高电压重难点

《高电压技术》第2章液体和固体介质的电气特性1第2章液体和固体介质的电气特性2.1液体和固体介质的极化、电导和损耗2.2液体介质的击穿2.3固体介质的击穿2.4电介质的老化22.1液体和固体介质的极化、电导和损耗一、电介质的极化二、电介质的电导三、电介质的损耗高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性3高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性一、电介质的极化1.极化的概念

概念：极化—电介质在电场作用下，由不显电性到显电性的过程。实质是其束缚电荷相应于电场方向产生的弹性位移现象和偶极子的取向现象。电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示。4极化：在外施电压下介质中原来彼此中和的正负电荷产生了相对位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷。现象：电容增大表征参数：相对介电常数高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性52.介电常数、相对介电常数平行平板电容器在真空中的电容量为当极板间插入固体介质后，电容量为式中A－极板面积，cm2；d－极间距离，cm；ε－介质的介电常数

ε0－真空的介电常数，ε0=8.86×10-14F/cm定义为介质的相对介电常数。

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性6高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性73.极化的分类

极化电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化无损极化有损极化高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性8电介质的极化种类（1）电子式极化物质原子中的电子轨道受到外电场E作用时，它将相对于原子核发生位移而形成极化。特点：

a)存在于一切气体、液体及固体介质中；b)极化所需时间短，约10-15s，故εr不随频率变化；

c)具有弹性，故没有损耗；

d)温度对极化影响小。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性9（2）离子式极化外电场作用下，正、负离子发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极性。特点：a)极化时间短，约10-13s；b)弹性极化，几乎没有损耗；c)在一般的使用频率内，可以认为εr

与频率无关；d)温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素。

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性10（3）偶极子极化偶极子—大小相等、符号相反，彼此相距为d的两电荷（+q、-q）所组成的系统。偶极子的极性、大小和方向常用偶极矩来表示。偶极矩的方向由负电荷指向正电荷，其大小为每个电荷的电量乘以正、负电荷间的距离。

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性11外电场作用下，偶极子受到电场力的作用而发生转向，顺电场方向作有规则的排列，对外呈现出极性。这种由于极性电介质偶极子分子的转向所形成的极化称偶极子极化。特点：

a)极化时间长，约10（-10）s~10（-2）s

，εr与频率有关系；b)非弹性，消耗能量；c)温度影响大。12（4）夹层极化---高电压设备的绝缘往往由几种不同材料组成或介质是不均匀的。----平行板电极间的双层介质为例。t=0，合闸瞬间：电压分配与各层的电容成反比，达到稳态:

各层上电压分配与电导成反比，若为单一介质，即若介质不均匀，即所以合闸以后，两层介质之间有一个电压重新分配的过程，也就是说，C1

、C2上的电荷要重新分配。

特点：a)时间缓慢，10-1s~数小时，只有电源在工频或低频时才有可能。b)有能量损耗。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性134、讨论介质极化在工程实际中的意义1)选择电容器中的绝缘材料时，在相同耐电强度的情况下，要选择εr较大的材料。在绝缘结构里，希望εr小些。2)注意各种材料εr

的配合，串联介质中场强E的分布与εr

成反比；3)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素。4)在绝缘预防性实验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等电容量很大的设备时，必须特别注意吸收电荷可能对人身安全造成的威胁。14二、电介质的电导高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性介质在电场作用下,使其内部联系较弱的带电粒子作有规律的运动形成电流,即泄漏电流.这种物理现象称为电导。表征电导过程强弱程度的物理量为电导率γ，或它的倒数电阻率ρ。电介质中少量带电粒子主要是离子；（若出现了可观的电子电导电流，则意味着该介质已被击穿）。

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。15离子电导可分为本征离子电导和杂质离子电导。本征离子是指由组成介质本身的基本分子分解而产生的离子。杂质离子是指由外来杂质分子或介质的基本分子老化的产物离解而生成的离子。本征离子电导(极性电介质)杂质离子电导(中性或弱极性电介质)高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性16电导将随温度的上升而急剧增大液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关系：式中

A－常数，与介质性质有关；T－热力学温度，单位为K；ф－电导活化能；k－波尔兹曼常数。

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性固体介质的电导：体电导和表面电导17讨论电介质电导的意义（1）在绝缘预防性试验中，一般要测量绝缘电阻和泄漏电流，以判断绝缘是否受潮或其他劣化现象；（2）串联多层介质在直流电压下稳态分布和各层电导成反比，所以设计用于直流设备时，要注意所用介质的电导率，尽量使材料得到合理使用；（3）设计绝缘结构时要考虑环境条件，特别是湿度的影响；（4）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的表面泄漏电流以保证得到高电压；（5）并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导体釉，高压电机定子绕组出槽口部分涂半导体漆等，都是为了改善电压分布，以消除电晕。18(一)电介质损耗的基本概念电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。在直流电压下，由于介质中无周期性的极化过程，当外施电压低于局部放电电压时，仅有电导损耗，这时用电导率已能表达，不需要引入介质损耗这个概念。在交流电压下，要引入一个新的物理量：介质损失角。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性三、电介质的损耗19介质损耗为：介质损耗角δ为功率因数角φ的余角，其正切tgδ又称为介质损耗因数，常用百分数(％)来表示。P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来判断介质的品质，与电压的因素无关。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性介质在交流电压下的等值电路和相量图

20对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示。

R反映电导损耗

C0反映电子式和离子式极化C′，r支路反映吸收电流高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性无损极化(电子式和离子式极化)有损极化21(二)气体、液体和固体介质的损耗高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性1、气体电介质的损耗2、液体电介质的损耗3、固体电介质的损耗22（1）气体介质的损耗当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ<10-8）。

但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加。

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性23高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性当ω较小时，偶极子的转向能跟上电场的交变，极化的充分，ε也最大。但此时转向次数不多，因而极化损耗很小，tgδ也小，以电导损耗为主。如ω减至很小时，tgδ反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。随着ω的增大，转向极化逐渐跟不上电场的交变，ε开始下降，但由于转向频率增大使极化损耗增加，tgδ增大。一旦ω大到偶极子完全来不及转向时，ε值变得最小而趋于某一定值，tgδ也变得很小，因为这时只存在电子式极化了。在这样的变化过程中，一定有一个tgδ的极大值，其对应的角频率为ω0。24（2）液体介质的损耗

中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。极性液体及极性和中性液体的混合体：电导和极化损耗较大，而且和温度、频率都有关系。

电导损耗占主要部分，tanδ重新随温度上升而增加

T升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，极化损耗增加

分子热运动加快，极化强度减弱，极化损耗减小

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性25（3）固体介质的损耗分子式结构介质：中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等，离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等；不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等；强极性电介质：在高压设备中极少使用。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性26讨论介质损耗的意义（1）绝缘结构设计时，必须注意到材料的tanδ；（2）用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的tanδ必须很小，否则冲击波在电缆中传播时波形将发生严重畸变，影响测量精确度；（3）绝缘预防性试验中，测tanδ可判断绝缘是否受潮、劣化，是否产生局部放电。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性27一、纯净液体介质的击穿理论二、工程用变压器油的击穿过程及其特点三、影响变压器油击穿电压的因素四、提高变压器油击穿电压的方法2.2液体介质的击穿高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性28纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm）（1）电击穿理论电子碰撞电离理论：与气体放电的汤森德理论相似。但液体密度大，电子的平均自由行程小，积累能量困难，故纯净液体介质的击穿场强比气体介质高得多。一、纯净液体介质的击穿理论高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性29（2）气泡击穿理论外施电场较高时，液体介质内可能由各种原因产生气泡，而气泡的发展和气泡内的放电导致液体介质击穿。交流电压下，串联介质中电场分布与介质εr成反比。气泡εr

=1，小气泡先电离，带电粒子撞击油分子，使油分解成气体，导致气体通道扩大，电离的气泡在电场中形成气体“桥”，击穿在气泡桥通道中发生。即“小桥理论”。30工程用的变压器油：矿物油，淡黄色的透明液体。工程变压器油是指混入少量杂质的油：气泡、水分、纤维（例如纸屑或布条等纤维）。一般在2.5mm的标准油杯中的击穿电压约在20～60kV之间，相应的击穿场强应为80～240kV／cm，这要比空气的击穿场强30kV／cm高得多。工程变压器油击穿都是“小桥理论”。二、工程用变压器油的击穿过程及其特点高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性31

工程变压器油的击穿过程：油中混入杂质后，由于杂质的εγ很大，很容易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥，这时会发生两种情况：(1)如果杂质较少，小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的εγ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，出现气泡，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。(2)如果杂质较多，小桥接通两侧电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使水分汽化或油汽化，产生气泡，气泡扩大，发展下去也会出现气体小桥，使油隙发生击穿。32绝缘外壳黄铜电极标准试油杯（图中尺寸均为mm）油间隙距离2.5mm高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性33（1）水分及其它杂质的影响水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。

标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系

含水量W为1×10-4（0.01%)时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响变化不大

三、影响变压器油击穿电压的因素高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性34

当油中还含有其他固体杂质时，击穿电压的下降程度随杂质的种类和数量而异。纤维的含量即使很少，也对击穿电压有很大的影响，这是因为纤维是极性介质并且易吸潮，很易沿电场方向极化定向而排列成小桥，引起油的汽化，出现气泡，导致油击穿。但从油中分解出来的碳粒却对油的击穿电压影响不大。35（2）温度的影响干燥的油受潮的油标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系

干燥油的击穿强度与温度没有多大关系

0～80℃，Ub提高（水分溶解度增加）温度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0℃，Ub提高（水滴冻结成冰粒）

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性36均匀电场中油（T=90℃）的冲击击穿场强与油体积的关系

规律：油的击穿强度随油体积的增加而明显下降。原因：间隙中缺陷(即杂质)出现的概率随油体积的增加而增大。不能将实验室中对小体积油的测试结果，直接用于高压电气设备绝缘的设计

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性（3）油体积的影响37（4）电压形式的影响杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因此油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。-1.2/50μs波

+1.2/50μs波

工频电压

稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性均匀电场比非均匀电场高！38四、提高变压器油击穿电压的方法（1）过滤

使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。

（2）防潮

绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。

（3）祛气

将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到去除油中水分和气体的目的。

（4）用固体介质减小油中杂质的影响

常用措施为覆盖层、绝缘层和屏障：

高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性39

(1)覆盖层在稍不均匀电场中，曲率半径较小的电极上覆盖以电缆纸或黄蜡布等薄的绝缘材料，隔断了杂质“小桥”，可使工频击穿电压显著提高。

(2)绝缘层在极不均匀电场中，曲率半径小的电极上包以较厚的固体绝缘层，它的作用是改善两极间的电场分布，同时也起到隔断“小桥”的作用，提高击穿电压的效果非常显著。

(3)极间障又称屏障，是放在油隙中的固定绝缘板，极间障的作用主要有两个方面：一方面阻隔杂质“小桥”的形成。另一方面，在不均匀电场中，使极间障另一侧油隙的电场变得比较均匀。在冲击电压作用下，油中杂质来不及形成小桥，极间障也就几乎不起什么作用了。402.3固体介质的击穿高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性2.3.1电击穿2.3.2热击穿2.3.3电化学击穿2.3.4影响固体介质击穿电压的主要因素41固体介质的击穿曲线

下图是固体介质的击穿电压与作用的时间的关系曲线。固有击穿强度比液体和气体介质高高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性42A:电击穿区B：热击穿区下图是交变电压下电瓷的击穿电压与温度的关系曲线432.3.1电击穿

在高电压强电场作用下，破坏了介质的结构出现击穿。过程与气体相似，碰撞电离形成电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。

特点：

(1)击穿场强高，一般约为106～107KV／cm。

(2)击穿电压与环境温度无关。

(3)电压作用时间越短，击穿电压越高。

(4)电场的均匀度对击穿电压有显著影响。均匀电场高压非均匀电场。（5）

击穿取决于所加电压的最大值。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性44固体介质是非自恢复介质，运行过程中存在积累效应。累积效应:每次在外界条件作用下，介质发生部分损伤，多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿，这个工程叫累积效应。有累积效应基本无累积效应452.3.2热击穿

概念：绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏而导致击穿。

热击穿场强低于电击穿场强。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性46介质发热（曲线1，2，3）及散热（曲线4）与介质温度的关系

发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc。Ta稳定，Tc不稳定

曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定。U2是临界热击穿电压，Tc则是热击穿的临界温度

根本不存在热平衡点，必然发生热击穿曲线1，2，3是介质对应电压U1、U2、U3的发热曲线；U1＞U2＞U3；曲线4是介质散热曲线。47

热击穿的特点如下：

(1)热击穿电压随环境温度的升高而下降。

(2)当介质厚度增大时，介质的平均击穿场强减弱。

(3)当电压频率升高时，热击穿电压下降。

(4)击穿所需时间较长，热积累需要一定的时间，常常需要几个小时，即使在提高外加电压时也需要一段时间。当电压上升快，或加压时间短时，热击穿电压会升高。（5）在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿。（6）热击穿电压取决于所加电压的有效值。482.3.3电化学击穿对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。

介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产生的活性气体如O3，NO，NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性492.3.4影响固体介质击穿电压的主要因素（1）电压作用时间高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性50（2）温度电击穿与温度无关，热击穿阶段温度越高击穿电压越低。（3）电场均匀程度与介质厚度均匀致密的固体介质如处于均匀电场中，其击穿电压较高，而且与介质厚度的增加近似成直线关系；如在不均匀电场中，则随着介质厚度的增加，电场更不均匀，击穿电压已不随厚度的增加而呈直线上升。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性51（4）电压种类冲击击穿电压常大于其工频击穿电压，固体介质在直流下的击穿电压常比工频高的多。（5）累积效应（6）受潮（7）机械负荷高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性522.4电介质的老化电介质的老化

固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化现象。电介质老化的原因热老化、电老化、机械力的影响、环境的影响等。高电压技术--第2章液体和固体介质的电气特性53一、电老化分为局部放电老化、电导性老化和电解性老化：

1．局部放电老化介质内部存在某些小气泡或气隙,气体介电常数比固、液体低，场强大得多，而击穿场强又低，所以最容易在这些气隙或气泡中产生局部放电。局部放电将产生如下后果：

(1)带电粒子撞击气泡表面的介质，能使主链断裂，介质的物理性能变差。

(2)局部温度升高，气泡膨胀，介质开裂、分层、变脆。

(3)局部放电产生腐蚀性气体，使介质逐渐劣化，通过上述的多种效应的综合，将气泡近旁的介质分解形成树枝状的裂纹（电树枝），并沿电场方向逐渐向两极发展，最终导致绝缘被贯通而击穿。54

2．电导性老化是由液态的导电物质所引起的。如果在两电极的绝缘层中存在某些液态的导电物质，当该处电场强度超过某临界值时，这些溶液便会在电场力的作用下沿着电场的方向逐渐深入到绝缘层中去，形成近似树状的导电泄痕，称为“水树枝”，最终导致绝缘层的击穿。产生“水树枝”的机理