第二章 液体、固体电介质的电气性能

1、第二章第二章 液体、固体电介质的电气性能液体、固体电介质的电气性能电介质的作用电介质的作用电介质电介质 = 绝缘材料绝缘材料电介质按化学结构分电介质按化学结构分非极性及弱极性：如氮气、聚四氯乙烯等非极性及弱极性：如氮气、聚四氯乙烯等偶极性：蓖麻油、氯化联苯等偶极性：蓖麻油、氯化联苯等离子性：石英、电瓷等离子性：石英、电瓷等第二章第二章 液体、固体电介质的电气性能液体、固体电介质的电气性能电介电介质的质的基本基本电气电气性能性能b br r击击穿穿电电场场强强度度E E击击穿穿介介质质损损耗耗因因数数t tg g损损耗耗电电导导率率电电导导相相对对介介电电常常数数极极化化气体的极化、电导、损耗都

2、很弱，可不考虑。气体的极化、电导、损耗都很弱，可不考虑。一、极化现象及相对介电常数一、极化现象及相对介电常数1、极化的定义、极化的定义电介质在电电介质在电场中所发生场中所发生的束缚电荷的束缚电荷的弹性位移的弹性位移及偶极子的及偶极子的转向现象。转向现象。2-1 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 2 2、相对介电常数、相对介电常数r r r相对相对介电常数，表征电介质极化强度的指标。0 00 0r rc cc c 20，工频时：，工频时： 真空真空r=1，气体，气体r1 液体、固体液体、固体r1,一般在一般在210之间。之间。 如如 水：水：81 变压器油：变压器油：2.2 云母

3、：云母：57 纤维素纤维素: 6.53 3、极化的基本形式、极化的基本形式（1）电子式）电子式（2）离子式）离子式（3）转向式）转向式（4）夹层式）夹层式（多层电介质组成的复合绝缘）（多层电介质组成的复合绝缘）（1 1）电子式）电子式现象现象:各种物质在电场作用下都各种物质在电场作用下都会发生这种极化。会发生这种极化。极化过程极化过程主要特点：主要特点：极化过程极快，完成。所以任极化过程极快，完成。所以任何何f下的电场都能极化，下的电场都能极化，r与与f无关。无关。无损极化，外电场撤离，依靠无损极化，外电场撤离，依靠自身吸引力恢复，不消耗能量。自身吸引力恢复，不消耗能量。温度影响极小。温度影响

4、极小。（2 2）离子式）离子式离子位移极化现象离子位移极化现象极化过程极化过程主要特点：主要特点：极化过程很快，完成，任何极化过程很快，完成，任何f下的电场都能极化，下的电场都能极化，r与与f无无关。关。无损极化。无损极化。r具有微弱的正温度系数，具有微弱的正温度系数，t，r。一方面，。一方面，t，离子，离子联系弱，联系弱，r；另；另一方面，一方面，t，密度，密度，r。正。正温度系数。温度系数。（3）转向式）转向式偶极转向极化现象偶极转向极化现象 极化过程极化过程主要特点：主要特点：极化过程较慢，。所极化过程较慢，。所以以r与与f有关。有关。 与温度有关。与温度有关。 有损极化。转向时克有损极

5、化。转向时克服分子间吸引力和摩擦力服分子间吸引力和摩擦力而消耗能量。而消耗能量。（4 4）夹层式）夹层式夹层极化现象。以两夹层极化现象。以两层介质在交流电压作用下层介质在交流电压作用下的极化为例。的极化为例。 介绍吸收过程、吸收介绍吸收过程、吸收电荷。电荷。夹层极化特点：夹层极化特点：极化过程较慢；极化过程较慢；有损极化。有损极化。等值电路等值电路 t=0时：时： 1 12 20 0t t2 21 1C CC CU UU U t时：时： 1 12 2t t2 21 1G GG GU UU U 如果电介质不均匀，即如果电介质不均匀，即 ， 意味着两电介质之间意味着两电介质之间电压要重新分布电压要

6、重新分布吸收电流。吸收电流。吸收过程的快慢决定于电路的时间常数吸收过程的快慢决定于电路的时间常数，又，又G很小，很小，很大，很大，极化所需的时间很长。极化所需的时间很长。1 12 2C CC C1 12 2G GG G4、相对介电常数、相对介电常数r在工程上的实际意义在工程上的实际意义（1）选择绝缘材料时，要考虑该指标。）选择绝缘材料时，要考虑该指标。对电容器希望对电容器希望r大些，对电缆则希望大些，对电缆则希望r小些。小些。（2）设计交流绝缘结构时，应考虑电场的合理分布。）设计交流绝缘结构时，应考虑电场的合理分布。 r r1 1r r2 22 21 1E EE E（3）介质损耗与极化类型有关

7、）介质损耗与极化类型有关（4）可用来判断绝缘状况）可用来判断绝缘状况二、电介质的电导二、电介质的电导1、定义：、定义：在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而现成电流的现象。现成电流的现象。2、电介质电导与金属电导的区别、电介质电导与金属电导的区别（1）载流子不同（前者：离子）载流子不同（前者：离子;后者：电子）后者：电子）（2）电导率不同（前者：很小）电导率不同（前者：很小;后者：很大）后者：很大）（3）温度系数不同（前者：正的）温度系数不同（前者：正的;后者：负的）后者：负的） 3、吸收现象、吸收现象电介质在电介质在DC作用下，通过电介质的电

8、流随时间逐渐衰作用下，通过电介质的电流随时间逐渐衰减，最终达到某个稳定值。减，最终达到某个稳定值。通过电介质的电流由三部分组成，即通过电介质的电流由三部分组成，即 i=ic+ia+Igg gI IU UR RR绝缘电阻绝缘电阻ic电容电流，无损极化引起，迅速衰减电容电流，无损极化引起，迅速衰减ia吸收电流，有损极化引起，较为缓慢衰吸收电流，有损极化引起，较为缓慢衰减减Ig泄漏电流，电导引起，恒定不变泄漏电流，电导引起，恒定不变4、电介质的电导、电介质的电导（1）气体电介质电导：游离出来的电子、正离子、）气体电介质电导：游离出来的电子、正离子、负离子。低于击穿场强时可忽略。负离子。低于击穿场强时

9、可忽略。（2）液体电介质的电导：本征离子（在极化电介质）液体电介质的电导：本征离子（在极化电介质中不可忽视）、杂质离子（起主要作用）中不可忽视）、杂质离子（起主要作用）（3）固体电介质：）固体电介质：由由体积电导体积电导（杂质离子、本征离子）和（杂质离子、本征离子）和表面电导表面电导（取决于（取决于水分水分和和污秽污秽 情况）组成。情况）组成。固体电介质的绝缘电阻固体电介质的绝缘电阻R是体积绝缘电阻是体积绝缘电阻RV和表面绝缘和表面绝缘RS的并联值。的并联值。测量时应采取措施以减小表面泄漏电流对测测量时应采取措施以减小表面泄漏电流对测量的影响量的影响。5 5、影响电介质电导的主要因素、影响电介

10、质电导的主要因素（1）温度）温度（2）杂质）杂质 要注意防潮要注意防潮 T TB BA Ae e 6、电介质电导在工程实际中的应用、电介质电导在工程实际中的应用（1）用来判断绝缘状况）用来判断绝缘状况 。（2）DC作用下，电介质中各层电压分布规律。作用下，电介质中各层电压分布规律。1 12 22 21 1G GG GU UU U（3）表面绝缘电阻的合理应用）表面绝缘电阻的合理应用a.为了减小表面泄漏电流以提高放电电压，应使表为了减小表面泄漏电流以提高放电电压，应使表面电阻增大面电阻增大;b.为了减小表面局部场强以善电场分布，应使表面为了减小表面局部场强以善电场分布，应使表面电阻适当减小。电阻适

11、当减小。三、电介质的损耗三、电介质的损耗1、介质损耗的定义、介质损耗的定义在外加电压作用下，电介质在单位时间内消耗的在外加电压作用下，电介质在单位时间内消耗的能量。能量。电介质损耗对绝缘性能的影响：电介质损耗对绝缘性能的影响： 介质的损耗介质的损耗介质发热介质发热介质温度升高介质温度升高介质电介质电导增大导增大泄漏电流增大泄漏电流增大介质损耗进一步增大介质损耗进一步增大介质温度进一步升高介质温度进一步升高绝缘老化加速绝缘老化加速 绝缘绝缘被烧焦破坏。被烧焦破坏。2 2、介质损耗的基本形式、介质损耗的基本形式（1）电导损耗（）电导损耗（DC、AC下均存在）下均存在）（2）极化损耗（只在）极化损耗

12、（只在AC下存在下存在（3）游离损耗（外加电压超过一定值时）游离损耗（外加电压超过一定值时）3、介质损耗的计算及指标、介质损耗的计算及指标（1）DC下下用用即可表达其即可表达其损耗特性：损耗特性：介质的电导介质的绝缘电阻;22GRGURUP（2）AC下下式中式中 tg介质损耗因数，介质损耗因数，常用百分数表示。常用百分数表示。 功率因数角功率因数角介质损耗角介质损耗角 （=90- ）tgCUtgUIUIPpC2cos通常采用通常采用tg而不用而不用P表示电介质的损耗特性，这表示电介质的损耗特性，这是因为是因为P与与U、C、有关，不便于对不同尺寸的同一有关，不便于对不同尺寸的同一绝缘材料进行比较

13、绝缘材料进行比较;tg无量纲，与材料的几何尺寸无关，只与材料无量纲，与材料的几何尺寸无关，只与材料的品质特性有关。的品质特性有关。4、影响、影响tg的因素的因素（1）跟介质种类有关）跟介质种类有关u气体电介质的气体电介质的tg极小极小u液体和固体电介质的损耗特性较为复杂液体和固体电介质的损耗特性较为复杂 对中性或弱性介质的损耗主要由电导引起，对中性或弱性介质的损耗主要由电导引起， tg较小。较小。 对极性介质的损耗主要由极化引起，对极性介质的损耗主要由极化引起， tg较大。较大。（2）跟温度有关）跟温度有关（3）跟频率有关）跟频率有关（4）跟电压有关）跟电压有关 当当E较小时较小时tg较小，当

14、较小，当E增大到某一临界值时，增大到某一临界值时， tg将急剧增加（将急剧增加（出现了电晕损耗，出现了电晕损耗，可以可以制作制作tg=f(U）关系曲线来判断介质中是否存）关系曲线来判断介质中是否存在局部放电）在局部放电） 当固体介质中含有气隙时，可能出现局部放电，当固体介质中含有气隙时，可能出现局部放电，使绝缘老化加速，因此常采用干燥、浸油或充使绝缘老化加速，因此常采用干燥、浸油或充胶等措施来消除气隙。胶等措施来消除气隙。 固体介质与金属电极接触处的空气隙，经常采固体介质与金属电极接触处的空气隙，经常采用短路的办法，使气隙内电场为零。用短路的办法，使气隙内电场为零。5、 tg在工程实际中的应用

15、在工程实际中的应用（1）选择绝缘）选择绝缘（2）用于判断绝缘状况）用于判断绝缘状况 受潮、老化受潮、老化 tg急剧上升急剧上升; 制作制作tg =f(u)曲线判断是否发生局部放电曲线判断是否发生局部放电（3）利用高频电压加热干燥泥坯）利用高频电压加热干燥泥坯三、讨论三、讨论tgtg在工程实际中的意义在工程实际中的意义1、配制绝缘材料时应适当选择配方的比例、配制绝缘材料时应适当选择配方的比例2、在绝缘预防性试验中判断绝缘状况、在绝缘预防性试验中判断绝缘状况3、利用高频电压加热高的材料。、利用高频电压加热高的材料。一、几个基本概念一、几个基本概念1、什么是电介质的击穿？、什么是电介质的击穿？当外加

16、电压达到某当外加电压达到某一临界值后，电介质的电导显著增大，泄漏电流一临界值后，电介质的电导显著增大，泄漏电流急剧增加，电介质突然丧失其原有的绝缘性能，急剧增加，电介质突然丧失其原有的绝缘性能，此现象称之。此现象称之。2、什么是击穿电压？、什么是击穿电压？发生击穿时的临界电压发生击穿时的临界电压称之。称之。3、什么是击穿场强？、什么是击穿场强？也称为绝缘强度，单位也称为绝缘强度，单位为为kV/cm。2-2 液体电介质的击穿液体电介质的击穿二、研究电介质击穿特性的复杂性二、研究电介质击穿特性的复杂性因为介质不同，击穿机理不同。因为介质不同，击穿机理不同。1、不同电压作用下，击穿机理不同。、不同电

17、压作用下，击穿机理不同。2、影响因素多。、影响因素多。3、随机性强。、随机性强。一、液体电介质的击穿机理一、液体电介质的击穿机理1、纯净液体电介质的击穿机理、纯净液体电介质的击穿机理与气体电介质的击穿机理相似与气体电介质的击穿机理相似电击穿理论电击穿理论（碰撞游离，电子崩）（碰撞游离，电子崩）液液气气 液液气气 Eb，液，液 Eb，气，气纯净油：击穿过程采用碰撞游离理论，与气体同。即初始纯净油：击穿过程采用碰撞游离理论，与气体同。即初始电子向电极运动过程中，碰撞游离导致击穿。电子向电极运动过程中，碰撞游离导致击穿。 纯净油提炼困难，即使提炼出来，保持也困难。纯净油提炼困难，即使提炼出来，保持也

18、困难。2、工程用液体电介质的击穿机理、工程用液体电介质的击穿机理总含有杂质总含有杂质小桥击穿理论小桥击穿理论水、纤维的相对介电常数大水、纤维的相对介电常数大 易极化易极化 沿电场定沿电场定向排列向排列 形成杂质小桥形成杂质小桥 电导大电导大 泄漏电流泄漏电流增加增加 小桥发热小桥发热 油、水分汽化油、水分汽化 形成气形成气体小桥体小桥 气体中的气体中的E比油中高得多（因为与相对比油中高得多（因为与相对常数成反比）常数成反比） 气体小桥击穿气体小桥击穿 液体电介质击液体电介质击穿穿油电气强度试验：油电气强度试验：标准油杯，注入油，击穿五次，取平均值，与标准对比。标准油杯，注入油，击穿五次，取平均

19、值，与标准对比。标准值，合标准值，合格，否则，不合格。格，否则，不合格。电极：一种为球形电极；另电极：一种为球形电极；另一种为球盖形电极，电极材一种为球盖形电极，电极材料为黄铜或不锈钢。料为黄铜或不锈钢。球形电极由直径为球形电极由直径为12.5mm13.0mm。电极间距离为电极间距离为2.5mm；球盖形电极直径为球盖形电极直径为36mm，电极间距离也为电极间距离也为2.5mm。标准油杯的器壁为透明的有标准油杯的器壁为透明的有机玻璃机玻璃。二、影响液体电介质击穿电压的因素二、影响液体电介质击穿电压的因素1、杂质、杂质（1）含水量（悬浮态的影响大）含水量（悬浮态的影响大）:含水量增加，明显下降。但

20、当含水量含水量增加，明显下降。但当含水量超过超过0.02%后，多余的水分沉入油低，不再下降。后，多余的水分沉入油低，不再下降。（2）含纤维量）含纤维量:纤维会构成杂质小桥，使纤维会构成杂质小桥，使Ub。 (3)含气量含气量:易局部放电，使油氧化，酸价增大，加速油的老化，使易局部放电，使油氧化，酸价增大，加速油的老化，使Ub。（4）含碳量）含碳量: 碳粒附着在固体介质表面，易产生沿面放电，使碳粒附着在固体介质表面，易产生沿面放电，使Ub2、温度、温度3、电压作用时间、电压作用时间4、电场均匀程度、电场均匀程度5、压力、压力三、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1、提高并

21、保持油品质（减少杂质）、提高并保持油品质（减少杂质）（1）祛气：对油加热）祛气：对油加热,雾化，后抽真空；雾化，后抽真空；（2）过滤：把油压过几层滤纸）过滤：把油压过几层滤纸.把纤维、杂质、水把纤维、杂质、水分、过滤掉；分、过滤掉；（3）防潮：如变压器中的硅胶。）防潮：如变压器中的硅胶。2、采用、采用“油油屏障屏障”式绝缘（阻止杂质小桥的形式绝缘（阻止杂质小桥的形成）成）（1）覆盖层（）覆盖层（2）绝缘层（）绝缘层（3）屏障）屏障覆盖层：只有覆盖层：只有0.几几mm厚的绝缘层（漆膜、黄腊布、漆布），厚的绝缘层（漆膜、黄腊布、漆布），覆盖于电极上。用于不均匀的电场中。覆盖于电极上。用于不均匀的电

22、场中。作用：作用：a阻止杂质小桥；阻止杂质小桥；b减小泄露电流。减小泄露电流。采用覆盖层后，击穿电压可提高采用覆盖层后，击穿电压可提高100%绝缘层：绝缘层可达几十绝缘层：绝缘层可达几十mm厚。包裹于极不均匀电场中曲率厚。包裹于极不均匀电场中曲率半径小的电极上。半径小的电极上。作用：作用：a阻止杂质小桥；阻止杂质小桥；b减少油中最大电场强度；减少油中最大电场强度；c减少泄漏电流。减少泄漏电流。屏障：和电极尺寸差不多。屏障：和电极尺寸差不多。作用：作用：a阻止杂质小桥；阻止杂质小桥；b把间隙分割成小间隙，改善电场分布。把间隙分割成小间隙，改善电场分布。多重屏障多重屏障2-3 固体电介质的击穿固体电介质的击穿一、击穿的形式一、击穿的形式1电击穿电击穿当外加电压升高到一定的程度，初始电子在电场作用下加速运动，当外加电压升高到一定的程度，初始电子在电场作用下加速运动，碰撞游离，产生电子崩，带电质点数目剧增，最终导致介质绝缘性能碰撞游离，产生电子崩，带电质点数目剧增，最终导致介质绝缘性能的丧失。的丧失。主要特点：（主要特点：（1）击穿电压高；）击穿电压高；（2）击穿电压大小与温度无关；）击穿电压大小与温度无关；（3）击穿后介质温升不高。）击穿后介质温升不高。2热击穿热