第6讲 液体固体电介质的绝缘特性

1、高电压工程系李黎课堂随测课堂随测u在标准大气条件下，某距离为4m的棒-极间隙的正极性50操作冲击击穿电压为1130kV。在夏季某日温度为30C，气压99.8kPa，绝对湿度为11g/m3的大气条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV? u某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区的35kV变电站，问平原地区的制造厂在标准参考大气条件下进行1min工频耐受电压试验时，其试验电压应为多少kV？2本次课程本次课程u电介质的电导n吸收现象n绝缘电阻u重点：电介质的损耗n介质损耗正切角u液体电介质的击穿（理解概念）u固体电介质的击穿（理解概念）342.1.2 2.1.2 电介质的电导电介质

2、的电导来源来源：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（泄漏电流）。 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。5电介质的吸收现象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itgiaicii6电介质的绝缘电阻电介质的绝缘电阻定义定义：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。giUR 7液体中极化发展快，吸收

3、电流衰减快液体中极化发展快，吸收电流衰减快电导构成：离子电导、电泳电导电导构成：离子电导、电泳电导非极性电介质的电阻率 1018cm弱极性电介质的电阻率 1015cm极性电介质的电阻率 1010cm1012cm，由于损 耗太大，实际上不使用强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能用作绝缘材料离子性电导随温度的升高而增加离子性电导随温度的升高而增加TBAe液体电介质的电导液体电介质的电导8分成三个区域分成三个区域 区域1：液体电介质的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律 区域2：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域（饱和） 区域3：场强继续增大超过某一极限解离、逸出、碰撞电离，最终击

4、穿液体电介质中电压电流特性液体电介质中电压电流特性9经常使用电阻率，即电导的倒数描述固体电介质特性结 构 紧 密 ， 洁 净 的 离 子 性 电 介 质 ， 电 阻 率 为1017cm1019cm结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅达1013cm1014cm非极性或弱极性介质主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达1017cm1019cm偶极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达1015cm1016cm固体电介质的电导固体电介质的电导10分三个区域分三个区域 区域1：符合欧姆定律，也称低场强领域 区域2：电流随场强非线性增加 区域3：出现

5、破坏先导电流区域2、3也称高场强领域。和液体、气体不同，固体中的电压电流特性没有饱和状态固体电介质的电压电流特性固体电介质的电压电流特性带电粒子产生：晶带电粒子产生：晶格缺陷，解离，泊格缺陷，解离，泊尔弗仑开尔效应尔弗仑开尔效应11固体介质的表面电导固体介质的表面电导 固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质 9090憎水性憎水性亲水性亲水性液体和固体电介质的电导（总结）液体和固体电介质的电导（总结）u中性、纯净液体的电导由杂质决定u酸碱性液体的电导

6、与离子电导有关u液体导电存在饱和区，固体无明显饱和区u固体电导很大程度上取决于表面电导，因此要考虑湿度的影响1213讨论电导的意义：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。142.1.3 2.1.3 电介质的损耗电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（D

7、C、AC都有）15一、介质损耗角正切（一、介质损耗角正切（tg 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acgIIII.gI.cI.aI.16介质损耗正切角（介质损耗正切角（tg tg ）并联等值电路并联等值电路RCCURUIItgCR1/CtgUtgUIUIPc2cos介损：介损：损耗功率：损耗功率：17n定义定义 为介质损失角，是功率因数角为介质损失角，是功率因数角 的余的余角角n介质损失角正切值介质损失角正切值tg ，如同，如同 r 一样，取决于一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质

8、地表示介质的品质 CRIItg18串联等值电路串联等值电路 rCCIIrIItgSScr/CtgUtgtgCUrCrCUrCrrUrIPSSSS2222222222211/1SSCtgCC2119 气体介质的损耗气体介质的损耗n气体介质极化率小，损耗极小（tg 10-8。所以常用气体（如空气，N2；CO2，SF6等）作为标准电容器的介质n当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加 二、不同介质的损耗二、不同介质的损耗20n中性液体、固体电介质中的损耗主要由漏导决定（极化中性液体、固体电介质中的损耗主要由漏导决定（极化为无损的）为无损的） 介质损耗与温度、电场强度等因素的关

9、系决定于电导与介质损耗与温度、电场强度等因素的关系决定于电导与这些因素之间的关系这些因素之间的关系 液体和固体电介质中的损耗液体和固体电介质中的损耗中性液体或中性固体电介质的中性液体或中性固体电介质的tg 与温度的关系与温度的关系中性液体或中性固体电介质的中性液体或中性固体电介质的tg 与电场的关系与电场的关系 21n极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分电偶式损耗两部分 损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系n中性固体介质如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主中性固体介质如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起

10、，通常很小，在高频下也可使用要由电导引起，通常很小，在高频下也可使用 n极性的纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性极性的纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），脂、硬橡胶等）， tg 值较大，高频下更为严值较大，高频下更为严重。与温度、频率的关系与极性液体相似重。与温度、频率的关系与极性液体相似 22介质损耗正切角（介质损耗正切角（tg tg ) )23三、影响三、影响tg tg 的主要因素的主要因素 之一：温度之一：温度tg和温度的关系tg1t2tttt1:极化损耗、电导损耗都上升t1tt2:极化减弱，电

11、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（减小粘度）才能达到最大值。24n 不均匀结构的电介质不均匀结构的电介质 如：电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环如：电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质）和油浸纸、胶纸绝缘等。氧树酯所组合的复合介质）和油浸纸、胶纸绝缘等。 不均匀结构的电介质的不均匀结构的电介质的tg 取决于其中各成分的性能和取决于其中各成分的性能和数量间的比例数量间的比例峰值可能由纸峰值可能由纸极化损耗引起极化损耗引起峰值可能由复合胶峰值可能由复合胶极化损耗引起极化损耗引起25影响影响tg tg 的主要因素之二：频率的主要因素

12、之二：频率u当频率不太高时，随 f 增加，偶极子转向加快，损耗增加u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26影响影响tg tg 的主要因素之三：外加电压的主要因素之三：外加电压u外加电压低， 总损耗电导损耗极化损耗u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27四、讨论介质损耗的意义四、讨论介质损耗的意义 u在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tg值，如果过大而引起严重发热，将使材料容易劣化，故尽可能选择tg较小的材料。u当绝缘受潮或恶化时，tg会急剧增大，因此经常监测tg值并进行对比，可判断绝缘的

13、状况，及时发现问题。u通过测量tgU的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。u介质损耗引起的介质发热有时也可以利用，例如利用介质损耗发热来加速干燥过程。 28 液体电介质液体电介质 ：纯净的液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质工程用液体电介质 击穿机理：电击穿理论、气泡击穿理论击穿机理：电击穿理论、气泡击穿理论 （小桥击穿理论）（小桥击穿理论）2.2 2.2 液体电介质的击穿液体电介质的击穿29（一）（一） 电击穿理论电击穿理论主要用于纯净液体的击穿解释 机理：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

14、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一、液体击穿理论一、液体击穿理论30（二）气泡击穿理论（小桥理论）（二）气泡击穿理论（小桥理论）主要用于工程用液体电介质机理：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。31气泡的产生原因气泡的产生原因（1）大气（2）电场导致：n场致发射形成的电子电流对液体的加热、分解n电子

15、碰撞、液体分子分解n静电排斥使气泡变大n局部电晕放电使液体气化32二、影响液体电介质击穿的主要因素二、影响液体电介质击穿的主要因素u自身品质自身品质u温度温度u电压作用时间电压作用时间u电场均匀度电场均匀度u压力压力33影响因素（影响因素（1 1）：自身品质）：自身品质总的来说，杂质多，击穿电压减低。水分的影响水分的影响： 纤维的影响纤维的影响： 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 发生的局放扰动液体 ，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。34标准油杯标准油杯 n用标准油杯来检查油的质量用标准油杯来检查油的质量n平板

16、电极间电场均匀，油中平板电极间电场均匀，油中稍有受潮、含杂，击穿电压稍有受潮、含杂，击穿电压就明显下降就明显下降n规程规定用来灌注高压规程规定用来灌注高压 电力电力变压器等的变压器油，在此变压器等的变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求油杯中的工频击穿电压要求在在25 40kV以上以上(与设备的额与设备的额定电压有关定电压有关)；灌注高压电缆；灌注高压电缆和电容器的用油，在油杯中和电容器的用油，在油杯中的击穿电压常要求在的击穿电压常要求在50或或 60kV以上以上 35影响因素（影响因素（2 2）：温度）：温度干燥的变压器油：击穿电压随温度升高而单调降低；受潮的变压器油：当温度在5以下时，油很

17、稠，小桥排列困难；在060，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击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介系较复杂，随液体介质的品质、电场的均质的品质、电场的均匀程度、电压形式的匀程度、电压形式的不同而不同。不同而不同。36影响因素（影响因素（3 3）：电压作用时间）：电压作用时间u击穿电压随加压时间的增加而下降。当液体介质的纯净度及温度提高时，电压作用时间对击穿电压的影响减小。u经过长时间工作后，液体介质的击穿电压会缓慢下降，这是由于介质劣化、杂质增多等因素造成的。372001.5/4

18、0（）1.5/40（）800700600500400300200100010-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102 1033.02.52.01.51.00.5t（s）冲击系数，K（最小值）Ub,p（kV）(峰值)极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线( (虚线表示未经研究的区域虚线表示未经研究的区域) ) 38影响因素（影响因素（4 4）：电场均匀程度）：电场均匀程度u高纯净度液体：改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高。u品质较差的液体介质：因杂质的聚集和排列已使电场畸变，因而改善电场分布提高击穿电压的作

19、用并不明显。 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5，而在均匀电场中可达3040 39影响因素（影响因素（5 5）：压力）：压力u击穿电压随压力的增大而升高气体在油中的溶解度增大，气泡数量减少，且气泡的局部放电起始电压也提高。油经过脱气之后，压力对击穿电压的影响减少。p/MPa0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7dd = 7.5cm2.55.0200150100500Ub(有效值)/kV40三、提高液体电介质击穿电压的方法三、提高液体电介质击穿电压的方法提高以及保持油的品质提高以及保持油的品质过滤、防潮、脱气过滤、防潮、脱气油和固体电介质组合油和固体电介质组合覆盖层覆盖

20、层绝缘层绝缘层屏障屏障41n气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高空气的耐电强度一般在空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右；左右；液体的耐电强度在液体的耐电强度在10 20 kV/mm；固体的耐电强度在十几固体的耐电强度在十几 几百几百kV/mmn固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘的绝缘n普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质处发展起来的，这里的

21、缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性的不均匀性2.3 2.3 固体电介质的击穿固体电介质的击穿4243一、固体电介质的击穿过程一、固体电介质的击穿过程1. 固体电介质击穿特性的划分固体电介质击穿特性的划分区域区域A：击穿时间小于击穿时间小于10 s 的区域，此范围内击穿电压的区域，此范围内击穿电压随击穿时间的缩短而提高。随击穿时间的缩短而提高。类似于气体介质击穿的伏秒类似于气体介质击穿的伏秒特性特性区域区域B：击穿时间在击穿时间在10 0.2 s范围的区域，此范围内击范围的区域，此范围内击穿电压恒定，与时间无关穿电压恒定，与时间无关这两个区域内的击穿都具有这两个区域内的击穿都具有电击穿的性

22、质电击穿的性质区域B区域A区域Cssmin278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （）电工纸板的击穿电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 441. 固体电介质击穿特性的划分固体电介质击穿特性的划分区域区域C：击穿电压随击穿前击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具时间的增加而明显下降，具有热击穿的特点有热击穿的特点区域区域D ：C区以外区以外区域B区域A区域Cssmin

23、278h5015.310010-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012时间（s）500450400350300250200150100500击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （）电工纸板的击穿电压电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系与电压作用时间的关系 A、B 区：区：属于电击穿属于电击穿 C 区：区：属于热击穿属于热击穿 D 区：区：为电化学击穿、电老为电化学击穿、电老 化，击穿时间在几十化，击穿时间在几十 个小时以上，甚至几年个小时以上，甚至几年 45n电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基电击穿理论建立在固体电介质

24、中发生碰撞电离基础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而导致击穿加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而导致击穿u电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与环境温度无关，与电场均匀程度有密击穿电压与环境温度无关，与电场均匀程度有密切关系，与电压作用时间关系很小。切关系，与电压作用时间关系很小。u当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条件，且内部不存在局部放电，这种情况下发生的件，且内部不存在局部放电，这种情况下发生的击穿通常是电

25、击穿。其击穿场强一般可达击穿通常是电击穿。其击穿场强一般可达105106kVm 。 二、二、 击穿理论击穿理论（1）电击穿理论）电击穿理论46碰撞电离引起击穿的解释碰撞电离引起击穿的解释u固有击穿理论单位时间内传导电子从电场获得的能量与因碰撞而失去的能量不平衡而引起击穿u电子崩击穿理论传导电子由电场得到了可使晶格原子电离的能量，产生了电子崩，当电子崩发展到足够强时（d足够大），引起固体介质击穿47击穿理论击穿理论（2 2）热击穿理论）热击穿理论u介质内部的热不平衡过程所造成的。电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热，介质温度升高，而介质的电导率随温度的升高而急剧增大，所以电流进一步增大，损耗、发热也随之增加。发热和散热的不平衡导致。u热击穿的特点：击穿电压随环境温度的升高按指数规律降低；击穿电压与散热条件有关，如介质厚度大，则散热困难，因此击穿电压并不随介质厚度成正比增加；当电压频率增大时，击穿电压将下降；击穿电压与电压作用时间有关。48u介质劣化的结果。u介质的局部区域发生局部放电，这种放电并不立即形成贯穿性通道，而是非完全击穿，它使介质引起化学离解，形成树枝状通道，这些树枝状通道，随时间推移不断伸长，使绝缘进一步劣化，最终发展到整个电介质击穿。u电化学击穿的特点：由于它是绝缘性能下降之后发生的击穿，因此击穿电压比电击穿和热击穿低。电化学击穿不发生在很高电压下，而是