电气绝缘测试技术(全)

电气绝缘测试技术现用教材：《电气绝缘测试技术》邱昌荣机械工业出版社参考教材：《电气绝缘技术基础》曹晓珑机械工业出版社

《高电压技术》吴广宇机械工业出版社火力水力风力核能太阳能地热•••电能一、电能第一章绪论全球截止到2030年仍将有1/5的人口，根本的不到电力供应。美国在未来20年中需要建设1300个发电厂（平均每年65个）才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就肯定会在全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。发展中国家和不发达国家严重的能源短缺和电力工业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。东北电网华北电网西北电网川渝电网华中电网华东电网南方电网我国电网基本框架新疆西藏500kV220kV330kV热电厂水电站核电站我国的发电一次能源主要分布西部地区，而电力消费主要集中在中、东部和南部地区。西电东送、南北互供，发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施。并将形成北、中、南三个输电通道。中国电力工业分为7个跨省(区)电力集团:东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝，5个独立省级电网:山东、福建、新疆、海南、西藏(未包括台湾和港澳地区)。电厂输电网配电网用户二、电力系统的构成发电机电气设备电力电缆变压器电容性设备电力系统是世界上最大的“瞬间动态平衡系统”

。发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。电力系统的特点三、电力系统的稳定性问题电厂电力网用户系统瞬间改变发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。

美国旧金山1998年2月8日，太平洋天然气电力公司(PGE)变电站发生停电事故，所有从圣马特欧变电站至旧金山的5条115kV输电线全部跳开，旧金山地区2个发电厂解列，456000多个用户停电。四、历史上的大停电事故旧金山大停电巴西圣保罗

1999年，由于闪电击中圣保罗的一个变电站，变压器跳闸导致电网解列，引起巴西南部地区停电长达4小时之久。停电波及巴西27个州的11个州，停电地区是巴西人口和工商业最密集的地区，直接影响1.7亿人的正常工作与生活，经济损失非常严重。由于停电发生在午间交通高峰时间，交通灯熄灭，引起严重交通堵塞。

巴西大停电

美国纽约2002年3月位于曼哈顿东区的爱迪生联合电厂突然失火，并引燃了用于发电的燃油。这起事故造成纽约第14大街以南的6.3万户居民住宅停电，附近的格林尼治和索霍等地区也受到影响。居住在世贸中心遗址附近的居民又一次感受到了“９·１１”时的恐怖气氛。驾车者在昏暗的高速公路上小心翼翼地行驶，高大建筑内的人们在漆黑的楼道里摸索着前行，耳边不时传来阵阵警笛声。

纽约大停电菲律宾主岛吕宋岛2002年5月21日由于海底电缆损坏，引发大面积停电事故，全国人口一半以上受到影响。首都马尼拉和广泛地区四千多万人没有电力供应。

这次停电对菲律宾的商业运作造成重大打击。受停电影响，铁路系统停顿，数以千计的乘客被困车厢内；菲律宾股票市场也被迫中断交易。

菲律宾大停电

美国加州2002年1月以及3月连续两次发生全州停电事故。为防止整个系统瘫痪，加州实行了二战后的首次灯火管制，以避免对电力设备造成损害，引发更大面积的不能控制的断电事故。电力官员称用电高峰再次对该州设备严重老化的电力系统带来完全瘫痪的威胁，加州已宣布进入3级紧急状态。加州大停电

希腊北部地区2002年6月12日下午由于气温过高，希腊北部最大城市萨洛尼卡附近一座变电站内的变压器突然发生爆炸，造成包括该市在内的大部分希腊北部地区供电中断。发生长达一个多小时的严重停电事故，造成许多城市交通瘫痪，通讯系统无法正常工作。

瑞典首都斯德哥尔摩于2002年3月11日开始，由于地下隧道的输电电缆被烧毁，连续两天发生大面积停电事件，造成许多工厂停产，严重影响了当地居民的正常生活。英国南部莱斯特郡5月11日发生大面积停电。2万多户家庭连续几天生活在黑暗中。附近的肯特郡、萨塞克斯郡和萨里郡的3.1万户家庭的断电现象则持续了更长一段时间。

在我国，近20年来各大电网中规模较大的停电事故约有140余起，每次损失数以亿计。近几年事故次数虽有所下降。但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。随着全国电网的形成，电力系统重大事故也更将危及到我国国家安全。台湾1999年7月29日全岛发生五十年来最大的一起停电事故，南北两条超高压输电线路损坏，进而引发连锁反应，造成台中电厂、通霄电厂、林口电厂、协和电厂、深澳电厂以及核能一、二、三厂全部跳闸，总跳机电量高达1000万千瓦，全台湾停电用户高达900万户。包括机场、医院、科学园等敏感地区，都一度陷入停电状态。直接经济损失在150亿新台币以上。新竹科学园的26座晶片厂生产线因此停顿1至2天，每座晶片厂的损失估计超过5000万元，由于适逢月底出货高峰，总计这次大停电造成新竹科园区的损失约新台币100亿元以上。台湾大停电辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区停电面积已经超过70%。辽沈停电事故是从高压输电线路的燃弧放电开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电流沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几乎所有的高压输电线路都“火冒三丈”，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。辽沈大停电★停电原因城市电网结构

管理不善设备故障

检修

电源不足

外部因素气象影响

上海0.06

2.12

45.31

39.17

0.00

10.78

2.56

太原1.63

3.04

16.76

64.710.53

10.31

3.02

长春0.40

1.82

14.66

69.26

0.00

8.02

5.84杭州2.97

4.82

18.44

67.18

0.00

5.34

1.25

广州0.00

19.4528.6950.96

0.00

0.00

0.90

西宁0.04

3.78

49.50

29.19

0.00

17.490.00(%)事后修理或故障维修；定期检修或预防性维修；状态维修或预知性维修。五、电力系统维修方式的演变过程早期技术及管理水平都很低，即使再重要的设备也只能坏了再修。以致工作毫无计划性，供电可靠性很低。简单方便，对消耗性产品是有效的。随着电力系统的不断扩大，设备故障所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。1、事后维修体制预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有50年的使用经验。预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。2、现行维修体制——定期维修（1）维修周期频繁（2）预防性试验项目过多电力变压器32项发电机25项互感器11项★定期维修制的弊端设备发电机变压器电力电缆小修周期（年）111大修周期（年）35～105大修一台220kV开关需投入100多个工作人日，资金2万元。长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组停运一天，少发电720万度，直接损失150万元。（3）经济性差（4）增大不安全因素易发生人身和设备安全事故。

发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。停送电过程易造成误操作。（5）过度维修对110台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行的仅1项。对110kV及以上油开关大修统计表明，95%以上未发现部件损坏。定期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。

（6）维修不足由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。

状态维修方式的基本思想“治于未病”3、发展中的维修体制——状态维修状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的。（1）状态维修的必要性

虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但大多都具有一个的较为缓慢的发展过程，在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生渐进的量变。根据这些特征量值的大小及变化趋势，即可对设备的可靠性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。（2）状态维修的技术可行性六、电气绝缘测试技术的特点测量范围大；

绝缘电阻可达1010欧姆，微电流可小到10-16安。特性参数的测量；

例如：空间电荷。数据处理复杂；

懂得数理统计和概率论。第二章电阻与微电流的测量第一节绝缘电阻与电阻率一、绝缘电阻与电阻率1、绝缘体基本功能是阻止电流通过，使得电能按设计的途径传输，保证设备的正常工作。2、绝缘电阻就是用以表征绝缘体阻止电流流通的能力，是表征绝缘体特性的基本参数之一。★一个绝缘体在施加电压以后，通过的电流随时间的变化如下：在开始时电流成分很多，除了泄漏电流之 外，还有充电电流、极化电流以及净化电流等，这些电流都是随时间减小的，最后这个稳定的电流才是表征电介质本征电导

的泄漏电流。

绝缘电阻是施加于绝缘体上的两个导体之间的直流电压与流过绝缘体的泄漏电流之比， 体积电阻RV绝缘电阻表面电阻RS—通过绝缘体内部的电流—通过绝缘体表面的电流绝缘电阻是体积电阻与表面电阻并联组成的，如左图示：

V

绝缘体的体积电阻与导体间绝缘体的厚度成正比，与导体和绝缘体接触的面积成反比。 以平板形绝缘体为例，假定导体（或电极）也是平板形，导体间绝缘体内电场均匀，则有hUAIVRV

VU/hEVIV/AJV式中：h—绝缘体的厚度（m）

A—电极的面积（m2

）EV—电场强度（V/m）ρV—体积电阻率（Ω·m）JV—绝缘体内的电流密度（A/m2）体积电阻率实际等于单位立方体的绝缘电阻值表面电阻与绝缘体表面上放置的导体的长度成反比，与导体间绝缘体表面的距离成正比，以图1-3所示的简单平板形绝缘体为例。l

S

S--表面电阻率（

）IS

ddU lISRS

SES

式中d—导体间的距离（m）;

l—导体的长度（m）;

ES--表面电场强度（V/m）;

--电流线密度（A/m）;

U/d IS/l表面电阻率等于正方形面积内的表面电阻值。小结：1、绝缘电阻不仅与绝缘材料的性能有关，还决定于绝缘系统的形状和尺寸；而电阻率则完全决定于绝缘材料的性能。2、由于表面电阻率对外界的影响很敏感，所以绝缘材料的电阻率一般是指体积电阻率。3、电导率为电阻率的倒数，单位为S/M。二、影响绝缘电阻的因素1、温度：在绝缘材料中，导电主要是靠离子迁移，温度升高时，离子容易摆脱周围分子的束缚而产生位移，从而使体积电阻率呈指数下降。2、湿度：水的电导比绝缘材料的电导大得多，同时水的介电常数大，它能降低离子的电离能，因此绝缘材料吸湿后，电阻率明显下降。★电气设备在潮湿的环境中停放后，在重新投入运行之前，必须先测其电阻，若下降很多，则烘干后再投入运行。3、电场强度：当电场强度很高时，电子电导起明显作用，电导随电场强度增高而明显增加。4、辐照：许多有机材料强光或射线、射线的辐照下，会产生各种光电流，而使绝缘电阻率明显下降。现行标准中推荐采用在温度为（23±2）℃，相对湿度为50%±5%条件下处理24h。 若要测定试样在某一特定条件下的性能，在预处理后，还要进行试验条件处理。例：提示： 为消除由于试样在试验之前所经历的环境条件不同而造成的试验结果的偏差，试样要做预处理。

V聚氯乙烯：1010～1012

；聚乙烯：1014；天然橡胶：1014聚四氟乙烯：1016

；三元乙丙橡胶：1014

；环氧树脂：1011云母：1010～1013；矿物油：1011～1012

；纸：105～1011空气：1016第二节试样与电极一、试样

根据使用的要求，绝缘材料要制成不同的形状和尺寸的试样，如板、薄膜、带、管、棒状等等。试样要经过预处理或条将处理。并 放置在规定的环境条件下进行测量。厚度：取决于材料的厚度。一般不超过4mm。大小：比电极的最大尺寸至少每边大7mm。方形板材：边长50mm或100mm

圆形板材：直径50mm或100mm

管状式样：长度50mm或100mm。二、电极系统电极系统分为两电极和三电极系统。优点：三电极系统可将体积电流和表面电流分开，可分别测得体积电阻率和表面电阻率。图1-4平板试样三电极系统测量体积电阻率时：1—被保护电极（测量电极）2—保护电极3—不保护电极（高压电极）测量表面电阻率时：1—被保护电极（测量电极）2—不保护电极3—保护电极。图1-5管状试样三电极系统测量体积电阻率时：1—被保护电极（测量电极）2—保护电极3—不保护电极（高压电极）测量表面电阻率时：1—被保护电极（测量电极）2—不保护电极3—保护电极。表1-1电极尺寸单位：（mm）我国GB/T1410-1989标准规定的各电极的尺寸列于表1-1.三、电极材料与装置1、电极材料需满足以下要求：(1)电极本身是良好导体，而且能和试样紧密接触；(2)电极和试样不能相互作用，电极应能耐腐蚀，在实验过程特别是在高温下，不能因有电极存在而引起试样性能发生变化；(3)要求电极制作方便，使用安全。2、电极的种类①银漆和银膏这种电极特别适合用于研究不同温度下电阻率随温度变化的规律。②喷漆或真空蒸发金属电极锡、铝或合金这种电极与导电银漆电极有相同的特点。③采用这种电极时，试样必须先经过预处理后再贴电极。金属箔电极铝箔、锡箔先用圆规沾上漆，画好各电极的外缘，然后再用毛笔见整个电极涂满。或者将不应该涂电极的试样表面用面板覆盖，再涂上银漆。④导电橡皮电极电阻率不大于3×104Ω·m，邵氏硬度不大于60这种电极使用方便，但导电性能差，对有弹性的试样应注意因加压力而影响实际厚度。⑤胶体石墨电极制作方法与银漆的方法相同石墨电极比较便宜，但导电性能不如银漆，而且当受潮或浸在变压器油中试验时，石墨容易脱落。⑥导电液体电极水银电极是导电液体电极的一种，如图1-10所示，这种电极与试样接触很好但水银对人体有害，不能长时间使用，特别不能在高温下使用。以上各种电极材料与装置都是用于固体材料的。直接测量法：即直接测量施加于试样的直流电压U和流过试样的电流I，通过欧姆定律计算出电阻R=U/I。或者使流过试样的电流通过一个已知的标准电阻Rs,测量其两端的电压而求得通过的电流I。根据采用的测量仪器类型，可分为以下几种。第三节直测法测量绝缘电阻一、兆欧表旧式兆欧表是由一个手摇直流发电机和一个流比式电流表组成。试样串联在电流表的一个支路内，见图1-12。电流表的读数为：式中符号见图1-12。R1、R2都是固定的，因此可以把α读数 直接分度为试样的电阻Rx值。

图1-12兆欧表电路G—手摇发电机P—流比式电流计

Rx—试样电阻注意：①用兆欧表测绝缘电阻的灵敏度不高，只能测到100MΩ,

电压等级有500V、1000V、2500V三种。

②在使用中要选择适当的电压，电压太低可能暴露不出绝缘的弱点，太高可能发生绝缘击穿。另外，直接测量法还包括：检流计法、高阻计法；比较测量法包括：电桥法、电流比较法；充放电测量法包括：充电法、自放电法。第四节测量误差的来源及消除方法一．仪器的误差各种直读仪表一般都有误差的范围说明。各种电表都可以从它的精确度等级上，知道测量值可能的误差，有些测量方法是要通过几个参数的测量最后由计算式计算出结果，这时可采用间接误差计算方法计算总误差，如用检流计测量绝缘电阻是通过R=Un/Kα来计算出电阻，则R的相对误差为绝缘电阻的相对误差不超过7.5%二．漏电流在测量绝缘电阻的线路中，各部件、开关、试样支架等本身的绝缘电阻都不是无限大的，它们中都存在着微小的漏电流，在测量很高的绝缘电阻时，由于待测的电流是极微小的，这些漏电流就可能造成极大的误差。图1-21中漏电流I1是从高压部分经过各部分的电阻（用R1

表示）流进测试仪器，这部分漏电流就使测得的电阻值偏小了。另一种漏电流是通过试样的待测电流，被测试的仪器输入端并联的低电阻分流，如图1-21中的电流I2，这种漏电流使测得的电阻值偏大了。图1-21漏电流的示意图消除方法：(1)要减小I1就必须提高R1，要求R1>100Rx有时是不现实的。(2)用一导体安插在漏电流的途径中，将漏电流引到电源的回路中，使之不流经测试仪器。或者是漏电流所经的电阻与测试、线路中低电阻元件并联，从而使漏电流的影响忽略不计。图1-22漏电流保护技术示意图如图1-22中，将导体插入R1′和R1″中，将I1

引到电源的回路中去，而R1″变为与RN并联，RN为标准电阻。三．寄生电动势和外电场

在绝缘电阻的测试电路中，很难免存在各种寄生电动势，如热电动势、接触电动势、电解电动势以及其他感应电动势等，这些电动势一般数值很小，但在测量很高的电阻时，或是出现在测试电路的敏感部位时，寄生电动势带来的影响不可忽略。检查办法：接好测试装置，不加直流电压，确认仪器是否指零，如是，可忽略。

当试样上施加直流电压时，试样表面层将会积聚上极化电荷，在电极上也增加了相应的自由电荷。之后若去除施加的电压，并将试样短路，电极上的电荷不会瞬间放光，而是随着极化电荷的消失而逐渐消失。如果在一块试样上测量体积电阻之后，接着就测量表面电阻，就可能由于极化电荷的存在而造成误差，如图1-24所示。四．剩余电荷图1-24极化电荷影响的示意图由图1-24可以看出，在测量体积电阻时已经形成了极化电荷，这些电荷在测量表面电阻时不断地消失，在电极1、3上原来被极化电荷束缚的电荷便通过测量仪器释放，从而出现与表面电流IS方向相反的放电电流Id，因此仪器上测得的电流为

Ig=IS-Id这就使得测得的表面电阻偏大。除了极化电荷之外，绝缘材料在生产、存储、运输过程中，以及在试样的制做过程中，都有可能在试样上残留静电荷，这些电荷都会影响绝缘电阻的测试结果。在测量绝缘电阻时，检查剩余电荷的影响必不可少。检查结果如果不正常，则可能是剩余电荷的影响，也可能是寄生电动势的影响，这就要仔细观察分析，找出原因并消除之，才能进行正常试验。第五节泄漏电流的测量绝缘电阻的测量，实际上都是测量通过试样的泄漏电流，本节讨论的泄漏电流的测量都是对电工设备而言，而且都是在较高的直流电压下进行。绝缘电阻与泄漏电流测量对比。相同点：测量原理和适用范围相同。不同点：①测量泄漏电流使用的电压更高(10KV以上)——可以发现一些未完全贯通的集中性缺陷；

②直流电压逐渐增大——监视泄漏电流的增长动向。(1)被测试样的一端要固定接地。图1是测量泄漏电流的装置，微安表在高压电源与地之间时，除了通过试样的泄漏电流之外，还可能存在所有高压端对地的漏电流，如高压套管、滤波电容器及保护电阻的支架等。因此，测量时先不要接试样，升高电压达试验电压值，记下这时电流读数I1

；然后在接上试样，在同一电压下测得电流为I2。若I2>>I1,则

Ix=I2-I1图1泄漏电流测试回路a1、测量若I1

与I2

很接近，则必须消除漏电流后，才能进行测量。图1泄漏电流测试回路b(2)当被测试样的两极都可以做到不直接接地时，微安表就可以在被测试样低压端和大地之间，这种读数方便、安全，回路高压部分对外界物体的漏电流不会流过微安表。图1泄漏电流测试回路c(3)将微安表接在试样的高压端，可以消除其他泄漏电流的影响，但在高压端读取电流，操作很不安全，所以一般不采取这种接法。图2测量电流装置①为了使微安表的读数稳定，采用如图2的线路与微安表串接的

L和C，可以抑制脉动电流；②电阻R是用来保护微安表；③放电间隙G是为了保护A点不出现高电位；④平时用开关S对微安表短接，只在需要读数时才打开S。2、读数在测量泄漏电流时，可能出现以下几种情况：(1)微安表指针连续摆动。这可能是电源波动、直流电压脉动系数较大以及测试回路中有充放电过程，采用图2所示线路并加大电容，会使这种情况得到改善。(2)微安表突然出现不规则的大脉冲，这可能是试样中有局部地方出现间断性放电。(3)微安表读数随时间不断增大，这说明试品有击穿的危险。出现(2)、(3)种情况，说明绝缘系统有严重问题，应立即停止试验，否则试样就有击穿的危险！3、判断泄漏电流的试验，除了测量一定电压下的泄漏电流之外，还经常测定泄漏电流与电压或与时间的关系，可以从这些关系中分析绝缘中存在的缺陷或受潮情况。(1)图3是泄漏电流与加电压时间的关系曲线。图3泄漏电流与电压作用时间的关系良好的绝缘泄漏电流随加电压时间下降很快，最后稳定的电流也很小，如曲线 1所示；而受潮或有缺陷的绝缘体，泄漏电流变化很慢，稳定的电流值也比较大，如曲线2所示；为简化试验，只测施加电压后15s时的电流I15和60s的电流I60，用吸收比I15/I60来表示绝缘的优劣。对于某些非极性材料，如曲线3所示，这时吸收比不大，但不能认为绝缘不好。1良好2受潮3非极性材料21301560It1324泄漏电流i/μAUt/2U/kvUt0图4泄漏电流与施加电压的关系(2)图4泄漏电流与施加电压的关系1良好绝缘2受潮绝缘3有集中性缺陷的绝缘4有危险的集中性缺陷的绝缘绝缘良好的发电机，泄漏电流值较小，且随电压呈线性上升，如曲线1所示；如绝缘介质受潮，电流值变化大，但基本上仍随电压线性上升，如曲线2所示；曲线3表示绝缘介质中已有集中性缺陷，应尽可能找出原因加以消除；如果在电压尚未到电流耐压试验电压Ut的1/2时，泄漏电流就已急剧上升，如曲线4所示，那么这台发电机在运行电压下就可能发生击穿。第三章电容相对介电常数及损耗因数的测量复习内容一、纯电感电路电压与电流的关系：由上式可知：（1）Um=

LIm即线圈电感L越大，交流电频率越高，则

L的值越大，也就是对交流电流的阻碍作用越大，我们把这种“阻力”称作感抗，用XL代表。

XL=

L=2

fL（2）电感两端电压超前电流相位90

（或

/2弧度）（a）波形图(b)相量图(c)瞬时功率图图1纯电感电路的波形图与相量图电容器的电容C越大，交流电频率越高，则1/

C越小，也就是对电流的阻碍作用越小，我们把电容对电流的“阻力”称作容抗，用XC代表。

XC与电容C和频率f成反比。当C一定时，电容器具有隔直通交的特性，当f=0时，XC=∞，此时电路可视作开路，即“隔直”作用。二、纯电容电路电压与电流的关系：（1）Im=

Cum

即（2）电容的电流与它的端电压是同频率的正弦量，电流超前于电压90

。（a）波形图（b）相量图（c）瞬时功率图

图2纯电容电路的波形图与相量图第一节概述

相对介电常数和介质损耗因数是电介质与绝缘体的两个主要特性。

介电常数：又称为电容率，是描述电介质极化的宏观参数。

介质损耗：介质中的极化包括瞬间极化(电子位移极化、离子位移极化)和松弛极化(热离子极化、转向极化、界面极化)。当介质上施加较高频率的电场时，往往只有瞬间极化能跟得上电场的变化，此时，由于极化建立过程相对电场的滞后作用，引起一部分的电能转化为热能，这种形式的能量损耗成为介质损耗。在不同应用场合下，对这两个特性的要求也不同，用于储能元件，要求相对介电常数要大，使单位体积中的储能大；在用于一般绝缘体时，要相对介电常数小，以减小流过的电容电流。在一般电气设备中用的电介质和绝缘体，都要求损耗因数小，因为损耗因数大，不但消耗浪费电能，而且使介质发热，容易造成老化或损坏，这在工作电场强度高、电压频率高的条件下尤为突出。为了检验评定电工设备、元件的性能，选择合适的绝缘材料，就必须对其相对介电常数或电容、损耗因数进行测量。一、相对介电常数(电容率)

相对介电常数εr

是在同一电极结构中，电极周围充满介质时的电容CX与周围是真空的电容C0

之比，即若电极为平行板电极，则式中：A—电极面积（m²）;t—电极间距离（m）；

测量εr实际上是测量电容CX

及电极、试品有关的尺寸。在标准大气压下，干燥空气的相对介电常数为1.0053，因此工程上可以用空气电容代替真空电容C0，C0称为几何电容。绝对介电常数在工程上，材料通常用相对介电常数来描述，而为了便于叙述，“相对”两字有时省略，简称为介电常数。二、损耗因数介质损耗因数是试品在施加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值，若绝缘体或介质本身没有损耗，则在电场中通过它的电流与它两端的电压相位差为90°。若有损耗则相位差为90°-δ，如图3所示。δ为介质损耗角，介质损耗角的正切tanδ即为介质损耗因数。图3介质损耗角示意图图3介质损耗角示意图图3试品的等效阻抗

a)并联b)串联用电路的概念来描述，可以把介质损耗的绝缘体看成是电容和电阻并联或串联的等效阻抗，如图3所示。对于并联等效阻抗对于串联等效阻抗式中CP、CS—分别为并联、串联等效阻抗中的电容；RP、RS—分别为并联、串联等效阻抗中的电阻；

ω—电压角频率。实际上介质损耗是很微小的，一般不能普通的功率表来测损耗因数，而是把试品视为上述的等效阻抗，测得1/(ωCPRP)或ωCsRs

以求得试品的tanδ。测得1/(ωCPRP)或ωCsRs以求得试品的tanδ。图3试品的等效阻抗

a)并联b)串联上述等效电路是表示有损介质的一种电路模型，采用哪种等效电路由具体的问题确定，如果损耗主要由电导引起，一般应用并联等效电路；如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻引起，则常用串联等效电路。对于tanδ两者完全等效，即同一电介质用不同的等效电路表示时，其等效电容和电阻不相等。三、影响相对介电常数与介质损耗因数的因素1、电压幅值

一般情况下，相对介电常数及损耗因数与施加的电压幅值无关；若有夹层极化，在高场强下将会使相对介电常数及损耗因数增大；若在绝缘体中有气泡，在电压超过起始放电电压后，测得的相对介电常数及损耗因数都会增大。2、频率

各种极化过程都需要一定时间，若这时间比交变电场的周期长得多时，这种极化就来不及完成，相对介电常数就变小，如图4所示，频率低时，各种极化都存在，所以εr

就大，而频率高时，夹层极化、偶极子极化可能来不及完成，只剩下电子极化、原子极化，所以εr就小了。电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应与电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。图4εr、tanδ与频率的关系损耗因数主要由偶极子极化、夹层极化造成的，但若频率很低，当交变电场的周期比该极化过程所需的时间长得多时，极化完全跟得上电场变化而没有滞后现象，极化形成的电容电流与外加电压的相位差为90°，这时也不会产生损耗，只有在该极化有滞后现象时才会出现介质损耗，所以在εr

有变化时，介质损耗因数出现最大值，如图4所示。3、温度

温度升高会使分子间的束缚力减小，极化容易形成，因而介电常数增大；但当温度升高时，物质密度降低，而且分子间的热运动加剧，从而使极化强度降低，如图5所示。图5εr、tanδ与温度的关系在温度较低时，损耗因数也是在介电常数变化时出现最大值，而在温度很高时，由于电导产生的介质损耗占主要地位，介质损耗就和电导一样随温度上升而指数式增长，如图5所示。同时温度升高，极化松弛时间减小，tanδ随频率变化的最大值向高频方向移动。4、湿度水的相对介电常数很大（εr=81），同时水分渗入会起增塑作用，使极化更容易形成，使得介电常数明显增大，再加上水的电导也较大，损耗因数也明显增大。四、试样与电极在工频电压下测量εr

和tanδ时，所用的试样和电极与第一章第二节所述的测量电阻时采用的基本一样。对于电极材料的导电性能的要求更高，石墨电极一般不用。采用三电极系统，不但可以使测量电极边缘的电场分布均匀化，消除表面电流造成的附加损耗，而且可以消除测量电极对地或对其他物体的分布电容的影响。在高频电压下，用谐振法的测量装置，只能提供两端测量，因而只能采用两电极系统。第二节电桥法测量CX及tanδ在测量频率不高时，(一般低于MHz)都可以用电桥法来测εr

及tanδ。常用的电桥有两大类，即阻容电桥和变压器电桥(亦称电感比例臂电桥)。阻容电桥：电桥的四个桥臂都是由电阻电容组成的电桥。变压器电桥：又称为电感比例臂电桥，电桥除了试品和标准电容器各为一个桥臂之外，还有两个桥臂由电感组成。阻容电桥高压西林电桥低压工频电桥精密西林电桥大电容电桥反接和对角线接地电桥电容比例臂电桥电阻比例臂电桥变压器电桥电流比变压器电桥电压比变压器电桥自动平衡电桥(一)高压西林电桥1、原理西林电桥的两个高压桥臂，分别由试品ZX

及无损耗(tanδ≈0)的标准电容CN

组成；两个低压桥臂分别由无感电阻R3

及R4

与电容C4

并联组成，如图2-5所示。图2-5西林电桥原理图各桥臂的阻抗为

1

1=+jCP；ZX RP1j

CN；Z3= R3；

1R4

1Z4

j

C4调节R3、C4

使电桥达到平衡时，应满足ZXZ4

Z3ZN

即ZN=

=1ZX

1Z4=1ZN1Z3··导纳：在正弦电流电路中，通过电路的电流除以端电压，即阻抗的倒数。符号Y，单位是西门子，简称西(S)。

由ZXZ4

Z3ZN解得：

1

CPRPtan

X

C4R4

R4CPCN

R3

11

tan2

X当tanδ<0.1,误差允许不大于1%时，2、测量高压西林电桥是用于工频电压；同时电桥中的R4

取104

Ω，这时tan

X

R4C4

KC4

106式中：C4

的单位是F；K=1F-1(1)测得1/(ωCPRP)或ωCsRs以求得试品的tanδ。tanδ可以由C4直接分度出，直接读数。(2)测量εr实际上是测量电容及电极、试品有关的尺寸。利用式中：CN一般用100pF，50pF或1000pF；

R3可以直接读出，R4已知。Cp电极的面积A试品的厚度tεr电桥的灵敏度与电桥本身的结构、电桥上施加的电压幅值及频率、以及电桥的平衡指示器有关。电桥比例臂的两阻抗相等时，电桥的灵敏度最高；电压、频率愈高、指示器可测出的电流或电压愈小，电桥的灵敏度愈高。(二)低压阻容电桥（----不是西林电桥）1.电容比例臂电桥图2-12电容比例臂电桥原理图对于薄膜及电子器件，不允许施加高压(电源电压<100V)。调节C4、R3可使电桥平衡(试品用串联电阻等效阻抗来表示)推出：

CCsN

C3

C4tan

C3R3

1Rs

+

jCs2.电阻比例臂电桥（略）二、变压器电桥（略）第三节测量误差及消除方法在介电常数和损耗因数的测量中，不但有来自仪器本身(标准电容损耗、杂散电流、残余电感及零电容等)的误差，还有外界条件(电磁场干扰、外来阻抗耦合以及电极、接线使用不当等)带来的误差。为了能准确测量很小的tanδ(10-5)，对电桥结构上可能造成的误差，应采取如下措施予以消除或减小。一、仪器本身误差及消除方法1、标准电容器的损耗设CN的损耗因数为tanδN,则等效阻抗应并联上RN，式（2-6）改写为只有tanδN

<<tanδx

时,tanδN

造成的误差才可忽略，否则测得的tanδm

就会偏小，甚至出现负值（这时要把试品与标准电容器两个桥臂对换，电桥才能调节平衡)。解此方程得到tan

m

C4R4

tan

X

tan

N2、杂散电容的影响消除外电场干扰需要采用屏蔽线(例试品低压端连接到桥臂R3，接地)。B点接地的，C点、D点对地电容分别为C1，C2，且分别与R3、C4并联。要去除C1、C2

是不可能的，但可以使B点不接地，并使C点和D点在电桥平衡时都为0电位，这样C1、C2上没有电压、没有电流通过，它的存在就不会影响电桥的平衡。图2-6西林电桥原理图要实现C点和D点都为0电位所采用的方法常用的是如图2-6所示：•B点通过电源E2接地，E2幅值相位 可调节；•先将S接C点，调节R3和C4使桥体平衡，(C1/C2存在并参与，C、D

不是0电位)；•再把S接地，调节E2使桥体平衡，指示器显示为0，D点0电位(平衡

C1/C2)；•再把S接C，调节R3和C4使桥体平衡，C、D点电位发生改变，较前次平衡接近0电位；•如此反复，开关S置于C或地时，指示器总是0，直到O/C/D均平衡。图2-7精密西林电桥原理图3、残余电感及零电容的影响。

R3、R4都是无感电阻，但实际上仍有残余电感L3、L4。电容C4

刻度为零时，也还有残余电容C40

。在电桥平衡时它们间相互有补偿作用，但不能完全相互抵消。为了能更好的相互补偿，可在R4的中点与地之间接一可调电容Ca。二、外来电场干扰IUδ1′δxI1cIxcIiIxIi′I1′δ1I1

在试验环境中，特别是在变电站等现场进行测量时，往往存在高压设备，在试品所在的空间存在电场，测试回路中会有干扰电流。实际测得电流IxI1损耗因数tanδxtanδ1电容：Ixc/UI1c/U设：Ix—试验电压产生的电流Ii—干扰电流I1—通过试品的电流消除外来电磁干扰最常用的方法是屏蔽法和倒相法两种。1、屏蔽法：在试品的测试系统与干扰源间用金属板或网屏蔽起来，使电磁场透过屏蔽层大大衰减。衰减程度与屏蔽材料的电导率、磁导率、金属板的厚度以及被衰减的电磁波的频率有关。衰减值用A(dB)表示★只适用于实验室内。f—被衰减的电磁波的频率；G—屏蔽材料相对于铜的电导率比

—屏蔽材料相对空气的磁导率之比t—屏蔽板厚度(mm)

2、倒相(移相电源)法：在正相和反相电压下，两次测量电容和损耗因数。在正相和反相电压下，两次测量电容和损耗因数分别记为C1、C2和tanδ1、tanδ2，则试品的电容为C1

C2

2Cx

试品的损耗因数为tan

x

C1tan

1

C2tan

2

C1

C2三、外来磁场干扰磁场的干扰主要是影响指示电桥平衡的检流计的正常工作，即改变检流计的固有磁场。解决方法：测量前先把检流计的输入开关置于断开位置，这时若指示不为零，则说明有外来磁场干扰，移动电桥和检流计的位置，直到指示为零，说明已避免了外来磁场的影响；若不完全避免，可改变检流计的极性开关，进行两次测量。设在正极性下测得的结果是C1和tanδ1，反极性下测得的是C2和tanδ2，则试品的电容和损耗因数分别为：2C1C2C1+C2Cx

tan

x

tan

1

tan

22习题课1、什么是绝缘电阻、体积电阻、表面电阻，影响绝缘电阻的因素有那些？6、利用高压西林电桥测量绝缘材料εr和tanδ时，如何消除杂散电容及其外来电场的影响2、测量绝缘电阻能发现材料的哪些绝缘缺陷？4、什么是介质损耗，影响介质损耗的因素有哪些？5、简述西林电桥测量εr和tanδ的工作原理？3、进行绝缘材料介电性能测试时，电极材料选择的基本原则是什么？第四章介电强度试验第一节概述一、定义1、电气击穿：绝缘材料或结构，在电场作用下瞬间失去绝缘特性，造成电极间短路。(试样上有贯穿的小孔，裂纹以及碳化的痕迹)YJV2210KV3*120电缆线芯击穿后打开线芯击穿处削去外屏，打压定位时电压较高，已烧出一个洞。进一步削开查看2、在试验中或在使用中，绝缘材料或结构发生击穿时所施加的电压，称为击穿电压；击穿点的场强称为击穿场强。3、绝缘材料的介电强度是指材料能承受而不致遭到破坏的最高电场场强。对于平板试样UB

dEB

式中：EB—击穿场强(MV/m或kV/mm)UB—在规定试验条件下，电极间击穿电压(MV或kV)d—两电极间击穿部位的距离，即试样在击穿部位的厚度(m或mm)4、在气体或液体中，电极之间发生放电，当放电至少有一部分沿着固体材料表面时，称为闪络。通常试样表面闪络后，还可以恢复绝缘特性。闪络时试样上施加的电压称为闪络电压。发出弧光说明：(1)闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。

(2)容易吸湿、介质表面粗糙、介质与电极非紧密接触的固体沿面的闪络电压降低。0246810d/cmU/kV120804043211—空气间隙击穿2—石蜡3—电瓷4—与电板接触不紧密的电瓷图4-1均匀电场中不同介质的闪络电压石蜡表面不易吸水，而电瓷表面吸附水的能力大，固体介质表面吸附水分形成水膜时，水膜中离子在电场作用下向电极移动，会使沿面电压分布不均匀，而使闪络电压降低；固体介质与电极间存在气隙时，由于气体介质的介电常数比固体介质低，气隙中的场强比平均场强高得多，因此气隙中将发生局部放电。气隙放电产生的带电质点到达固体介质与气体的交界面时，畸变电场，使闪络电压明显降低。★试样击穿或闪络时，试样上的电压突然降落，通过试样的电流突然增大，有时会发出光或声。最终判断是否击穿，还要观察是否在试样上有贯穿的小孔、裂纹以及碳化的痕迹等。二、介电强度试验介电强度试验分为两种类型，即击穿试验和耐电压试验。击穿试验是在一定的试验条件下，升高电压直到试验发生击穿为止，测得击穿场强或击穿电压。耐电压试验是在一定试验条件下，对试样施加一定的电压，经历一定时间，若在此时间内试样不发生击穿，即认为试样是合格的。三、影响介电强度的因素1、电压波形

工频交流电压下的击穿场强比直流和冲击电压下的低得多。2、电压作用时间0.51510501005001000电压作用时间/μs/(kV/mm)击穿场强700600500400300200图4-2PE的击穿强度与电压作用时间的关系随着加压时间的增长，击穿电压明显下降；t<几微妙，t>几秒时，击穿电压随电压作用时间增长而明显下降；几微妙<t<几秒时，击穿电压变化不大。3、电场的均匀性及电压的极性(1)

电场不均匀，会出现局部放电，扩展到试样击穿，所测得的击穿电压降低。(2)针尖对平板电极系统中，当针尖电极为正极性时，击穿电压要比针尖电极为负极时低，这是由于空间电荷的改变了电极间介质中的电场分布，从而影响了击穿电压。4、试样厚度与不均匀性试样厚度增加，电极边缘电场就更不均匀，试样内部的热量更不容易散发，试样内部含有缺陷的机率增大，使击穿场强下降。薄膜试样，厚度减小，电子碰撞电离的机率就减小，使击穿场强提高。510152025厚度/μm/(kV/mm)击穿场强40302010图4-3绝缘纸的击穿场强与厚度的关系5、环境条件(1)温度升高，击穿场强下降；(2)湿度增大，击穿场强下降；(3)气压—气体，气压增高，击穿场强会升高；接近真空时，击穿场强升高。0.11101001000气压*电极距离/Pa·mm/kV击穿电压1010.1图4-4巴申曲线图第二节试样和电极一、均匀电场下击穿试验用的试样和电极a)板材b)薄膜图4-5均匀电场下击穿试验用的试验与电极凹腔部分全部图上金属导体作为电极，使试样击穿发生在最薄处。在最薄处的厚度δ要不大于试样厚度的1/5，球电极的半径r要比δ大20倍。二、例行试验中的试样和电极对称电极不对称电极Ф1=25mm；Ф2=75mm；h1=25mm；h2=15mm；r=3mm三、液体材料用的电极液体击穿试验用电极冲击电压下第三节工频电压下的介电强度试验一、升压方式做介电强度试验时，电压要从零按一定的方式和速度上升到规定的试验电压或击穿电压。1、快速升压升压时间：10～20s

升压速度：100V/s、200V/s、、1000V/s、2000V/s、5000V/s。

500V/s2、20s逐级升压升压方式：电压逐级升高，每级停留20s；初级(第一级)电压：快速升压击穿值的40%；

击穿前至少加过5级电压，击穿发生在第6级或更高等级

击穿电压选取：能够承受20s的最高一级的电压值。0.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.56.06.57.07.58.08.59.09.51011121314151617181920222426283032343638404244464850556065707580859095100110120130140150160170180200测得的击穿电压比较低3、慢速升压升压方式：从快速升压的击穿电压的40%开始升压，慢速升压，使击穿发生在120～240s内。升压速度：2V/s、5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s、500V/s、1000V/s。4、60逐级升压与20s逐级升压相似，每级停留时间为60s。5、极慢速升压升压方式：从快速升压的击穿电压的40%开始升压，极慢速升压，使击穿发生在300～600s内。升压速度：1V/s、2V/s、5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s。测得的击穿电压更低，试验结果比较可靠。二、试验设备与装置1、高压试验变压器获得试验所需的电压

要求：有足够的额定电压和容量，输出电压的波形没有畸变。2、调压器使试验电压以一定的方式和速度上升种类：自耦调压器和移圈调压器。3、控制电路要求：①试验人员撤离高压试验区，并关好安全门之后，才能加电压；②升压从零开始，以一定的方式和速度上升；③试样击穿后可自动切断电源，在自动控制线路中，自动使电压下降到零。4、保护和接地试验回路的低压部分有可能出现高压的点设置放电间隙；防止短时电流过大，设置保护电阻，保护电阻取值考虑：避免电阻本身压降过大，击穿时电流不能太小使得过流保护不动作；接地点与接地体的连线应采用尽量短的多股线，以减小接地电阻与电感；

围栏，带电显示器，警示灯。三、工频高电压的测量(球间隙法)1、试验装置：水平式

(球直径在25cm及以下)和垂直式(直径大于25cm)2、测量原理当球隙距离s与直径D之比不大时，球隙间的电场为稍不均匀电场，当电压加于球隙间形成稍不均匀电场时，气体放电时，其击穿电压取决于球隙间的距离。图2垂直球隙及应保证的尺寸要求：①球面光滑、干燥，曲率均匀；②球隙间距s和球的直径D应满足

0.05D≤s≤0.5D；③周围物体与铜球间的距离不小于铜球直径的5倍；④球隙间的大气为标准状态温度为20℃，湿度为65%，气压为

1.013×105Pa～～～～～～～～～T2R1R2TOQ～～～T1图3工频高压测量接线原理图3、测量过程上球接高压，下球接地测量时，先让球隙放电几次，放电稳定后进行测量。重复测量三次，每次时间间隔不少于1min，取平均值，平均值之差不超过3%，然后对照附录E查出相应的电压。★如果测量时大气条件与标准状态有差异，需要进行大气条件校正。

U=KUH

U—试验中大气条件下的放电电压

UH—标准大气条件下的放电电压

K—修正系数根据下式计算空气的相对密度δ，查表，得到K值。

51.45

p273

tP—大气压力(Pa)t—温度(℃)空气相对密度δ0.700.750.800.850.901.001.051.10校正系数K0.720.770.810.860.911.001.051.09表3-2球隙击穿电压的校正系数在不均匀电场中，空气湿度增加会使间隙的放电电压有所升高，当空气相对湿度大于90%时，球极表面可能凝聚水珠，将使放电电压显著降低，分散性增大；被测电压越高，球径越大，所占用空间越大。第五章局部放电测量第一节概述一、局部放电1、局部放电的定义及产生原因定义：在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局部放电。

产生原因：在电工产品中，绝缘体各区域承受的电场一般是不均匀的，而且电介质也是不均匀的，有的是有不同材料组成的复合绝缘体(如气体—固体复合绝缘、液体—固体复合绝缘、固体—固体复合绝缘)，或者单一的材料在制造或使用过程中会残留一些气泡或其他杂质，于是，在绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电场强度高于平均电场强度，击穿场强低于平均击穿强度，因此在这些区域就会首先发生放电，而其他区域仍然保持绝缘的特性，就形成了局部放电。局部放电会逐渐腐蚀、损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘体击穿。

举例：绝缘系统在交变电场下，当介质损耗因数不太大时(如小于0.1)，介质中的电场分布是与介电常数成反比。在油纸绝缘体中含有气泡，油浸纸的相对介电常数ε1=3.5，tanδ1=0.01；气泡的ε2=1，tanδ2=10-6；设油浸纸中的电场为E1，气泡中的电场强度为E2，则有可见，气泡中的电场比油浸纸中的电场约大3.5倍，而气体的击穿场强G2=3KV/mm(标准大气压下)，油浸纸击穿场强G1=15KV/mm。显然，当外加电压上升，使气泡中的电场先到达其击穿场强，气泡先放电，但油浸纸绝缘中的电场远低于其击穿场强，仍有绝缘特性，这就出现了局部放电。2、局部放电的种类内部局部放电：发生在绝缘体内；表面局部放电：发生在绝缘体表面；电晕：发生在导体边缘而周围都是气体。二、局部放电的表征1、介质内部的局部放电图4-1局部放电的等效分析图由于气泡中每次放电时间都是短暂的，大约为10-9～10-7s，即放电产生的脉冲频率很高，因此，阻抗比容抗大得多，可以忽略电阻，只考虑由Cc、Cb、Ca组成的等效电路。气泡C的阻抗b部分的阻抗a部分的阻抗图4-2放电过程示意图图4-3介质内部气泡的放电图形放电多产生在试验电压幅值绝对值上升的部分相位上，放电剧烈时会发生扩展。假设：每次放电累积的电荷没有泄露掉2、表面局部放电图4-4表面局部放电图放电过程与内部局部放电过程类似，不同之处在于，气隙只有一边时介质，而另一边是导体，放电产生的电荷只能累积到介质的一边，因此累积的电荷少了，更不容易在外加电压绝对值的下降相位上出现放电。负半周放电量少，放电次数多正半周放电量大，次数少3、电晕放电针对板电极放电模型针尖附近场强最高，当外加电压上升到该处的场强达到气体的击穿场强时，在针尖附近就发生放电，由于在负极性时容易发射电子，使得放电总是在针尖为负极性时先出现，这时正离子很快移向针尖