持合成场强若要保持合成场强E不变，则不变，则D值要增加到原来的值要增加到原来的 倍倍 为相对介电常数：为相对介电常数：特性特性：与温度、电源频率有关，具体关系取决于：与温度、电源频率有关，具体关系取决于极化形式极化形式)/(10*854. 8120mFED0EDrrr介电常数（介电常数（2）UUrdAdAUCCUQQQ 000000r r的物理意义：电极间加入电介质后，电极化引起的电容量

10、的物理意义：电极间加入电介质后，电极化引起的电容量比真空时的电容量加大的倍数。可用来表征介质极化的强弱。比真空时的电容量加大的倍数。可用来表征介质极化的强弱。综合反映电介质极性特性的一个物理量综合反映电介质极性特性的一个物理量极化极化类型类型产生场合产生场合极化时极化时间间/S极化原因极化原因能耗能耗介电常数和介电常数和频率关系频率关系介电常数和介电常数和温度关系温度关系电子式电子式任何任何电介质电介质10-15束缚电荷束缚电荷的位移的位移无无无无不大不大离子式离子式离子式结离子式结构电介质构电介质10-13离子的离子的相对偏移相对偏移几乎几乎无无无无有有正温度系数正温度系数偶极子偶极子式式极

11、性极性电介质电介质10-1010-2偶极子的偶极子的定向排列定向排列有有有有倒倒U型型很大很大气体：负温度系数气体：负温度系数液体固体：倒液体固体：倒U型型夹层介夹层介质界面质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自由电荷的移动的移动有有有有频率高时，频率高时，无极化无极化空间空间电荷电荷电极附近电极附近各种极化类型的比较各种极化类型的比较常用介质的介电常数常用介质的介电常数温度变化对温度变化对r的影响，主要是通过介质体积变化体现的的影响，主要是通过介质体积变化体现的r和频率无关的相对性：电源周期和频率无关的相对性：电源周期极化时间极化时间多层介质动态电位分布：先按介电常

12、数分布，再过渡到按电导分布多层介质动态电位分布：先按介电常数分布，再过渡到按电导分布因此，必须说明因此，必须说明r对应的极化条件：电源频率、温度对应的极化条件：电源频率、温度常用电介质的介电常数值，见常用电介质的介电常数值，见P39表表2-2环境条件：环境条件：20oC，工频电压，工频电压气体气体r很小，接近于很小，接近于1液体和固体介质的液体和固体介质的r大多在大多在26之间之间介电常数在工程上的意义介电常数在工程上的意义几种绝缘材料组合使用时，应注意配合，使电场几种绝缘材料组合使用时，应注意配合，使电场分布较为合理分布较为合理对于直流或低频交流电压，最初的电场强度分布与介电对于直流或低频交

13、流电压，最初的电场强度分布与介电常数成反比常数成反比应注意：电场分布还与电导有关应注意：电场分布还与电导有关有些绝缘结构设计中希望小有些绝缘结构设计中希望小如电缆，可减小分布电容电流如电缆，可减小分布电容电流有些绝缘结构设计中希望大有些绝缘结构设计中希望大如电容器，可减小体积和重量如电容器，可减小体积和重量 预防性实验中，利用材料的极化性质有助于判断预防性实验中，利用材料的极化性质有助于判断电气设备的绝缘状态。电气设备的绝缘状态。电介质的电导电介质的电导电介质电导的分类：离子电导和电子电导电介质电导的分类：离子电导和电子电导离子电导：电介质在电场或外界因素影响下（紫外线辐离子电导：电介质在电场

14、或外界因素影响下（紫外线辐射）本身产生电离，正负离子沿电场方向移动，形成电射）本身产生电离，正负离子沿电场方向移动，形成电导电流导电流即离子电导。即离子电导。电子电导：在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电电子电导：在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电离激发出来自由电子，电子在电场作用下移动形成电子离激发出来自由电子，电子在电场作用下移动形成电子电导电流电导电流即电子电导。即电子电导。当电子电导电流出现时当电子电导电流出现时电介质已被击穿。电介质已被击穿。原因？原因？电介质的电导一般指离子电导。电介质的电导一般指离子电导。 液体介质的电导（液体介质的电导（1） 按电离程度，可分为中按电离程度

15、，可分为中性、弱极性、强极性。性、弱极性、强极性。中性和弱极性介质，分中性和弱极性介质，分子电离度小，电导率小子电离度小，电导率小工程上常用的有：变压器工程上常用的有：变压器油、漆、树脂等油、漆、树脂等纯净状况下，电导率很小纯净状况下，电导率很小工程用液体中难免有杂质，工程用液体中难免有杂质，则电导率增加。则电导率增加。强极性介质，则分子电强极性介质，则分子电离度大，电导率大离度大，电导率大水、醇类（乙醇）等，一水、醇类（乙醇）等，一般不能用作绝缘材料般不能用作绝缘材料常用液体介质的电导率常用液体介质的电导率液体介质的电导（液体介质的电导（2） 液体介质电导率液体介质电导率 与温度与温度T的关

16、系为：的关系为：A 为与介质有关的常数；为与介质有关的常数； 为导电率的活性化能量为导电率的活性化能量对矿物油、硅油等对矿物油、硅油等0.41eVK 为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数温度越高，电导率越大温度越高，电导率越大推论：测量电介质电导或绝缘电阻时，必须记录推论：测量电介质电导或绝缘电阻时，必须记录环境温度，以便分析、比较环境温度，以便分析、比较 kTAe/固体介质的电导固体介质的电导固体电导率与温度的关系和液体相同固体电导率与温度的关系和液体相同固体电导电流密度固体电导电流密度J与电场强度与电场强度E的关系的关系图中图中I，II区为离子电导区。区为离子电导区。I区中成线性，区中成线性，II

17、区中成指数关系区中成指数关系很大程度上取决于介质中所含杂质离子很大程度上取决于介质中所含杂质离子对中性和弱极性介质，杂质离子起主要作用对中性和弱极性介质，杂质离子起主要作用III区为电子电导，区为电子电导，J-E指数关系：指数关系：IIIIIIEJ机理：机理：E更高，碰撞电离、阴极发射产生大量自由电子更高，碰撞电离、阴极发射产生大量自由电子固体介质的表面电导：取决于表面吸附电杂质（水、污染固体介质的表面电导：取决于表面吸附电杂质（水、污染物等）的能力和分布状态物等）的能力和分布状态对应概念：体积电导对应概念：体积电导有时，表面电导远大于体积电导：表面的杂质膜电导很大有时，表面电导远大于体积电导

18、：表面的杂质膜电导很大推论：测量泄漏电流和绝缘电阻时，须排除表面电导影响推论：测量泄漏电流和绝缘电阻时，须排除表面电导影响介质电导在工程上的意义介质电导在工程上的意义 多层介质中，需注意其绝缘配合，使电场分布合多层介质中，需注意其绝缘配合，使电场分布合理理电压的稳态分布与电导成反比电压的稳态分布与电导成反比暂态过程与介电常数有关暂态过程与介电常数有关对于能量小的电源，要减少表面电导（表面泄漏）对于能量小的电源，要减少表面电导（表面泄漏）保证高电压，保证高电压，如静电发生器如静电发生器有些情况下需要增大电导，改善电场、消除电晕有些情况下需要增大电导，改善电场、消除电晕如高压套管法兰附近涂半导体釉

19、，如高压套管法兰附近涂半导体釉，预防性试验中，测试介质的绝缘电阻（电导）、预防性试验中，测试介质的绝缘电阻（电导）、泄漏电流，以判断绝缘是否受潮或劣化泄漏电流，以判断绝缘是否受潮或劣化 电介质的损耗电介质的损耗 电介质的损耗包括：电导损耗、极化损耗。电介质的损耗包括：电导损耗、极化损耗。电导损耗：直流电压、交流电压均存在电导损耗：直流电压、交流电压均存在极化损耗：由有损极化引起，极化损耗：由有损极化引起，如极性介质中周期性的偶极子极化、夹层极化如极性介质中周期性的偶极子极化、夹层极化仅交流电压存在。仅交流电压存在。施加直流电压：仅有电导损耗施加直流电压：仅有电导损耗可用体积电导率和表面电导率描

20、述可用体积电导率和表面电导率描述施加交流电压：电导损耗和极化损耗同时存在。施加交流电压：电导损耗和极化损耗同时存在。 电介质损耗的测量电介质损耗的测量 测量电路和交流电流的相量图测量电路和交流电流的相量图介质损耗公式：介质损耗公式：介质损耗介质损耗P不适合作为评价介质品不适合作为评价介质品质好坏的标准。质好坏的标准。P和电压和电压U、频率，以及试品电容量、频率，以及试品电容量（除试品品质，还取决于结构）有关（除试品品质，还取决于结构）有关而介质损耗角的正切而介质损耗角的正切 ，适合，适合仅取决于材料的损耗特性，与电压仅取决于材料的损耗特性，与电压U、频率，以及试品电容量等外因无关频率，以及试品

21、电容量等外因无关tgCUtgUIUIUIPPCR2cos：频率：介质损耗角；功率因素角；:tg介质损耗的等值电路（介质损耗的等值电路（1） 三个并联支路等值电路三个并联支路等值电路C1代表无损极化代表无损极化C2-R2代表有损极化代表有损极化R3代表电导损耗代表电导损耗适用三个因素均有作用，或损耗主要由电导引起的场适用三个因素均有作用，或损耗主要由电导引起的场合合交流电压时电压和电流相量如图施交流电压时电压和电流相量如图施介质损耗的等值电路（介质损耗的等值电路（2）三个并联支路等值电路（续）三个并联支路等值电路（续）加直流电压时，加直流电压时，C1中的中的电容电流电容电流迅速衰减为迅速衰减为0

22、；C2-R2中的中的吸收电流吸收电流衰减较慢；衰减较慢；R3中的中的传导电流传导电流恒流。恒流。 介质损耗的串联支路等值电路介质损耗的串联支路等值电路适用于损耗主要由极化和连接导线适用于损耗主要由极化和连接导线引起的场合引起的场合 气体介质的损耗气体介质的损耗 电场较小、未发生碰撞电离时，仅存电场较小、未发生碰撞电离时，仅存在很小的电导损耗在很小的电导损耗常用气体作为标准电容器的介质常用气体作为标准电容器的介质空气，空气，N2，CO2，SF6等等电场超过放电起始电场后，发生局部电场超过放电起始电场后，发生局部放电，损耗急剧增加放电，损耗急剧增加一般发生在固体、液体介质中有气泡的一般发生在固体、

23、液体介质中有气泡的场合场合固体、液体介电常数大于气体，气体电固体、液体介电常数大于气体，气体电场高导致局部放电场高导致局部放电电晕放电位于棒极附近，气泡局放可能电晕放电位于棒极附近，气泡局放可能远离电极远离电极810tgE0tgOE液体介质的损耗液体介质的损耗 中性、弱极性液体介质：中性、弱极性液体介质：主要是电导损耗主要是电导损耗损耗较小损耗较小损耗和温度关系和电导相似损耗和温度关系和电导相似损耗和频率无关损耗和频率无关强极性液体介质：电导损强极性液体介质：电导损耗耗+极化损耗极化损耗损耗较大损耗较大和温度、电源频率关系复杂和温度、电源频率关系复杂（非线性、非单调）（非线性、非单调）电导损耗

24、随温度升高而增加电导损耗随温度升高而增加极化损耗随温度升高先增加极化损耗随温度升高先增加再减小再减小kTAe/固体介质的损耗固体介质的损耗 （1）固体介质的分类：有机绝缘材料（极性、非极性）、无机固体介质的分类：有机绝缘材料（极性、非极性）、无机绝缘材料绝缘材料极性有机固体介质：极性有机固体介质： tg与温度、频率的关系和极性液体与温度、频率的关系和极性液体介质相似。介质相似。如：聚氯乙烯、纤维素等，从如：聚氯乙烯、纤维素等，从0.1%1.0%或更大或更大非极性有机固体介质：损耗主要为电导损耗。非极性有机固体介质：损耗主要为电导损耗。如聚乙烯（如聚乙烯（ 0.01%0.02% ）、聚苯乙烯）、

25、聚苯乙烯无极性杂质时，极化只有电子式，无损耗无极性杂质时，极化只有电子式，无损耗tg与温度关系由电导决定，和频率无关与温度关系由电导决定，和频率无关无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃，均为离子式结构无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃，均为离子式结构云母不含杂质时，没有明显极化过程，主要为电导损耗，在高温下云母不含杂质时，没有明显极化过程，主要为电导损耗，在高温下也很低也很低电工陶瓷：电导损耗电工陶瓷：电导损耗+极化损耗，常温下电导率很小极化损耗，常温下电导率很小玻璃：电导损耗玻璃：电导损耗+极化损耗，极化损耗， tg 和成分有关和成分有关 kTAe/固体介质的损耗固体介质的损耗 （2）常用液体和固体电

26、介质的 值 tg2.2 液体介质的击穿矿物绝缘油矿物绝缘油-最常用的液体介质最常用的液体介质最常用的液体介质：矿物绝缘油矿物绝缘油作用： 变压器油变压器油矿物绝缘油矿物绝缘油 电缆油电缆油 电容器油电容器油 冷却媒质（变压器中）冷却媒质（变压器中）绝缘媒质绝缘媒质+ 灭弧（油断路器中）灭弧（油断路器中） 贮能（电容器中）贮能（电容器中）液体介质击穿的概念液体介质击穿的概念 (1)液体击穿的因素：液体击穿的因素：外部因素：电压类型、持续时间、幅值，电极形状、材料、表面特性外部因素：电压类型、持续时间、幅值，电极形状、材料、表面特性内部因素：油中的水、气、其它杂质的含量内部因素：油中的水、气、其它

27、杂质的含量油的击穿，实质上是杂质的击穿。油的击穿，实质上是杂质的击穿。缺乏统一的击穿机理。可按某因素占主导或诱导地位进行分类分析缺乏统一的击穿机理。可按某因素占主导或诱导地位进行分类分析被掩盖的气体放电被掩盖的气体放电液体分子间存在液体分子间存在“空穴空穴”油中易挥发的成分（自身蒸气）油中易挥发的成分（自身蒸气）+溶于油中外来气体溶于油中外来气体+碰撞分解物空穴（气碰撞分解物空穴（气穴）穴）油分解和碰撞电离油分解和碰撞电离离子浓度上升离子浓度上升离子电导电流上升离子电导电流上升发热发热形成形成气泡气泡气泡电场强度大气泡电场强度大气泡电离气泡电离电导率电导率电场分布畸变电场分布畸变气泡电子崩气泡

28、电子崩崩头场强大崩头场强大电、热作用下使油隙击穿电、热作用下使油隙击穿本质：油中气泡诱发，液体自身很难直接电离击穿本质：油中气泡诱发，液体自身很难直接电离击穿液体介质击穿的概念液体介质击穿的概念 (2)纤维桥接击穿纤维桥接击穿绝缘液体事先经过过滤、干燥和脱气处理绝缘液体事先经过过滤、干燥和脱气处理运行中，设备分离出固体杂质（纤维或其它不溶物），运行中，设备分离出固体杂质（纤维或其它不溶物），或水分进入或水分进入纤维受潮，介电常数纤维受潮，介电常数，发生极化，游动到，发生极化，游动到E较高区域较高区域纤维相互连接纤维相互连接达成导电桥达成导电桥纤维桥导电率高纤维桥导电率高发热较大发热较大附近的潮

29、气或液体蒸发附近的潮气或液体蒸发气泡气泡气泡击穿气泡击穿电离增强电离增强最终出现被掩盖的气体放电最终出现被掩盖的气体放电本质：纤维桥发热诱发被掩盖的气体放电，再诱发液体本质：纤维桥发热诱发被掩盖的气体放电，再诱发液体击穿击穿 纤维桥接击穿、被掩盖的气体放电两者的关系是什纤维桥接击穿、被掩盖的气体放电两者的关系是什么？么？影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素 (1)液体电气强度不是材料常数。液体电气强度不是材料常数。影响液体介质电气强度的因素：影响液体介质电气强度的因素： 外部因素：外部因素： 电压类型、持续时间、幅值，电极形状电压类型、持续时间、幅值，电极形状液体自身因素：液体

30、自身因素： 油中的水、气、其它杂质的含量，油体积，温度油中的水、气、其它杂质的含量，油体积，温度工程中检验油的质量最重要的方法：用标准油杯测量油的工工程中检验油的质量最重要的方法：用标准油杯测量油的工频击穿电压频击穿电压标准油杯标准油杯：影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素 (2)电压形式的影响电压形式的影响油的冲击击穿场强比空气高的多：油的冲击击穿场强比空气高的多：被掩盖的气体放电和纤维桥击穿所被掩盖的气体放电和纤维桥击穿所需时间长需时间长电压作用时间增加，则击穿电压电压作用时间增加，则击穿电压下降：下降：促进击穿的各种条件同时出现的概促进击穿的各种条件同时出现的概率增加率增

31、加升压速度越大，击穿电压也越大：升压速度越大，击穿电压也越大：冲击击穿电压显著高于工频击穿电冲击击穿电压显著高于工频击穿电压压 冲击系数大于空气间隙冲击系数大于空气间隙影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素 (3)温度、含水量、含气量的影响温度、含水量、含气量的影响油的击穿电压与温度的关系复杂，和含水量、含气量有很大关系油的击穿电压与温度的关系复杂，和含水量、含气量有很大关系从工程应用角度，主要考虑温度、含水量二者共同影响，以及含汽从工程应用角度，主要考虑温度、含水量二者共同影响，以及含汽量的影响量的影响油的相对湿度油的相对湿度Wrel：实际含水量与该温度下的饱和浓度之比。：实际

32、含水量与该温度下的饱和浓度之比。相对湿度增加，击穿场强下降。相对湿度增加，击穿场强下降。Wrel100%后，击穿场强不再改变后，击穿场强不再改变影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素 (4)温度、含水量、含气量的影响（续）温度、含水量、含气量的影响（续）与含水量、温度关系：与含水量、温度关系：含水量较低时，击穿场强与温度无关含水量较低时，击穿场强与温度无关含水量较高时，击穿场强随温度上升而含水量较高时，击穿场强随温度上升而提高提高上述规律是表面现象。上述规律是表面现象。本质原因是：绝对含水量不变时，随温本质原因是：绝对含水量不变时，随温度升高，相对湿度下降。度升高，相对湿度下降。

33、与含气量的关系：与含气量的关系：气体呈溶解状态时，击穿场强与含气量气体呈溶解状态时，击穿场强与含气量无关：此时无气泡无关：此时无气泡超过溶解状态，有气泡存在，则气泡中超过溶解状态，有气泡存在，则气泡中的局部放电导致击穿场强显著下降的局部放电导致击穿场强显著下降注意：相对含水和含气量，与击穿场强注意：相对含水和含气量，与击穿场强变化是不同的。变化是不同的。影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素 (5)杂质的影响：杂质的影响：除水外，含其他杂质时，击穿场强下降程度因杂质的种类和数量除水外，含其他杂质时，击穿场强下降程度因杂质的种类和数量而异而异纤维含量对击穿场强影响很大：极性介质、易

34、吸潮、易形成电桥纤维含量对击穿场强影响很大：极性介质、易吸潮、易形成电桥碳粒对油的击穿场强影响不大碳粒对油的击穿场强影响不大影响液体介质击穿电压的因素影响液体介质击穿电压的因素 (6)油量的影响：油量的影响： 随油隙距离的增加，击穿电压也增加，但非直线关系。同时击穿场随油隙距离的增加，击穿电压也增加，但非直线关系。同时击穿场强下降。强下降。与气体性质类似与气体性质类似其他条件不变，油量增加，击穿场强下降其他条件不变，油量增加，击穿场强下降油中杂质出现的概率随油量增大。油中杂质出现的概率随油量增大。推论：不能将对小体积油的测试结果，直接用于高压电气设备绝缘推论：不能将对小体积油的测试结果，直接用

35、于高压电气设备绝缘的设计中的设计中 减少杂质影响的方法减少杂质影响的方法 油的击穿主要是杂质的击穿：油的击穿主要是杂质的击穿：1）提高油的品质、减少杂质；）提高油的品质、减少杂质；2）减小杂质的影响）减小杂质的影响提高油品质的方法：提高油品质的方法：过滤：用硅胶等吸附剂，阻隔纤维等固态杂物，吸收水分等液态杂质过滤：用硅胶等吸附剂，阻隔纤维等固态杂物，吸收水分等液态杂质防潮：烘干，必要时采用真空干燥法，设备入口放干燥剂等防潮：烘干，必要时采用真空干燥法，设备入口放干燥剂等祛气：真空注抽法祛气：真空注抽法采用采用“油油-屏障屏障”式绝缘式绝缘覆盖层：用电缆纸等材料覆盖小曲率半径电极，限制泄漏电流、

36、阻止覆盖层：用电缆纸等材料覆盖小曲率半径电极，限制泄漏电流、阻止纤维小桥发展纤维小桥发展不能承担绝缘作用，仅阻隔电子和杂质移动不能承担绝缘作用，仅阻隔电子和杂质移动绝缘层：覆盖层厚度增大时，除阻隔电子和杂物移动，能分担一定电绝缘层：覆盖层厚度增大时，除阻隔电子和杂物移动，能分担一定电压、降低电极表面场强压、降低电极表面场强隔板屏障：既能阻止纤维小桥形成，又能改善电场均匀度隔板屏障：既能阻止纤维小桥形成，又能改善电场均匀度与气体间隙中的屏障作用相似与气体间隙中的屏障作用相似2.3 固体介质的击穿固体介质击穿的特点固体介质击穿的特点E固体E液体E气体。固体介质击穿的特点：固体介质击穿的特点：击穿场

37、强与电压作用的时间有很击穿场强与电压作用的时间有很大的关系，时间越长、击穿场强大的关系，时间越长、击穿场强越低越低根据电压作用时间，击穿分为：根据电压作用时间，击穿分为：电击穿、热击穿、电化学击穿电击穿、热击穿、电化学击穿外因：电场均匀度、温度外因：电场均匀度、温度内因：介质的微观结构、几何形内因：介质的微观结构、几何形状状击穿场强不是绝缘的材料常数击穿场强不是绝缘的材料常数和材料本身性质不完全固定和材料本身性质不完全固定固体材料击穿的最大不同：永久性破坏，不能自恢复固体材料击穿的最大不同：永久性破坏，不能自恢复气体可自恢复气体可自恢复液体的特点？液体的特点？固体介质的电击穿理论固体介质的电击

38、穿理论电击穿理论：从不同角度可归纳为三种理论：电击穿理论：从不同角度可归纳为三种理论：纯电击穿：存在自由电子纯电击穿：存在自由电子-电场下得到加速电场下得到加速-碰撞电离碰撞电离-电子崩电子崩-正正离子增强电场离子增强电场-碰撞电离增强碰撞电离增强与气体放电的汤逊理论相似与气体放电的汤逊理论相似集体电子击穿理论：电子的激发，机理不做要求集体电子击穿理论：电子的激发，机理不做要求空间电荷击穿理论：空间电荷聚集、作用增强，详细机理不做要求空间电荷击穿理论：空间电荷聚集、作用增强，详细机理不做要求如果固体电导很小、有良好散热、内部不存在局部放电条件如果固体电导很小、有良好散热、内部不存在局部放电条件

39、下，通常为电击穿。下，通常为电击穿。击穿场强可达击穿场强可达105106kV/m，而热击穿场强一般为，而热击穿场强一般为103104kV/m，相，相差两个数量级差两个数量级电击穿特征：电击穿特征：和环境温度无关和环境温度无关与电压作用时间无关（除时间很短的情况外）与电压作用时间无关（除时间很短的情况外）发热不显著发热不显著电场均匀度对击穿电压有显著影响电场均匀度对击穿电压有显著影响 固体介质的热击穿理论（固体介质的热击穿理论（1）热击穿理论：介质内热不稳热击穿理论：介质内热不稳定造成的。定造成的。过程：过程：电导和极化损耗使介质发热电导和极化损耗使介质发热-电导率随温度增加，发热增加，电导率随

40、温度增加，发热增加，同时散热也增加同时散热也增加-发热超过散热，温度继续升高发热超过散热，温度继续升高-材料热破坏材料热破坏发热与散热的关系发热与散热的关系发热曲线与散热曲线两个交叉发热曲线与散热曲线两个交叉点，第一个是稳定平衡态，第点，第一个是稳定平衡态，第二个是不稳定平衡二个是不稳定平衡问题：两个状态的平衡过程问题：两个状态的平衡过程一个交叉点为不稳定平衡态，一个交叉点为不稳定平衡态，无交叉点，肯定热击穿无交叉点，肯定热击穿kTAe/固体介质的热击穿理论（固体介质的热击穿理论（2）设计时，必须使发热和散热有正设计时，必须使发热和散热有正确的匹配：确的匹配：有两个交叉点，且两个温度差应足有两

41、个交叉点，且两个温度差应足够大够大改善散热，使散热曲线斜率增加改善散热，使散热曲线斜率增加降低发热，减小电压降低发热，减小电压热击穿特点：所需时间较长，数热击穿特点：所需时间较长，数分钟分钟数小时数小时注意：绝缘试验中工频注意：绝缘试验中工频1分钟耐压分钟耐压试验不能考核热击穿特性试验不能考核热击穿特性频率提高时，热击穿可能性增大频率提高时，热击穿可能性增大极化损耗随频率增加而增加极化损耗随频率增加而增加直流电压下热击穿概率降低：直流电压下热击穿概率降低：缺乏极化损耗缺乏极化损耗固体介质的电化学击穿理论固体介质的电化学击穿理论电化学击穿：长时间（数月、数年）施压引起的介质劣化。电化学击穿：长时

42、间（数月、数年）施压引起的介质劣化。机理：介质的层间、裂纹、空穴、杂质上的局部放电引起机理：介质的层间、裂纹、空穴、杂质上的局部放电引起局放局放-非完全击穿非完全击穿-电损害、分解物腐蚀电损害、分解物腐蚀-树枝通道树枝通道-持续增加持续增加水树枝：缺陷处的液体导电物质（如水）引起，不是气泡过程水树枝：缺陷处的液体导电物质（如水）引起，不是气泡过程水树枝发展的场强低于电树枝水树枝发展的场强低于电树枝无机材料耐受局部放电能力强，有机材料差无机材料耐受局部放电能力强，有机材料差 水树枝：绒毛状一片或多片。电树枝：清晰分支，树枝连续水树枝：绒毛状一片或多片。电树枝：清晰分支，树枝连续提高固体介质的局部

43、放电电压提高固体介质的局部放电电压 消除气隙或减小气隙尺寸消除气隙或减小气隙尺寸气隙击穿场强随气隙厚度减小而明显提高气隙击穿场强随气隙厚度减小而明显提高提高空穴击穿场强提高空穴击穿场强用液体或压缩气体填充空穴，如油纸绝缘，压缩用液体或压缩气体填充空穴，如油纸绝缘，压缩SF6气体气体等等2.4 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度介质的组合原则介质的组合原则高压电气设备的绝缘性能要求：高压电气设备的绝缘性能要求：电气性能、热性能、机械性能、理化性能等电气性能、热性能、机械性能、理化性能等单一品种的电介质往往不能同时满足多种要求单一品种的电介质往往不能同时满足多种要求实际应用中，可采用多种电介质组

44、合绝缘实际应用中，可采用多种电介质组合绝缘介质的组合原则：介质的组合原则：以层状绝缘（层叠绝缘）为例以层状绝缘（层叠绝缘）为例各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正比。各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正比。各层介质的理化特性应互为组合、互为配合。各层介质的理化特性应互为组合、互为配合。此时，整个组合绝缘的电气强度最高，每层绝缘材料得此时，整个组合绝缘的电气强度最高，每层绝缘材料得到了最充分、合理的利用。到了最充分、合理的利用。否则，薄弱环节容易先击穿，进而逐步使整个绝缘击穿否则，薄弱环节容易先击穿，进而逐步使整个绝缘击穿 介质界面与等位面重合的组合绝缘介质界面与等位面重合的组合绝缘均匀

45、电场，均匀电场，N层介质重叠。层介质重叠。交流电压下，各层电场强度为交流电压下，各层电场强度为 增加某介质的增加某介质的 时，其电场强度可时，其电场强度可减小，但其余层电场强度会增大减小，但其余层电场强度会增大均匀场中，介电常数（电导率）均匀场中，介电常数（电导率）小的介质，需要其电气强度大小的介质，需要其电气强度大实现有难度：实现有难度：如油浸纸绝缘中，油介电常数小、如油浸纸绝缘中，油介电常数小、承受电场大，但电气强度低承受电场大，但电气强度低如空气与固体的组合，空气介电常如空气与固体的组合，空气介电常数小、承受电场大，但电气强度小数小、承受电场大，但电气强度小 nniidddUE.2211

46、i组合绝缘所承受的电压组合绝缘所承受的电压各层绝缘所承受的电压与作用电压类型和绝缘材料的特性有各层绝缘所承受的电压与作用电压类型和绝缘材料的特性有关。关。冲击电压下：绝缘等效为电容，各层分担电压与电容（介电冲击电压下：绝缘等效为电容，各层分担电压与电容（介电常数）成反比。常数）成反比。应该把电气强度高、介电常数大的材料用在电场最强的地方。应该把电气强度高、介电常数大的材料用在电场最强的地方。问题：为什么是介电常数大、而不是介电常数小？问题：为什么是介电常数大、而不是介电常数小？ 在直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层分担电压与绝缘在直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层分担电压与绝缘电阻（电导）

47、成正比（反比）电阻（电导）成正比（反比）应该把电气强度高、电导率大的材料用在电场最强的地方。应该把电气强度高、电导率大的材料用在电场最强的地方。在交流电压下：绝缘等效为绝缘电阻与电容的并联，各层分在交流电压下：绝缘等效为绝缘电阻与电容的并联，各层分担电压先与电容（介电常数）成反比，再与绝缘电阻成正比。担电压先与电容（介电常数）成反比，再与绝缘电阻成正比。介质界面与电极表面斜交的组合绝缘介质界面与电极表面斜交的组合绝缘电力线将在两种介质中产生折射电力线将在两种介质中产生折射电场分布复杂电场分布复杂P点场强最大点场强最大 分界面是同心圆筒的组合绝缘分界面是同心圆筒的组合绝缘如超高压的交流或直流电缆如超高压的交流或直流电缆电场分布不均匀，内层电场强度高电场分布不均匀，内层电场强度高绝缘应分阶：由介电常数（或电导率）不同的多层绝缘构绝缘应分阶：由介电常数（或电导率）不同的多层绝缘构成的组合绝缘。成的组合绝缘。内层绝缘