讲固体电介质特性(一)课件

高电压技术高电压工程系李黎leeli@1高电压技术高电压工程系11.9沿面放电含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电。研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面放电电压决定。研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压表面潮湿、污秽时的沿面放电电压21.9沿面放电含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现1.9沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式

均匀电场强垂直分量弱垂直分量31.9沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式均匀电场强1.9.1均匀电场中的沿面放电在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。41.9.1均匀电场中的沿面放电在平行平板中放置瓷1.9.1均匀电场中的沿面放电机理分析：1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放，形成的带电粒子沿介质表面移动。

在连接处涂导电粉末或者导电胶2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动，造成沿面电压分布不均，畸变电场。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电场，降低了闪络电压。4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。51.9.1均匀电场中的沿面放电机理分析：51.9.1均匀电场中的沿面放电61.9.1均匀电场中的沿面放电61.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电71.9.2极不均匀场具有强垂直分量

1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。81.9.2极不均匀场具有强垂直分量

1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电滑闪放电在交流和冲击下表现明显。随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。91.9.2极不均匀场具有强垂直分量

1.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

的沿面放电没有热电离和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。101.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

1.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

的沿面放电111.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

三种情况比较：均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。12三种情况比较：均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:略去了介质的体积电阻13提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿提高沿面放电电压的方法链性等值回路的方程：边界条件：14提高沿面放电电压的方法链性等值回路的方程：边界条件：14提高沿面放电电压的方法定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1减小比电容C0可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2减小电场较强处的表面电阻。可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管15提高沿面放电电压的方法定性来看，电压分布的不均匀1.9.4固体介质表面有水膜时的

沿面放电湿闪电压闪络途径：1AB－BCA’：闪络电压下降到40%-50%2AB－BA’：下降不多3AB－水流：湿闪电压降到很低值。161.9.4固体介质表面有水膜时的

1.9.5绝缘子污染状态下的沿面放电污闪电压发展过程：积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪：1改善环境，减小污染的可能性2改进绝缘子结构设计，降低污秽积累的可能171.9.5绝缘子污染状态下的沿面放电污闪电压17液体、固体电介质的

绝缘特性特点电气强度高液体兼做灭弧；固体兼做支撑电气强度不受外界影响不可自恢复会逐渐老化18液体、固体电介质的

绝缘特性特点182.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性192.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现极化的基本形式电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化20极化的基本形式电子式极化20极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-1410-15s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无 1.电子式极化21极化机理：电子偏离轨道1.电子式极化21极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12~10-13s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性消耗能量：无2.离子式极化22极化机理：正负离子位移2.离子式极化22极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-1010-2s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关，频率升高，极化减弱）温度（低温段增加，高温段降低（热运动））极化弹性：非弹性消耗能量：有3.偶极子极化23极化机理：偶极子定向排列3.偶极子极化234.夹层式（界面）极化当t=0:

当t=∞:244.夹层式（界面）极化当t=0:

一般情况下：电荷从t=0到t=∞时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。极化的时间常数：

高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。4.夹层式（界面）极化254.夹层式（界面）极化25极化机理：带电质点移动介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

4.夹层式（界面）极化26极化机理：带电质点移动4.夹层式（界面）极化26极化机理：正负自由离子移动到电极附近，形成空间电荷介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

5.空间电荷极化27极化机理：正负自由离子移动到电极附近，5.空间电荷极化27常用电介质的介电常数28常用电介质的介电常数28讨论极化的意义：选择电容器的介质时，希望大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。29讨论极化的意义：选择电容器的介质时，希望大；选择其他绝缘平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。电介质极化应用实例30平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工

解：

(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入后：Vs/Va=a/s，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV) Es=16.7kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV) Ea=38.3kV/cm>30kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿31 解：312.1.2电介质的电导来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。电子电导电介质的电导离子电导（主要）与导体的电导相比，电介质电导的特点：1）主要载流子是离子2）电导率随温度升高而指数上升。322.1.2电介质的电导来源：电介质不是理想的绝缘体，其内电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+igic:电容电流ia：吸收电流，由各种极化过程产生ig：电导电流，或泄漏电流33电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+i电介质的绝缘电阻定义：电介质中的绝缘电阻一般为M特点：1）负温度系数2）随外施电压上升而下降。3）随加压时间延长而增大。34电介质的绝缘电阻34讨论电导的意义：1）在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏电流判断绝缘是否受潮或者劣化。2）直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其电压分布与电导成反比，设计时需考虑。3）设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影响。4）对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。5）有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压套管附近涂上半导体釉等。35讨论电导的意义：1）在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄2.1.3电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有）362.1.3电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（D介质损耗正切角（tg)：泄漏电流，由电导引起：吸收电流，也叫极化电流，由极化引起：电容电流。37介质损耗正切角（tg)：泄漏电流，由电导引起37介质损耗正切角（tg）介损：损耗功率：38介质损耗正切角（tg）介损：损耗功率：38介质损耗正切角（tg)39介质损耗正切角（tg)39影响tg的主要因素之一：温度tg和温度的关系t<t1:极化损耗、电导损耗都上升t1<t<t2:极化减弱，电导上升，极化占主导t>t2:极化减弱，电导上升，电导占主导当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度才能达到最大值。40影响tg的主要因素之一：温度tg和温度的关系t<t1:影响tg的主要因素之二：频率当频率不太高时，随f增加，偶极子转向加快，损耗增加当频率大过某一值后，偶极子来不及转向，损耗减小tg和频率的关系41影响tg的主要因素之二：频率当频率不太高时，随f增加，偶影响tg的主要因素之三：外加电压外加电压低，

总损耗＝电导损耗＋极化损耗外加电压超过U0时，介质内部开始出现局部放电，消耗电离能

总损耗＝电导损耗＋极化损耗＋电离损耗tg和外加电压的关系42影响tg的主要因素之三：外加电压外加电压低，tg和外加2.2液体电介质的击穿（一）电击穿理论主要用于纯净液体的击穿解释机理：对于纯净的液体，由阴极通过热发射或者强场发射出来的电子，碰撞液体分子，产生碰撞电离，并形成电子崩，电流大到一定值后，液体击穿。液体的分子密度很高，因此电子的很小，击穿电压就很高。类似于汤逊放电理论432.2液体电介质的击穿（一）电击穿理论43（二）气泡击穿理论（小桥理论）主要用于不纯净的液体机理：1）液体中的气泡先发生放电，产生的带电粒子撞击液体分子，使之分解，又产生气泡。气泡逐渐增，形成贯通两级的“小桥”通道。2）液体中的杂质（水、纤维）极化，并沿电场方向排列，逐渐形成小桥。杂质的电导大，引起泄漏电流增大，温度升高，水分气化，形成气泡，贯通两级后，击穿。44（二）气泡击穿理论（小桥理论）主要用于不纯净的液体44影响液体电介质击穿的主要因素自身品质温度电压作用时间电场均匀度压力45影响液体电介质击穿的主要因素自身品质45影响因素－自身品质总的来说，杂质多，击穿电压减低。与水分的关系：与纤维的关系：

击穿电压与含水量的关系

均匀电场：纤维越多，击穿电压越低

不均匀电场：高场强处发生的局放绕到液体，不易形成小桥，杂质影响小

冲击电压：作用时间短，也不易形成小桥。46影响因素－自身品质总的来说，杂质多，击穿电压减低。击穿电压与影响因素－温度干燥的变压器油：击穿电压随温度升高而降低；受潮的变压器油：当温度在－5℃以下时，油很稠，小桥排列困难；在0～60℃范围内，由于油中的悬浮状态的水分随温度升高转变为融解状态，击穿电压升高；温度更高时，油中水分开始气化，产生气泡，易形成小桥，又使击穿电压降低。

击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、电场的均匀程度、电压形式的不同而不同。47影响因素－温度击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、影响因素－电压作用时间48影响因素－电压作用时间4849495050515152525353545455555656575758585959606061616262高电压技术高电压工程系李黎leeli@63高电压技术高电压工程系11.9沿面放电含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电。研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面放电电压决定。研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压表面潮湿、污秽时的沿面放电电压641.9沿面放电含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现1.9沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式

均匀电场强垂直分量弱垂直分量651.9沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式均匀电场强1.9.1均匀电场中的沿面放电在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。661.9.1均匀电场中的沿面放电在平行平板中放置瓷1.9.1均匀电场中的沿面放电机理分析：1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放，形成的带电粒子沿介质表面移动。

在连接处涂导电粉末或者导电胶2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动，造成沿面电压分布不均，畸变电场。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电场，降低了闪络电压。4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。671.9.1均匀电场中的沿面放电机理分析：51.9.1均匀电场中的沿面放电681.9.1均匀电场中的沿面放电61.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电691.9.2极不均匀场具有强垂直分量

1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。701.9.2极不均匀场具有强垂直分量

1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电滑闪放电在交流和冲击下表现明显。随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。711.9.2极不均匀场具有强垂直分量

1.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

的沿面放电没有热电离和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。721.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

1.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

的沿面放电731.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

三种情况比较：均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。74三种情况比较：均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:略去了介质的体积电阻75提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿提高沿面放电电压的方法链性等值回路的方程：边界条件：76提高沿面放电电压的方法链性等值回路的方程：边界条件：14提高沿面放电电压的方法定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1减小比电容C0可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2减小电场较强处的表面电阻。可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管77提高沿面放电电压的方法定性来看，电压分布的不均匀1.9.4固体介质表面有水膜时的

沿面放电湿闪电压闪络途径：1AB－BCA’：闪络电压下降到40%-50%2AB－BA’：下降不多3AB－水流：湿闪电压降到很低值。781.9.4固体介质表面有水膜时的

1.9.5绝缘子污染状态下的沿面放电污闪电压发展过程：积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪：1改善环境，减小污染的可能性2改进绝缘子结构设计，降低污秽积累的可能791.9.5绝缘子污染状态下的沿面放电污闪电压17液体、固体电介质的

绝缘特性特点电气强度高液体兼做灭弧；固体兼做支撑电气强度不受外界影响不可自恢复会逐渐老化80液体、固体电介质的

绝缘特性特点182.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性812.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现极化的基本形式电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化82极化的基本形式电子式极化20极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-1410-15s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无 1.电子式极化83极化机理：电子偏离轨道1.电子式极化21极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12~10-13s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性消耗能量：无2.离子式极化84极化机理：正负离子位移2.离子式极化22极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-1010-2s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关，频率升高，极化减弱）温度（低温段增加，高温段降低（热运动））极化弹性：非弹性消耗能量：有3.偶极子极化85极化机理：偶极子定向排列3.偶极子极化234.夹层式（界面）极化当t=0:

当t=∞:864.夹层式（界面）极化当t=0:

一般情况下：电荷从t=0到t=∞时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。极化的时间常数：

高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。4.夹层式（界面）极化874.夹层式（界面）极化25极化机理：带电质点移动介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

4.夹层式（界面）极化88极化机理：带电质点移动4.夹层式（界面）极化26极化机理：正负自由离子移动到电极附近，形成空间电荷介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

5.空间电荷极化89极化机理：正负自由离子移动到电极附近，5.空间电荷极化27常用电介质的介电常数90常用电介质的介电常数28讨论极化的意义：选择电容器的介质时，希望大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。91讨论极化的意义：选择电容器的介质时，希望大；选择其他绝缘平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。电介质极化应用实例92平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工

解：

(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入后：Vs/Va=a/s，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV) Es=16.7kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV) Ea=38.3kV/cm>30kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿93 解：312.1.2电介质的电导来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。电子电导电介质的电导离子电导（主要）与导体的电导相比，电介质电导的特点：1）主要载流子是离子2）电导率随温度升高而指数上升。942.1.2电介质的电导来源：电介质不是理想的绝缘体，其内电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+igic:电容电流ia：吸收电流，由各种极化过程产生ig：电导电流，或泄漏电流95电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+i电介质的绝缘电阻定义：电介质中的绝缘电阻一般为M特点：1）负温度系数2）随外施电压上升而下降。3）随加压时间延长而增大。96电介质的绝缘电阻34讨论电导的意义：1）在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏电流判断绝缘是否受潮或者劣化。2）直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其电压分布与电导成反比，设计时需考虑。3）设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影响。4）对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。5）有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压套管附近涂上半导体釉等。97讨论电导的意义：1）在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄2.1.3电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有）982.1.3电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（D介质损耗正切角（tg)：泄漏电流，由电导引起：吸收电流，也叫极化电流，由极化引起：电容电流。99介质损耗正切角（tg)：泄漏电流，由电导引起37介质损耗正切角（tg）介损：损耗功率：100介质损耗正切角（tg）介损：损耗功率：38介质损耗正切角（tg)101介质损耗正切角（tg)39影响tg的主要因素之一：温度tg和温度的关系t<t1:极化损耗、电导损耗都上升t1<t<t2:极化减弱，电导上升，极化占主导t>t2:极化减弱，电导上升，电导占主导当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度才能达到最大值。102影响tg的主要因素之一：温度tg和温度的关系t<t1:影响tg