第二章 液体、固体介质的电气特性-华电科大版

1、高电压技术中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院Page 2第二章 液体、固体介质的电气特性n 各类电介质都有各类电介质都有极化极化、电导电导和和损耗损耗等电气物理现象等电气物理现象n 气体介质的极化、电导和损耗都很微弱，一般均可忽略不气体介质的极化、电导和损耗都很微弱，一般均可忽略不计计n 所以真正需要注意的只有液体和固体介质在这些方面的特所以真正需要注意的只有液体和固体介质在这些方面的特性。性。Page 3第一节电介质的极化、电导和损耗n （1）电介质的极化 电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现

2、象和偶极子的取向现象。这时电荷的偏移大都是在原子或分生弹性位移现象和偶极子的取向现象。这时电荷的偏移大都是在原子或分子的范围内作微观位移，并产生电矩（即偶极矩）。子的范围内作微观位移，并产生电矩（即偶极矩）。 电介质极化的强弱可用电介质极化的强弱可用介电常数介电常数的大小来表示，它与该电介质分子的的大小来表示，它与该电介质分子的极性强弱有关，还受温度外加电场频率等因素的影响。极性强弱有关，还受温度外加电场频率等因素的影响。 具有极性分子的电介质称为具有极性分子的电介质称为极性电介质极性电介质，而由中性分子构成的电介，而由中性分子构成的电介质称为质称为中性电介质中性电介质。前者是即使没有外电场的

3、作用其分子本身也具有。前者是即使没有外电场的作用其分子本身也具有电矩的电介质。电矩的电介质。Page 4介质的介质的相对介电常数相对介电常数0r r 综合反映电介质极化的一个物理量。在综合反映电介质极化的一个物理量。在20时工频电压下气体介质时工频电压下气体介质r 接近于接近于1，液体和固体介质的大多在，液体和固体介质的大多在26之间。之间。 最基本的极化形式有最基本的极化形式有电子式极化电子式极化、离子式极化离子式极化和和偶极子式极化偶极子式极化等三种等三种，另外还有，另外还有夹层介质界面极化夹层介质界面极化和和空间电荷极化空间电荷极化等。等。 现简要介绍如下现简要介绍如下Page 5 在外

4、电场在外电场 的作用下，介质原子中的的作用下，介质原子中的电子运动轨道将相对与原子核发生弹性位电子运动轨道将相对与原子核发生弹性位移，如右图。正负电荷作用中心不再重合移，如右图。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩。这种极化称为而出现感应偶极矩。这种极化称为电子式电子式极化或电子位移极化极化或电子位移极化。E 电子式极化存在于一切电介质中，它有两个特点：电子式极化存在于一切电介质中，它有两个特点： 完成极化所需的时间极短约完成极化所需的时间极短约10-15 s ，故其，故其r 不受外电场不受外电场频率影响；频率影响；(在所有的极化类型中，电子式极化时间最短在所有的极化类型中，电子式极化时间

5、最短) 它是一种弹性位移，一旦外电场消失，正负电荷作用中它是一种弹性位移，一旦外电场消失，正负电荷作用中心立即重合，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，心立即重合，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使电介质发热。不会使电介质发热。温度对这种极化影响不大温度对这种极化影响不大，只是在温度升，只是在温度升高时，电介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起高时，电介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起r 稍稍有减小。有减小。（一）电子式极化Page 6 （二）离子式极化 固体化合物大多数属离子式结构固体化合物大多数属离子式结构，如云母、陶瓷等。无外，如云母、陶瓷等。无外电场时，

6、各个离子对的偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零。出电场时，各个离子对的偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零。出现外电场后正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩现外电场后正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈极化，这就是不再为零，介质呈极化，这就是离子式极化离子式极化或称或称离子位移极化离子位移极化 在离子间束缚较强的情况下离子的相对位移是有限的，没在离子间束缚较强的情况下离子的相对位移是有限的，没有离开晶格，外电场消失后立即还原，所以它也属于弹性位移有离开晶格，外电场消失后立即还原，所以它也属于弹性位移极化，几乎不引起损耗。所需时间很短，约极化，几乎不引起损耗。所需时间很短，

7、约10-13 s，所以其，所以其r 也几乎与外电场的频率无关。也几乎与外电场的频率无关。 温度对离子式极化有两种相反的影响，即离子间的结合力温度对离子式极化有两种相反的影响，即离子间的结合力会随着温度会随着温度 的升高而减小，从而使极化程度增强；另一方面，的升高而减小，从而使极化程度增强；另一方面，离子的密度将随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前离子的密度将随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大一些，所以其一种影响较大一些，所以其r 一般具有正的温度系数。一般具有正的温度系数。Page 7 有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不有些电介质具有固有的电矩，即正、

8、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质极性电介质，例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。 每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介质对外并不表现出极性矩等于零，整个介质对外并不表现出极性出现外电场后偶极子沿出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有电场方向转动，作较有规则的排列，规则的排列，

9、因而显出因而显出极性，这种极化称为偶极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。极子极化或转向极化。UU电极电极电介质电介质E（三）偶极子极化Page 8 它是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极它是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需时间也较长在化所需时间也较长在10-1010-2 s范围内。范围内。 由此可知，极性电介质的由此可知，极性电介质的r 与电源频率有较大的关与电源频率有较大的关系，频率太高时偶极子将来不及转动，因而其系，频率太高时偶极子将来不及转动，因而其r 值变小。值变小。 温度对极性电介质温度对极性电介质r 值也有很大的影响。因为温度值也有很大的影响。因为温度较低时

10、分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以较低时分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以r 很小。很小。温度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，温度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱。所以液体固体的使极化减弱。所以液体固体的r 在低温下先随温度的升高在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变的较强烈时，而增大，以后当热运动变的较强烈时，r 又开始随温度的又开始随温度的上升而减小。上升而减小。Page 9 为便于比较，将上述各种极化列为下表为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15 s无束缚电子运行轨道偏移

11、离子式极化离子式结构电介质10-13 s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-1010-2 s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1 s数小时有自由电荷的移动Page 10 任何电介质都不同程度地具有一定的导电性，只不过其电任何电介质都不同程度地具有一定的导电性，只不过其电导率很小而已，导率很小而已， 表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率 或其倒数或其倒数电阻率电阻率 。 按载流子的不同，电介质的电导可分为两种：按载流子的不同，电介质的电导可分为两种： 离子电导：离子电导：在电场或外界因素影响下，电介质本身会产生在电场或外界因素

12、影响下，电介质本身会产生电离，电介质中的正负离子沿电场方向移动，形成电导电流电离，电介质中的正负离子沿电场方向移动，形成电导电流 电子电导电子电导：电介质中的自由电子是在高电场作用下，离子：电介质中的自由电子是在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电离激发出来的，这些电子在电场作用下移与电介质分子碰撞电离激发出来的，这些电子在电场作用下移动形成电子电导电流（此时表明电介质已被击穿）动形成电子电导电流（此时表明电介质已被击穿） 前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。在正前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。在正常情况下，电介质的电导主要是离子电导，这同金属导体的电常情况下，电介质的

13、电导主要是离子电导，这同金属导体的电导主要依靠自由电子有本质的区别。导主要依靠自由电子有本质的区别。二、电介质的电导Page 11n 理论与实践都已证明：液体和固体的介质电导率与温度间有以下关系:n 即=Ae-/KTn A为常数，与介质性质有关；T为绝对温度，单位为K；n 为导电率的活性化能量对矿物油、硅油，=0.41eV；n k为波尔兹曼常数由以上分析得出：在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须记录环境温度，以便对测量结果进行分析Page 12二、电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有） 在直流电压的作用在直流电压的作用 下，电介质中没有周期性的极化过程，下，电介质中没有

14、周期性的极化过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质中的损耗将只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导所引起，所以用体积电导和表面电导率两个物理量就仅由电导所引起，所以用体积电导和表面电导率两个物理量就已能充分说明问题，不必在引入介质损耗这个概念了。已能充分说明问题，不必在引入介质损耗这个概念了。 （一）电介质损耗的基本概念（一）电介质损耗的基本概念 在在 交流电压下，流过电介质的电流交流电压下，流过电介质的电流 包含有功分量包含有功分量 和和无功分量无功分量 ，即，即IRICICRIIIPage 13UUICRIIIRICIRCPRICIUI 在下图中画出了此

15、时的电压、电流相量图，可以看出，此在下图中画出了此时的电压、电流相量图，可以看出，此时的介质功率损耗时的介质功率损耗 P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg (2-2)式中式中 电源角频率；电源角频率； 功率因数角；功率因数角； 介质损耗角。介质损耗角。 介质损耗角介质损耗角 为功率因数角为功率因数角 的余角，其正切的余角，其正切 tg 又可称又可称为介质损耗因数，常用百分数（为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。）来表示。Page 14n 讨论介质损耗的意义：讨论介质损耗的意义：n 1.在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的在进行绝缘结构设计时，必须

16、注意绝缘材料的tg值，如果过大而值，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。较小的材料。n 2.当绝缘受潮或恶化时，当绝缘受潮或恶化时，tg会急剧增大，因此经常监测会急剧增大，因此经常监测tg值并进行值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。n 3.通过测量通过测量tgU的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。n 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

17、热来加速干燥过程。加速干燥过程。 Page 15 第二节 液体介质的击穿 目前最常用的液体介质主要是矿物绝缘油，它广泛用于变压器、目前最常用的液体介质主要是矿物绝缘油，它广泛用于变压器、断路器、套管、电缆及电容器等设备中，分别称为变压器油、电缆断路器、套管、电缆及电容器等设备中，分别称为变压器油、电缆油和电容器油油和电容器油 液体介质在强电场（高电压）作用下，将出现由介质转变为液体介质在强电场（高电压）作用下，将出现由介质转变为导体的击穿过程导体的击穿过程Page 16 一、纯净液体介质的击穿理论一、纯净液体介质的击穿理论 关于纯净液体介质的击穿机理有各种理论，主要可分为两关于纯净液体介质的击

18、穿机理有各种理论，主要可分为两大类，即电子碰撞电离理论和气泡击穿理论，前者亦称电击穿大类，即电子碰撞电离理论和气泡击穿理论，前者亦称电击穿理论。理论。 （一）电子碰撞电离理论（一）电子碰撞电离理论 当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射的电子将被电当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射的电子将被电场加速而具有足够的动能，在碰撞液体分子是可引起电离，使场加速而具有足够的动能，在碰撞液体分子是可引起电离，使电子数加倍，形成电子崩。与此同时由碰撞电离产生的正离子电子数加倍，形成电子崩。与此同时由碰撞电离产生的正离子将在阴极附近集结词性成空间电荷层，增强了阴极附近的电场将在阴极附近集结词性成空间电荷层

19、，增强了阴极附近的电场，使阴极发生的电子数增多；当外加电压增大到一定程度时，使阴极发生的电子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流会急剧增大，从而导致液体介质的击穿。电子崩电流会急剧增大，从而导致液体介质的击穿。Page 17 纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中 、 的作用有些相似。但纯净液体的击穿场强要比气体介质高的作用有些相似。但纯净液体的击穿场强要比气体介质高得多（约高一个数量级）。得多（约高一个数量级）。 由电击穿理论知由电击穿理论知 ：纯净液体的密度增加时，击穿场强会：纯净液体的密度增加时，击穿场强会增大；温度升高时液

20、体膨胀击穿场强会下降；由于电子崩的增大；温度升高时液体膨胀击穿场强会下降；由于电子崩的产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于共频击穿场强（冲击系数共频击穿场强（冲击系数 1)。Page 18 在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 r 成成反比的。由于气泡的反比的。由于气泡的r 最小（最小（1），其电气强度又比液体介），其电气强度又比液体介质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离

21、后温度上升、体质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离近一步发展。电离产生的带积膨胀、密度减小，这促使电离近一步发展。电离产生的带电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可。如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。能在此通道中发生。 如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆的压力，就可使其击穿场强有所提高。因

22、此在高压充油电缆中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强 （二）气泡击穿理论Page 19第三节 固体介质的击穿一、概述一、概述（1）气体、固体、液体三种电介质中，固体的密度最大，耐电强）气体、固体、液体三种电介质中，固体的密度最大，耐电强度最高度最高 空气的耐电强度一般在空气的耐电强度一般在34kV/mm 液体的耐电强度一般在液体的耐电强度一般在1020kV/mm 固体的耐电强度一般在十几固体的耐电强度一般在十几几百几百kV/mm（2）固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是）固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一唯一不可恢复的不可恢复的绝缘，属绝缘，属非自

23、恢复绝缘非自恢复绝缘（3）实验研究表明：固体介质击穿场强与电压作用时间有关外，）实验研究表明：固体介质击穿场强与电压作用时间有关外，主要由介质本身的微观结构，几何形状，电场均匀化程度，外加主要由介质本身的微观结构，几何形状，电场均匀化程度，外加电压波形以及环境温度共同确定。因此，它不具备度量绝缘材料电压波形以及环境温度共同确定。因此，它不具备度量绝缘材料的材料常数的意义，而只具有比较参考的意义。的材料常数的意义，而只具有比较参考的意义。（4）固体介质的击穿与电压作用时间有很大关系，并且随着电压）固体介质的击穿与电压作用时间有很大关系，并且随着电压作用时间的不同，有作用时间的不同，有电击穿、热击

24、穿、电化学击穿电击穿、热击穿、电化学击穿三种不同的形三种不同的形式式Page 20固体介质的击穿场强与电压作用时间的关系固体介质的击穿场强与电压作用时间的关系Page 21 二、固体介质的击穿理论二、固体介质的击穿理论 （一）电击穿理论（一）电击穿理论 固体介质的固体介质的电击穿电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。破坏并丧失绝缘性能的现象。 纯电击穿理论纯电击穿理论 从绝缘材料内有自由移动的电子这一前提出发，在直流从绝缘材料内有自由移动的电子这一前提出发，在直流电压作用下，来自固体介质阴极区的自由电子得到加速，在其电压作用下，来自

25、固体介质阴极区的自由电子得到加速，在其向阳极行进的途中发生多次碰撞，同时产生一些新的自由电子向阳极行进的途中发生多次碰撞，同时产生一些新的自由电子，这些二次电子又参与随后的电离过程，引起电子崩；而碰撞，这些二次电子又参与随后的电离过程，引起电子崩；而碰撞产生的正离子，在到达阴极前形成正的空间电荷，它使至阴极产生的正离子，在到达阴极前形成正的空间电荷，它使至阴极区的场强明显提高，碰撞电离越来越强，必将加速击穿过程区的场强明显提高，碰撞电离越来越强，必将加速击穿过程Page 22 集体电子击穿理论集体电子击穿理论 固体介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子），固体介质中存在少量处于导电能级的电

26、子（传导电子），它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子）它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子）不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩，）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩，破坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。破坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。 空间电荷理论空间电荷理论 在某些绝缘材料内发生击穿是空

27、间电荷的作用增强的结果在某些绝缘材料内发生击穿是空间电荷的作用增强的结果。前提是一些导电性很弱的如高聚合物绝缘材料具有使载流子。前提是一些导电性很弱的如高聚合物绝缘材料具有使载流子长期贮存于其内的能力。长期贮存于其内的能力。Page 23 杂介质电导（或介质损耗）很小，又有良好的散热条件以杂介质电导（或介质损耗）很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿电击穿，其击穿场强一般可达，其击穿场强一般可达105106kV/m，比热击穿时的击，比热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为穿场强高很多，后者仅为10

28、3104kV/m，而作用时间却短得多，而作用时间却短得多 电击穿的主要特征为：电击穿的主要特征为： 击穿电压几乎与周围环境温度无关击穿电压几乎与周围环境温度无关 除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关系不大；系不大； 介质发热不显著；介质发热不显著； 电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。Page 24 热击穿热击穿是由于固体介质是由于固体介质内热不稳定内热不稳定过程造成的。过程造成的。 当固体介质长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发当固体介质长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时

29、也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件热，与此同时也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散热将在一定条件下达到平衡。好，发热与散热将在一定条件下达到平衡。 固体介质处于热稳定状态，介质温度不会不断上升而导致固体介质处于热稳定状态，介质温度不会不断上升而导致绝缘的破坏绝缘的破坏。 发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而发生热击穿化、碳化或烧焦，从而发生热击穿。（二）热击穿理论Page 25如图所示，在三个电压下(U1U2U3)有发热曲线1、2、3，4为散热曲线。 Page 26曲线1，Q1Q2，介

30、质一定击穿；曲线2，与散热曲线4交于k点，它是不稳定的平衡点，ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。 曲线3和曲线4有a、b两个交点，a为稳定的热平衡点，b为不稳定的热平衡点， ttb 时，介质发生击穿。Page 27结论：结论： （1）热击穿电压会随周围媒质温度）热击穿电压会随周围媒质温度 t0 的上升而下降的上升而下降 （2）热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越）热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿大，介质中心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿场强随厚度的增大而降低。场强随厚度的增大而降低。 （3）如果介质的导热

31、系数大，散热系数也大，则热击穿）如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升。电压上升。Page 28 固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，是绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿的部放电等原因，是绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为现象称为电化学击穿电化学击穿。在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温。在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成，也可以因劣化后电气强度下降而度过高而以热击穿形式完成，也可以因劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。以电击穿形式完成。（三）电化学击穿电老化的类型

32、：电离性老化、电导性老化和电解性老化。电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。 局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下降的主要原因为：的主要原因为： 1) 1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀；产生活性气体对介质氧化、腐蚀； 2) 2)温升使局部介质损耗增加；温升使局部介质损耗增加； 3) 3)切断分子结构，导致介质破坏。切断分子结构，导致介质破坏。Page 29Tree-like树枝状树枝状Bush-like灌木丛状灌木丛状ch

33、estnut-like栗子状栗子状树枝老化的一般形状树枝老化的一般形状Page 30电离性放电：这通常发生在有机绝缘材料的场合。当有机绝电离性放电：这通常发生在有机绝缘材料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝化放电劣化。枝化放电劣化。Page 31电导性老化：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质电导性老

34、化：在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质( (例如水例如水) )，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝水树枝”。（图（图2-172-17）Page 32n电压作用时间：电压作用时间：很短电击穿；较长热击穿、电热联合；很长时间电化学击穿。n电场均匀程度：电场均匀程度：均匀电场击穿电压与厚度成正比；不均匀电场中出现热击穿后厚度的增加击穿电压增加不大。n温度：温度：环境温度越高，散热越差，热击穿电压越低。n电压种类：电压种类：冲击击穿电压远大于工频击

35、穿电压。n累积效应：累积效应：局部损伤积累。n受潮：受潮：易受潮的极性介质受潮后击穿电压大幅降低。n机械负荷（累积效应）：机械负荷（累积效应）：出现微观裂缝后击穿电压显著下降。三、影响固体介质击穿电压主要因素Page 33 对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理物理化学性能，单一品种的电介质往往难以同时满足这些化学性能，单一品种的电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际的绝缘结构一般由多种电介质组合而成。要求，所以实际的绝缘结构一

36、般由多种电介质组合而成。 第四节 组合绝缘的电气强度Page 34 一、介质的组合原则 不同介电常数的介质组合在一起构成组合绝缘，组合绝缘不同介电常数的介质组合在一起构成组合绝缘，组合绝缘的电气强度不仅取决于所用介质的电气特性，而且还与介质的的电气强度不仅取决于所用介质的电气特性，而且还与介质的互相配合有关。互相配合有关。 组合绝缘组合绝缘常见的形式常见的形式是由多种介质构成的层状绝缘是由多种介质构成的层状绝缘(层叠绝层叠绝缘缘)。 各层各层最理想的分配原则最理想的分配原则是：使组合绝缘中各层绝缘所受的是：使组合绝缘中各层绝缘所受的电场强度与其电气强度成正比。因为此时，整个组合绝缘的电电场强度

37、与其电气强度成正比。因为此时，整个组合绝缘的电气强度最高，每层绝缘材料得到了最充分、合理地利用。气强度最高，每层绝缘材料得到了最充分、合理地利用。Page 35 各层绝缘所承受的电压各层绝缘所承受的电压与绝缘材料的特性和作用电压的与绝缘材料的特性和作用电压的类型有关。类型有关。 在直流电压下：在直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，即和电导率成反比，即和电导率成反比,所以应该把所以应该把电气强度高、电导率大电气强度高、电导率大的材的材料用在料用在电场最强电场最强的地方。的地方。 在工频交流和冲击电压的作用下：在工频交流和冲击电压的作用下：各层所分

38、担的电压与各各层所分担的电压与各层的电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反层的电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比比，所以应该把所以应该把电气强度高、介电常数大电气强度高、介电常数大的材料用在的材料用在电场最电场最强强的地方。的地方。Page 36 在组合绝缘中，同时在组合绝缘中，同时采用多种电介质，在需采用多种电介质，在需要对这一类绝缘结构中要对这一类绝缘结构中的电场作定性分析时，的电场作定性分析时，常常采用最简单的均匀常常采用最简单的均匀电场双层介质模型，如电场双层介质模型，如右图。在此模型中，最右图。在此模型中，最基本的关系式为基本的关系式为 二、组合绝缘中的电场

39、 1、均匀电场双层介质模型、均匀电场双层介质模型2E2 1E1Udd1d2 1 E1 = 2 E2 U = E1 d1+E2 d2 Page 37221111ddUE 由此可得由此可得221122ddUE 1 和和 E1 分别为油的介电常数和油中电场强度，分别为油的介电常数和油中电场强度，2E2 分别分别为屏障的介电常数和屏障中的电场强度，即可知为屏障的介电常数和屏障中的电场强度，即可知 1 E2 。上面第一个式子可改写成上面第一个式子可改写成212221ddUEPage 38).().(.22112211112211332211nnnnnnnnnndddUEdddUEdEdEdEUEEEE由

40、上式可知，当外加电压由上式可知，当外加电压U和极间距离不变的条件下，增和极间距离不变的条件下，增大大i，Ei下降，但对于其余介质的下降，但对于其余介质的E有不同程度增大的趋势有不同程度增大的趋势Page 39 超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最大电场强度。一般采用分阶结构，以减小缆芯附近的最大电场强度。 2、介质界面是电缆芯线的同心圆筒的情况 分阶绝缘分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘 分阶原则分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常

41、数越大的是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。材料，以达到电场均匀化的目的。 先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。如果先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。如果施加交流电压施加交流电压U ，则其绝缘层中距电缆轴心，则其绝缘层中距电缆轴心 r 处的电场处的电场E可由可由下式求得下式求得0lnrRrUE 式中式中 r0、 R 分别为电缆芯线的半径和外电极（金属护套）的分别为电缆芯线的半径和外电极（金属护套）的半径。半径。Page 40 对于单相圆芯均匀介质电缆而言，绝缘层中最大电场强对于单相圆芯均匀介质电缆而言，绝缘层中最大电场强度度Emax 位于芯

42、线的表面上位于芯线的表面上00maxlnrRrUE 而最小电场强度而最小电场强度Emin 位于绝缘层的外表面（位于绝缘层的外表面（r=R）。此时）。此时的平均电场强度的平均电场强度Eav 应为应为0rRUEav 绝缘中平均场强与最大场强之比成为该绝缘的利用系数绝缘中平均场强与最大场强之比成为该绝缘的利用系数，则此时，则此时000maxlnrRrRrEEav 值越大，则电场分布越均匀，亦值越大，则电场分布越均匀，亦即绝缘材料利用的越充分。即绝缘材料利用的越充分。平板电容器的平板电容器的 值可视为值可视为1。Page 41第五节 绝缘的老化n 老化：电气设备的绝缘在运行过程中，由于受到各种因素老化

43、：电气设备的绝缘在运行过程中，由于受到各种因素的长期作用，会发生一系列的长期作用，会发生一系列不可逆不可逆的变化，从而导致其物的变化，从而导致其物理、化学、电和机械等性能的劣化理、化学、电和机械等性能的劣化n 老化的原因有哪些？ n 热、电、机械力、水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。n 最主要的是电老化、热老化、机械应力老化和综合性的环最主要的是电老化、热老化、机械应力老化和综合性的环境老化境老化 电老化电老化局部放电老化局部放电老化 热老化热老化热作用下的氧化热作用下的氧化 环境老化环境老化污染性化学老化污染性化学老化Page 42n （一）电介质的电老化n 电老化：在外加高电压或强电场作用下发生的老化。n 主要原因：局部放电局部放电Page 43