高电压2-液体固体介质的绝缘强度课件

第一篇

高电压绝缘与试验第二章

液体、固体电介质的绝缘强度第一篇高电压绝缘与试验第二章液体、固体电介质的绝缘强度1电介质的概念：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极化的固体、液体和气体总称为电介质（dielectrics）电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有重要的地位。电介质的主要用途：利用大介电常数构成电容器利用高绝缘阻抗构成电工绝缘材料（insulatingmaterials）电介质的主要用途：2在电场作用下电介质的电气特性表现为：

导电性能

介电性能

电气强度在电场作用下电介质的电气特性表现为：3表征参数通过本章的学习要掌握液体和固体介质的极化、电导和损耗；掌握液体和固体介质的击穿特性；了解组合绝缘的意义。

电导率(绝缘电阻率)γ相对介电常数εr介质损耗角正切tgδ在高电场下的电气传导机理、击穿电压导电性能介电性能电气强度表征参数通过本章的学习要掌握液体和固体介质的极化、电导和损耗41介质的极化、电导和损耗2液体介质的击穿3固体介质的击穿4组合绝缘主要内容介质在工作电压下的表现特性介质在极端电压（击穿电压）作用下的表现1介质的极化、电导和损耗2液体介质的击穿3固体介质的击51电介质的极化、电导和损耗1电介质的极化、电导和损耗61电介质的极化、电导和损耗用平板电容器做实验，可以发现，当极间为真空时：极板间为真空A1.1介质的极化和相对介电常数1电介质的极化、电导和损耗用平板电容器做实验，可以发现，当7

εr

是反映电介质极化程度的一个物理量。极板间为固体介质相对介电常数当极间填充极间距离相同的固体介质时：介质的极化所产生εr是反映电介质极化程度的一个物理量。极板间为固体介质相8εr的物理意义：在电压U作用下，极间放入电介质后，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．电容量增大的原因在于介质的极化现象。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化εr的物理意义：在电压U作用下，极间放入电介质后，极间的电容9(1)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特点：极化时间很短；各种频率下均可发生，极化与外加频率无关；具有弹性，无损耗；温度影响不大。1.2电介质极化的类型不同类型的介质正、负电荷的表现形式不同，因此具有不同的极化类型。(1)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10特点：极化时间稍长，极化与频率无关；弹性极化，无损；极化受温度影响：T↑→离子结合力↓→极化↑（主要）

T↑→密度↓→极化↓（次要）T↑→极化↑固体无机化合物大多属离子式结构，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，故平均极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。(2)离子式位移极化特点：固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、11(3)偶极子极化

极性电介质中，

极性分子无外电场作用时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。出现外电场后，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，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。

特点：极化时间较长；非弹性极化；

频率的影响：频率↑→偶极子来不及转向→极化↓；

温度影响：T↑→转向容易→极化↑

T↑↑→热运动加剧阻碍转向→极化↓（a）无外电场

（b）有外电场

(3)偶极子极化（a）无外电场（b）有外电场12合闸瞬间，t=０时，电压按电容分配：(4)夹层介质界面极化(4)夹层介质界面极化13合闸后，t→∞，到达稳定，电压按电阻分配：合闸后，t→∞，到达稳定，电压按电阻分配：14假设：即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布由t=０到t→∞有一电压重新分配的过程，也就是C1和C2上电压重新分配的过程。假设：即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布由t15U2的电压下降，表明C２上的电荷要通过R２泄放。U1的电压上升，表明C1要通过R２由电源充电吸收一部分电荷，即吸收电荷。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，这个过程称为吸收过程。时间常数夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导完成的，高压绝缘介质的G通常很小，所以极化速度非常缓慢。U2的电压下降，表明C２上的电荷要通过R２泄放。U1的电压上16各种极化类型的比较极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量损耗电子式任何电介质10-15束缚电荷的位移无离子式离子式结构电介质10-13离子的相对偏移几乎无偶极子式极性电介质10-10～10-2偶极子的定向排列有夹层介质界面多层介质交界面10-1～数小时自由电荷的移动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，夹层介质界面的极化则是有带电质点的移动形成的。各种极化类型的比较极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量17电介质的相对介电常数气体：一切气体的εr都接近1；液体：非极性和弱极性电介质εr=1.8～2.8

偶极性电介质3～6固体：非极性和弱极性电介质εr=2～2.7

偶极性电介质εr=3～6

离子性电介质εr=5～8电介质的相对介电常数气体：一切气体的εr都接近1；18用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr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。其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。(如酒精εr＝３３，水的εr＝８１，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)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εr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布与串联各层电介质的εr成反比。用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr大的电介质，因为这样可19讨论极化在工程实际中的意义(1)选择绝缘

对于电容器，要求相同体积有较大的电容量，需增大

εr；

对于电缆，为减小电容电流，需减小

εr；(2)多层介质的合理配合

在交流及冲击电压下，各层电压分布与其εr成反比，选择合适的εr使各层介质电场分布较均匀。(3)研究介质损耗的理论依据

掌握不同极化类型对介质损耗的影响(4)预防性试验项目的理论依据

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。讨论极化在工程实际中的意义20

电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。任何电介质都有电导；按载流子的不同，电介质电导分为离子电导、电子电导、电泳电导。1.3电介质的电导电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率211、电子电导：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。2、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1010～1014Ωcm。

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1017～1019Ωcm。1、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子223、电泳电导：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，他们吸附电荷后变成了带电粒子。

对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导。其值受外界因素的影响很大。注意：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。

表面电导3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子23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电介质的泄漏电流和绝缘电阻绝缘电阻和吸收比位移电流传导电流i24绝缘电阻：吸收比：由于介质存在吸收现象，在试验中把加压60s测量的绝缘电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：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，吸收比较大；受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。绝缘电阻：吸收比：由于介质存在吸收现象，在试验中把加压60s25绝缘电阻的特点：(1)测量介质或设备的R∞时应加压1分钟或10分钟（后者是指电容量大的设备如，电缆、电机等）(2)绝缘电阻R∞具有负的温度系数(3)绝缘电阻R∞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，

造成R∞剧烈下降(4)对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电阻RS，由于受外界影响(如受潮、脏污等)很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。绝缘电阻的特点：26工程电介质电导的性质(1)气体：电子电导(2)液体：离子电导、电泳电导(3)固体：离子电导、电子电导讨论电介质电导的意义(1)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，电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压；(3)环境湿度对固体介质表面电阻的影响；(4)在某些情况下要减小绝缘电阻。工程电介质电导的性质27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（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流下：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，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电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。

1.3电介质的能量损耗1.3.1介质损耗的基本概念介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导28交变电场，电介质能量损耗包括：电导损耗

通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗。极化损耗

在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗。因此，电介质在交流电压作用下，产生的有功功率损耗，称为介质损耗，它包括电导损耗、极化损耗。交变电场，电介质能量损耗包括：因此，电介质在交流电压作用下，29交流时，流过电介质的电流：IC代表流过介质总的无功电流，Ir代表流过介质的总有功电流，Ir包括了电导损失和极化损失。

Ir，

交流时，流过电介质的电流：IC代表流过介质总的无功电流，Ir30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。视在功率：31tgδ取决于材料的特性，与材料尺寸无关。Ｐ与外施电压、电源角频率、试品几何电容、介质损失角正切tgδ有关；当外施电压U一定时，对工频而言，ω一定，P仅与Cp和tgδ有关，对结构一定的试品，Cp也为定值。因此，对同类试品，介质的有功损耗Ｐ的由tgδ决定。tgδ取决于材料的特性，与材料尺寸无关。Ｐ与外施电压、电源角32并联电路：通常，tgδ＜＜1，则有Cp≈Cs串联电路：1.3.2有损介质的等值电路并联电路：通常，tgδ＜＜1，则有Cp≈Cs串联电路：1.33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。C0：反映电子式和离子式极化；Ca、ra：反映吸收电流，表示

有损极化；R：反映电导损耗，该支路流过

的电流为泄漏电流。C0CaraR电介质的电导损耗和极化损耗都同时存在，其介质等值电34电压、频率、温度(1)电压

当电场强度达到气体的放电起始电压U0时，气体中发生放电，这时损耗将急剧增大。当固体、液体介质中存在气泡，施加较高电压（U>U0），

tgδ将增加，可检查出介质内部所存在的缺陷。（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电压、频率、温度1.3.3影响介质损耗的因素35（2）温度液体介质损耗主要由电导引起，极性液体介质的损耗tgδ与温度的关系如图所示。在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，

液体的粘度

，偶极子转向极化

，电导损耗

并在t＝t1时达到极大值；

t（2）温度t36在t1<t<t2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小

超过了电导损耗的增加

，所以总的曲线随t的升高而下降

，并在t=t2时达到极小值。在t1<t<t2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿37

在t>t2以后，由于电导损耗随温度急剧上升

、极化损耗不断减小

而退居次要地位，因而就随温度t的上升而持续增大

。在t>t2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损38（3）频率tgδ与温度的关系中还给出了频率f对tgδ的影响，可见：

f（f2>f1）tgδ=f(f）曲线的形状不变，但曲线向右移动了一定距离。这是因为频率增加时，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，t-tgδ曲线向右移动。（3）频率这是因为频率增加时，偶极子不易充分转向，为使其充分39电介质的损耗气体介质•损耗极小•常用来构成标准电容器•注意避免放电的发生液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关

非极性或弱极性损耗决定于漏导损耗小，tgδ约为10－4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，关系复杂电介质的损耗液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关40讨论损耗的意义选择绝缘：tgδ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tgδ大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流设备；预防性试验中判断绝缘状况：如果绝缘受潮或劣化，tgδ将急剧上升，在预防试验中可通过tgδ～U

的关系曲线来判断是否发生局部放电；均匀加热：当tgδ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。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法。讨论损耗的意义41小结电介质的极化电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化

电介质的电导：

表征电介质导电性能的主要物理量

电介质的损耗：

在交变电场作用下电介质中的能量损耗小结电介质的极化42液体、固体电介质的击穿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：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油

、蓖麻油等固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、

硅橡胶等液体、固体电介质的击穿液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，432液体电介质的击穿2.1、液体介质的击穿机理2.2、影响液体介质击穿电压因素2.3、提高液体介质击穿电压的主要措施2液体电介质的击穿2.1、液体介质的击穿机理2.2、影响液442.1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。

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场强45液体电介质种类：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。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。绝缘性能：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小。影响因素：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、间隙距离等有着复杂的关系。工程中往往用油的品质来衡量液体介质含杂质的情况。液体电介质种类：主要指矿物油，如变压器油、电容器油、电缆油，46油的品质在标准试油器（通常称油杯）中施加工频电压，此时油的击穿电压称为油的品质。用Q表示。电压等级击穿电压(kV)投运前的油运行油特高压≥70≥60500kV≥60≥50330kV≥50≥4566~220kV≥40≥3535kV及以下≥35≥30表运行中变压器油质量标准油的品质在标准试油器（通常称油杯）中施加工频电压，此时油的击472.1.1液体电介质的击穿机理纯净液体电介质的击穿理论电击穿理论（电子碰撞电离理论）：在外电场足够强时，液体中因强场发射等原因产生的电子，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。导致液体介质击穿。击穿特点：和长空气间隙的放电过程很相似。从击穿机理的角度，可将液体电介质分为两类：纯净液体电介质非纯净液体电介质(工程用)2.1.1液体电介质的击穿机理纯净液体电介质的击穿理论从击穿48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，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的εr

成反比。由于气泡的εr

最小，其击穿强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。

气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这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，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。

气泡击穿理论（小桥理论）49纯净油的电气强度：相当高，可达800～1000kV/cm，但提取工艺相当复杂。电气设备在制造过程中难免混入杂质，运行中也会老化而分解出气体和聚合物（蜡状物）。因此，工程上用的绝缘油总是含有一些气体和杂质。非纯净液体电介质（工程用液体电介质）纯净油的电气强度：相当高，可达800～1000kV/cm，但50非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）油中的杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。“杂质小桥”的形成：由于水和纤维的介电常数分别为81和6～7，比油的介电常数1.8～2.8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--杂质的“小桥”。非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）油中的杂质51油中受潮→水分(εr=81)纸布脱落→纤维(εr=6~7)沿电场极化定向排列杂质“小桥”“杂质小桥”贯通两电极“杂质小桥”未贯通两电极受潮纤维在电极间定向示意图油中受潮→水分(εr=81)沿电场极化定向排列杂质“小桥”“52(a)如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化；气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，气泡小桥贯穿，使油隙发生击穿。“杂质小桥”贯通两电极(a)如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电流增大，发53(b)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的εr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电离，于是油分解出气体，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。“杂质小桥”未贯通两电极(b)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维54(a)桥贯穿：G水、G纤大→i油↑→发热↑→水分汽化气泡扩大(b)桥未贯穿：εr纤>εr油→E纤小→△U纤小→E油↑↑→油电离

Eb气<Eb油→气泡电离增强→带电粒子→碰撞液体分子

→产生气体→气泡小桥贯通两极→击穿可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥。(a)桥贯穿：G水、G纤大→i油↑→发热↑→水分汽化气泡扩大55水分和其他杂质水在变压器油中有两种状态：①溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；②悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。

2.1.2影响液体介质击穿电压因素若气体和水分溶于液体介质则对Ub影响不大；若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显下降。含水继续增多仅增加几条击穿并联通道，

Ub不再下降当有纤维存在时，水分影响特别明显水分和其他杂质2.1.2影响液体介质击穿电压因素若气体和水56油温Ub极大值在0～60℃时，t↑→Ub↑↑(油中悬浮水分溶解)温度更高>80℃，

t↑→Ub↓(油中水分汽化增多)干燥的油潮湿的油油温Ub极大值在0～60℃时，t↑→Ub↑↑(油中悬浮水分57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效果较差。在冲击电压下，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，而与油的品质好坏几乎无关。电场均匀度58电压作用时间油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。这时影响油隙击穿电压的主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过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。电压作用时间电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始59油压的影响

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油压的增加而增加，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增大的缘故。

油中含气体时：压力↑→Ub油↑(气体在油中溶解量↑)油经脱气处理：压力对Ub油影响较小油压的影响油中含气体时：压力↑→Ub油↑(气体在油中溶解60(1)提高以及保持油的品质

过滤、防潮、祛气、防尘(2)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2.1.3提高液体介质击穿的主要措施(1)提高以及保持油的品质2.1.3提高液体介质击穿的主61小结纯净液体介质的击穿气体小桥理论

用击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程

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

提高液体电介质击穿电压的主要措施小结纯净液体介质的击穿623固体电介质的击穿3固体电介质的击穿633固体电介质的击穿3.1固体电介质的击穿机理3.2影响固体介质击穿的因素和改进措施3固体电介质的击穿3.1固体电介质的击穿机理3.264什么是固体介质的击穿?当作用在固体介质的电场强度超过某数值时，在该介质内会形成导电通道，使固体介质破坏的现象，称为固体介质的击穿。固体介质被击穿后，会出现裂缝、痕迹或形成漏电通道。固体介质被击穿后，其绝缘性能不能自行恢复。因而称非自恢复绝缘。什么是固体介质的击穿?当作用在固体介质的电场65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，空气的耐电强度～3kV/mm；液体的耐电强度10kV/mm～20

kV/mm；固体的耐电强度几十kV/mm～几百

kV/mm；固体电介质的电气强度在气、液、固三种电介质中，固体材料密度最大，66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）

t<0.2s

热过程（热击穿）

t>0.2s

电化学过程（电化学击穿）

数十小时3.1固体电介质的击穿机理在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：3.1固体67含义：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。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，固体介质的击穿通常为电击穿。电击穿的主要特征：①与周围环境温度有关；②击穿时间很短（10μs～0.2s)，击穿电压与时间无关；③介质发热不显著；④电场均匀程度对击穿有显著影响。3.1.1电击穿理论含义：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68击穿机理：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，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。由于电导γ存在→损耗→发热→T↑(负温度系数)→R↓→I↑↑→损耗发热↑↑(Q发>Q散)→T↑↑→介质分解、劣化→击穿特点：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。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。3.1.2热击穿理论击穿机理：固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散69概念：固体介质在电场长时间作用下（作用电压时间长达数十小时乃至几年甚至更长），逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部放电是介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因。电化学1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；2)温升使局部介质损耗增加；3)切断分子结构，导致介质破坏。3.1.3电化学击穿介质的电老化概念：固体介质在电场长时间作用下（作用电压时间长达数十小时乃70电老化的类型：电离性老化：在介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，在交流电压作用下产生，气隙或气泡内放电，并沿电场方向逐渐向电场深处发展，放电发展通道会呈树枝状--电树枝老化电导性老化：在两极之间的绝缘层中存在液态导电物质（如水），在交流电压作用下产生，液体会沿电场方向定向深入到绝缘层中，形成树枝状的痕迹，--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。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71电解性老化：离子性无机绝缘材料在直流电压作用下，电介质会逐渐老化--电解老化表面漏电起痕与电蚀损：有机介质表面产生，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。电解性老化：离子性无机绝缘材料在直流电压作用下，电介质会逐渐72表面漏电起痕与电蚀损表面漏电起痕与电蚀损73电介质中的树枝老化

在电化学击穿中，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迹，这就是树枝化放电劣化。电介质中的树枝老化在电化学击穿中，有一种树枝化放电的情况74

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。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75(一)电压作用时间

如果电压作用时间很短(例如0.2s以下)，固体介质的击穿往往是电击穿，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，如果在加电压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。3.2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1min.耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。(一)电压作用时间如果电压作用时间很短(例如0.2s以76(二)电场均匀程度

处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。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小了。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的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。(二)电场均匀程度常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这77

(三)温度固体介质在某个温度范围内t<t0其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。超过某个温度t>t0后将发生热击穿，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临界温度t0一般也是不同的。(三)温度78(四)湿度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，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；

容易吸潮的极性介质，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，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。

(四)湿度所以高压绝缘结构在制造时要注意除去水分，在运行中79

(五)累积效应（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，这称为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电压的下降。

以固体介质作绝缘材料的电气设备，随着施加冲击或工频试验电压次数的增多，很可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此，特别注意，对这些电气设备进行耐压试验，加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应，而在设计固体绝缘结构时，应保证一定的绝缘裕度。(五)累积效应（固体介质的特有性能）以固体介质80

(六)机械负荷

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。(六)机械负荷81改善措施改进制造工艺改善电场分布改善电极形状改善绝缘的工作条件改善措施改进制造工艺82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介质的其他性能热性能83热性能

热性能的基本特性耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度热劣化：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寿命：在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命

短时耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度热性能84电介质的耐热等级

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度划分耐热等级。如

YAEBFHC度数级

90105120130155180＞180温度规则

A级温度超过规定8℃、B级10℃、H级12℃，寿命约缩短一半运行负荷的经济性与寿命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电力设备使用期限定为20-25年。高电压2-液体固体介质的绝缘强度课件85电介质的耐寒性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，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40℃高电压2-液体固体介质的绝缘强度课件862.机械性能有脆性、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机械荷载。当其承受的机械荷载等于其破坏荷载时，它的电气性能将下降30%。多因素（如风、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，对绝缘子等产品在出厂前要经受机械-电气联合试验，以便暴露出绝缘中开裂、裂缝等缺陷。防患于未然。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873.吸潮性能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，极性电介质吸湿性较强4.化学性能及抗生物性化学性能指材料的化学稳定性如耐腐蚀性气体、液体溶剂等抗生物性指材料抗霉菌、昆虫的性能，在湿热地区尤为重要3.吸潮性能88小结在电场作用下，固体介质的击穿可分为电击穿热击穿电化学击穿

掌握击穿理论和影响因素小结在电场作用下，固体介质的击穿可分为891电介质的极化、电导和损耗2液体介质的击穿3固体介质的击穿4组合绝缘1电介质的极化、电导和损耗2液体介质的击穿3固体介质的904组合绝缘对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合：

“油-屏障”式绝缘油纸绝缘

4组合绝缘对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优91

油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高30％～50％。1、覆盖

紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。

4.1“油－屏障”式绝缘油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障”式绝缘结构，922、绝缘层

当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。3、屏障

放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。2、绝缘层93

电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。

“油—屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度；而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂。因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差.

4.1油纸绝缘电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空94绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达500～600kV/cm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的击穿场强约为200kV/cm，而干纸只有100～150kV/cm)。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。

绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达50095油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮)

因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。

油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮)96写在最后成功的基础在于好的学习习惯Thefoundationofsuccessliesingoodhabits97写在最后成功的基础在于好的学习习惯97谢谢聆听·学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal谢谢聆听LearningIsToAchieveAC98第一篇

高电压绝缘与试验第二章

液体、固体电介质的绝缘强度第一篇高电压绝缘与试验第二章液体、固体电介质的绝缘强度99电介质的概念：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极化的固体、液体和气体总称为电介质（dielectrics）电介质与导体、半导体、磁体等作为材料，在电工电子工程领域中占有重要的地位。电介质的主要用途：利用大介电常数构成电容器利用高绝缘阻抗构成电工绝缘材料（insulatingmaterials）电介质的主要用途：100在电场作用下电介质的电气特性表现为：

导电性能

介电性能

电气强度在电场作用下电介质的电气特性表现为：101表征参数通过本章的学习要掌握液体和固体介质的极化、电导和损耗；掌握液体和固体介质的击穿特性；了解组合绝缘的意义。

电导率(绝缘电阻率)γ相对介电常数εr介质损耗角正切tgδ在高电场下的电气传导机理、击穿电压导电性能介电性能电气强度表征参数通过本章的学习要掌握液体和固体介质的极化、电导和损耗1021介质的极化、电导和损耗2液体介质的击穿3固体介质的击穿4组合绝缘主要内容介质在工作电压下的表现特性介质在极端电压（击穿电压）作用下的表现1介质的极化、电导和损耗2液体介质的击穿3固体介质的击1031电介质的极化、电导和损耗1电介质的极化、电导和损耗1041电介质的极化、电导和损耗用平板电容器做实验，可以发现，当极间为真空时：极板间为真空A1.1介质的极化和相对介电常数1电介质的极化、电导和损耗用平板电容器做实验，可以发现，当105

εr

是反映电介质极化程度的一个物理量。极板间为固体介质相对介电常数当极间填充极间距离相同的固体介质时：介质的极化所产生εr是反映电介质极化程度的一个物理量。极板间为固体介质相106εr的物理意义：在电压U作用下，极间放入电介质后，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．电容量增大的原因在于介质的极化现象。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化εr的物理意义：在电压U作用下，极间放入电介质后，极间的电容107(1)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特点：极化时间很短；各种频率下均可发生，极化与外加频率无关；具有弹性，无损耗；温度影响不大。1.2电介质极化的类型不同类型的介质正、负电荷的表现形式不同，因此具有不同的极化类型。(1)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108特点：极化时间稍长，极化与频率无关；弹性极化，无损；极化受温度影响：T↑→离子结合力↓→极化↑（主要）

T↑→密度↓→极化↓（次要）T↑→极化↑固体无机化合物大多属离子式结构，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，故平均极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。(2)离子式位移极化特点：固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、109(3)偶极子极化

极性电介质中，

极性分子无外电场作用时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。出现外电场后，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，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。

特点：极化时间较长；非弹性极化；

频率的影响：频率↑→偶极子来不及转向→极化↓；

温度影响：T↑→转向容易→极化↑

T↑↑→热运动加剧阻碍转向→极化↓（a）无外电场

（b）有外电场

(3)偶极子极化（a）无外电场（b）有外电场110合闸瞬间，t=０时，电压按电容分配：(4)夹层介质界面极化(4)夹层介质界面极化111合闸后，t→∞，到达稳定，电压按电阻分配：合闸后，t→∞，到达稳定，电压按电阻分配：112假设：即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布由t=０到t→∞有一电压重新分配的过程，也就是C1和C2上电压重新分配的过程。假设：即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布由t113U2的电压下降，表明C２上的电荷要通过R２泄放。U1的电压上升，表明C1要通过R２由电源充电吸收一部分电荷，即吸收电荷。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，这个过程称为吸收过程。时间常数夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导完成的，高压绝缘介质的G通常很小，所以极化速度非常缓慢。U2的电压下降，表明C２上的电荷要通过R２泄放。U1的电压上114各种极化类型的比较极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量损耗电子式任何电介质10-15束缚电荷的位移无离子式离子式结构电介质10-13离子的相对偏移几乎无偶极子式极性电介质10-10～10-2偶极子的定向排列有夹层介质界面多层介质交界面10-1～数小时自由电荷的移动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，夹层介质界面的极化则是有带电质点的移动形成的。各种极化类型的比较极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量115电介质的相对介电常数气体：一切气体的εr都接近1；液体：非极性和弱极性电介质εr=1.8～2.8

偶极性电介质3～6固体：非极性和弱极性电介质εr=2～2.7

偶极性电介质εr=3～6

离子性电介质εr=5～8电介质的相对介电常数气体：一切气体的εr都接近1；116用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr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。其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。(如酒精εr＝３３，水的εr＝８１，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)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εr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布与串联各层电介质的εr成反比。用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr大的电介质，因为这样可117讨论极化在工程实际中的意义(1)选择绝缘

对于电容器，要求相同体积有较大的电容量，需增大

εr；

对于电缆，为减小电容电流，需减小

εr；(2)多层介质的合理配合

在交流及冲击电压下，各层电压分布与其εr成反比，选择合适的εr使各层介质电场分布较均匀。(3)研究介质损耗的理论依据

掌握不同极化类型对介质损耗的影响(4)预防性试验项目的理论依据

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。讨论极化在工程实际中的意义118

电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。任何电介质都有电导；按载流子的不同，电介质电导分为离子电导、电子电导、电泳电导。1.3电介质的电导电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率1191、电子电导：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。2、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1010～1014Ωcm。

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1017～1019Ωcm。1、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子1203、电泳电导：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，他们吸附电荷后变成了带电粒子。

对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导。其值受外界因素的影响很大。注意：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。

表面电导3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子121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电介质的泄漏电流和绝缘电阻绝缘电阻和吸收比位移电流传导电流i122绝缘电阻：吸收比：由于介质存在吸收现象，在试验中把加压60s测量的绝缘电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值称为吸收比，即：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，吸收比较大；受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。绝缘电阻：吸收比：由于介质存在吸收现象，在试验中把加压60s123绝缘电阻的特点：(1)测量介质或设备的R∞时应加压1分钟或10分钟（后者是指电容量大的设备如，电缆、电机等）(2)绝缘电阻R∞具有负的温度系数(3)绝缘电阻R∞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，

造成R∞剧烈下降(4)对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电阻RS，由于受外界影响(如受潮、脏污等)很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。绝缘电阻的特点：124工程电介质电导的性质(1)气体：电子电导(2)液体：离子电导、电泳电导(3)固体：离子电导、电子电导讨论电介质电导的意义(1)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，电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压；(3)环境湿度对固体介质表面电阻的影响；(4)在某些情况下要减小绝缘电阻。工程电介质电导的性质125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（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流下：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，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电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。

1.3电介质的能量损耗1.3.1介质损耗的基本概念介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导126交变电场，电介质能量损耗包括：电导损耗

通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗。极化损耗

在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗。因此，电介质在交流电压作用下，产生的有功功率损耗，称为介质损耗，它包括电导损耗、极化损耗。交变电场，电介质能量损耗包括：因此，电介质在交流电压作用下，127交流时，流过电介质的电流：IC代表流过介质总的无功电流，Ir代表流过介质的总有功电流，Ir包括了电导损失和极化损失。

Ir，

交流时，流过电介质的电流：IC代表流过介质总的无功电流，Ir128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。视在功率：129tgδ取决于材料的特性，与材料尺寸无关。Ｐ与外施电压、电源角频率、试品几何电容、介质损失角正切tgδ有关；当外施电压U一定时，对工频而言，ω一定，P仅与Cp和tgδ有关，对结构一定的试品，Cp也为定值。因此，对同类试品，介质的有功损耗Ｐ的由tgδ决定。tgδ取决于材料的特性，与材料尺寸无关。Ｐ与外施电压、电源角130并联电路：通常，tgδ＜＜1，则有Cp≈Cs串联电路：1.3.2有损介质的等值电路并联电路：通常，tgδ＜＜1，则有Cp≈Cs串联电路：1.131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。C0：反映电子式和离子式极化；Ca、ra：反映吸收电流，表示

有损极化；R：反映电导损耗，该支路流过

的电流为泄漏电流。C0CaraR电介质的电导损耗和极化损耗都同时存在，其介质等值电132电压、频率、温度(1)电压

当电场强度达到气体的放电起始电压U0时，气体中发生放电，这时损耗将急剧增大。当固体、液体介质中存在气泡，施加较高电压（U>U0），

tgδ将增加，可检查出介质内部所存在的缺陷。（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电压、频率、温度1.3.3影响介质损耗的因素133（2）温度液体介质损耗主要由电导引起，极性液体介质的损耗tgδ与温度的关系如图所示。在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，

液体的粘度

，偶极子转向极化

，电导损耗

并在t＝t1时达到极大值；

t（2）温度t134在t1<t<t2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小

超过了电导损耗的增加

，所以总的曲线随t的升高而下降

，并在t=t2时达到极小值。在t1<t<t2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿135

在t>t2以后，由于电导损耗随温度急剧上升

、极化损耗不断减小

而退居次要地位，因而就随温度t的上升而持续增大

。在t>t2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损136（3）频率tgδ与温度的关系中还给出了频率f对tgδ的影响，可见：

f（f2>f1）tgδ=f(f）曲线的形状不变，但曲线向右移动了一定距离。这是因为频率增加时，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，t-tgδ曲线向右移动。（3）频率这是因为频率增加时，偶极子不易充分转向，为使其充分137电介质的损耗气体介质•损耗极小•常用来构成标准电容器•注意避免放电的发生液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关

非极性或弱极性损耗决定于漏导损耗小，tgδ约为10－4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，关系复杂电介质的损耗液体和固体电介质：损耗与介质的极性有关138讨论损耗的意义选择绝缘：tgδ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tgδ大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流设备；预防性试验中判断绝缘状况：如果绝缘受潮或劣化，tgδ将急剧上升，在预防试验中可通过tgδ～U

的关系曲线来判断是否发生局部放电；均匀加热：当tgδ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。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法。讨论损耗的意义139小结电介质的极化电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化

电介质的电导：

表征电介质导电性能的主要物理量

电介质的损耗：

在交变电场作用下电介质中的能量损耗小结电介质的极化140液体、固体电介质的击穿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：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油

、蓖麻油等固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、

硅橡胶等液体、固体电介质的击穿液体和固体介质广泛用作电气设备的绝缘，1412液体电介质的击穿2.1、液体介质的击穿机理2.2、影响液体介质击穿电压因素2.3、提高液体介质击穿电压的主要措施2液体电介质的击穿2.1、液体介质的击穿机理2.2、影响液1422.1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。

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场强143液体电介质种类：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。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。绝缘性能：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小。影响因素：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、间隙距离等有着复杂的关系。工程中往往用油的品质来衡量液体介质含杂质的情况。液体电介质种类：主要指矿物油，如变压器油、电容器油、电缆油，144油的品质在标准试油器（通常称油杯）中施加工频电压，此时油的击穿电压称为油的品质。用Q表示。电压等级击穿电压(kV)投运前的油运行油特高压≥70≥60500kV≥60≥50330kV≥50≥4566~220kV≥40≥3535kV及以下≥35≥30表运行中变压器油质量标准油的品质在标准试油器（通常称油杯）中施加工频电压，此时油的击1452.1.1液体电介质的击穿机理纯净液体电介质的击穿理论电击穿理论（电子碰撞电离理论）：在外电场足够强时，液体中因强场发射等原因产生的电子，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。导致液体介质击穿。击穿特点：和长空气间隙的放电过程很相似。从击穿机理的角度，可将液体电介质分为两类：纯净液体电介质非纯净液体电介质(工程用)2.1.1液体电介质的击穿机理纯净液体电介质的击穿理论从击穿146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，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的εr

成反比。由于气泡的εr

最小，其击穿强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。

气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这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，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。

气泡击穿理论（小桥理论）147纯净油的电气强度：相当高，可达800～1000kV/cm，但提取工艺相当复杂。电气设备在制造过程中难免混入杂质，运行中也会老化而分解出气体和聚合物（蜡状物）。因此，工程上用的绝缘油总是含有一些气体和杂质。非纯净液体电介质（工程用液体电介质）纯净油的电气强度：相当高，可达800～1000kV/cm，但148非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）油中的杂质：水分、固体绝缘材料（如纸、布）脱落纤维、液体本身老化分解。“杂质小桥”的形成：由于水和纤维的介电常数分别为81和6～7，比油的介电常数1.8～2.8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--杂质的“小桥”。非纯净液体电介质的击穿机理（以工程用变压器油为例）油中的杂质149油中受潮→水分(εr=81)纸布脱落→纤维(εr=6~7)沿电场极化定向排列杂质“小桥”“杂质小桥”贯通两电极“杂质小桥”未贯通两电极受潮纤维在电极间定向示意图油中受潮→水分(εr=81)沿电场极化定向排列杂质“小桥”“150(a)如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化；气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，气泡小桥贯穿，使油隙发生击穿。“杂质小桥”贯通两电极(a)如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电流增大，发151(b)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的εr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电离，于是油分解出气体，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。“杂质小桥”未贯通两电极(b)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维152(a)桥贯穿：G水、G纤大→i油↑→发热↑→水分汽化气泡扩大(b)桥未贯穿：εr纤>εr油→E纤小→△U纤小→E油↑↑→油电离

Eb气<Eb油→气泡电离增强→带电粒子→碰撞液体分子

→产生气体→气泡小桥贯通两极→击穿可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥。(a)桥贯穿：G水、G纤大→i油↑→发热↑→水分汽化气泡扩大153水分和其他杂质水在变压器油中有两种状态：①溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；②悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。

2.1.2影响液体介质击穿电压因素若气体和水分溶于液体介质则对Ub影响不大；若呈悬浮状态则将形成小桥使Ub明显下降。含水继续增多仅增加几条击穿并联通道，

Ub不再下降当有纤维存在时，水分影响特别明显水分和其他杂质2.1.2影响液体介质击穿电压因素若气体和水154油温Ub极大值在0～60℃时，t↑→Ub↑↑(油中悬浮水分溶解)温度更高>80℃，

t↑→Ub↓(油中水分汽化增多)干燥的油潮湿的油油温Ub极大值在0～60℃时，t↑→Ub↑↑(油中悬浮水分155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增大，也能大大提高其冲击击穿电压。