第二章固液体电解质的绝缘特性

第二章固液体电解质的绝缘特性第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第一节电介质的极化、电导和损耗

一、电介质的极化1．极化的概念与电介质的相对介电系数极化是电介质（气体、液体、固体绝缘介质）在电场作用（加上电压后）下发生物理过程的一种。虽此物理过程在介质内部进行，但我们可以通过此物理过程的外观表现来证实极化过程的存在。如图2－1所示的两个平行平板电容器，结构尺寸完全相同，一个电容器放在密闭容器内将极间抽成真空，如图2－1（a），而另一个电容器则把一块固体电介质（厚度与极间距离相等）放在极板之间，如图2－1（b）。在两电容器极板上施加相同的直流电压U，这时真空电容器极板上积聚有正、负电荷，其电荷量为Q0。而固体电介质电容器施加同样的电压，就会发现极板上的电荷量增加到Q0+Q'。这是由介质极化现象所造成的第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四图2－1电介质极化示意图平行平板电容器在真空中的电容量为：式中A——极板面积，cm2；

d——极间距离，cm；

——真空的介电常数，法/厘米第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四极板间插入固体电介质后，电容量增为

式中——介质的介电常数。固体电介质电容器的电容量与真空时的电容量之比为：εr称为电介质的相对介电常数，它是表示电介质在电场作用下极化程度的物理量。其物理意义表示极板间放入电介质后电容量（或电荷量）比极板间为真空时增大的倍数。气体介质由于其密度很小，单位体积内所含分子的数量很少，所以对于气体无论它属非极性介质还是极性介质，介电常数都很小，在工程应用中可取εr≈1。液体介质有非极性、极性和强极性之分，非极性液体介质的εr在1.8～2.5之间，例如变压器油等；极性液体介质的εr在3～6之间，例如蓖麻油、氯化联苯等；强极性液体介质的εr>10，

第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四固体介质分为非极性或弱极性介质、极性介质和离子性介质，其εr在2～10之间。非极性或弱极性介质如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；极性介质如酚醛树脂、聚氯乙稀等；离子性介质如云母、陶瓷等。2．极化的基本形式根据电介质的物质结构，极化的基本形式有电子式极化、离子式极化、偶极子式极化、夹层式极化、空间电荷极化等。（1）电子式极化在外电场的作用下，物质原子中电子的运动轨道相对于原子核产生了位移，使原子中正、负电荷的作用中心不再重合，这种由电子位移所形成的极化叫做电子式极化。极化强度与正、负电荷作用中心的距离d成正比，且随外电场的增强而增大。电子式极化存在于一切气体、液体和固体介质中。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四电子式极化的特点：①因电子质量极小，所以极化形成所需的时间极短，约为9-15s。极化在各种频率的外电场作用下均能产生，εr不随外加电压频率的变化而变化。②极化具有弹性，当外电场去掉后，由于正、负电荷的相互吸引力，作用中心立即重合使整个介质呈现非极性，所以极化过程没有能量损耗。③温度对极化影响不大，温度升高时介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起εr略为下降。所以εr具有不大的负温度系数。（2）离子式极化第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四离子式极化的特点：①极化过程所需时间也很短，约为9-13s，所以εr也不随外加电压频率的变化而变化。②极化也属弹性极化，所以极化过程几乎没有能量损耗。③温度对极化有影响，温度升高时离子间结合力减弱，使极化程度增强，但同时离子的密度减小，使极化程度降低。通常前者影响较大，所以εr一般具有正温度系数。（3）偶极子式极化第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四偶极子式极化的特点：①极化过程所需时间较长，约为9-10～9-2s，极化与频率有关,εr随外加电压频率的增加而减小，因为频率很高时偶极子转向跟不上电场方向的改变，因而极化减弱。②极化是非弹性极化，极化过程有能量损耗。因为偶极子在转向时要克服分子间的吸引力和摩擦力，消耗能量。③温度对极化有很大影响。εr先随温度升高而增大，当温度达到一定值后，εr又随温度升高而减小。温度较低时，分子间联系紧密，偶极子转向困难，极化很弱；温度升高，使极化增强；温度再升高时，分子热运动加剧，妨碍偶极子沿电场方向取向，又使极化减弱。如图2－5所示。夹层式极化第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四夹层式极化的特点：①极化过程极其缓慢，从数秒到数十分钟甚至数小时。②极化过程有能量损耗。③在夹层界面上产生电荷堆积，使等值电容增大。（5）空间电荷极化电介质中的正、负自由离子在电场作用下移动，积聚在电极附近的介质界面上，形成空间电荷，这个过程叫做空间电荷极化。空间电荷极化的特点：①极化进行得很缓慢。②极化过程需要消耗能量。③极化在频率较低的电场中存在，高频下空间电荷来不及移动，因而没有这种极化现象研究电介质极化特性的意义（1）在制作电容器时，对于其中的绝缘材料，在保证一定绝缘强度的情况下，选取εr大的材料作为电容器的介质，这样可使电容器单位电容量的体积和重量减小。（2）对于其它电气设备，应选择εr小的材料作为绝缘介质，例如选用εr小的材料作为交流电力电缆的绝缘可减小电缆工作时的充电电流以及极化引起的发热损耗。多种电介质组成复合绝缘时，各个电介质承受的电场强度与它们的εr成反比，这种情况下要注意各绝缘介质εr值的配合，使电场强度尽量均匀分布。第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四二、电介质的电导电介质的基本功能是绝缘，将不同电位的导体隔开。理想的绝缘是不导电的，但这种“不导电”并非绝对不导电，而只是导电性很差。在电介质内部或多或少存在带电粒子，它们在电场作用下会不同程度地作定向移动而形成电流，这就是电介质的电导。电介质的电导可分为离子电导和电子电导。正、负离子沿电场方向移动，形成电导电流，这就是离子电导。自由电子在电场作用下移动形成电导电流，这就是电子电导。一般电介质的电导主要是离子电导。与导体的电导过程相比，电介质的电导过程中所流过的电导电流非常小。表征电导大小的物理量是电导率γ，它是电阻率ρ的倒数。电介质电导的特性如下：（1）电介质导电的本质与导体截然不同，导体导电依靠自由电子，而电介质导电的载流子主要是离子。（2）电介质电导受温度的影响与导体完全相反，温度升高，电介质中的离子热运动剧烈，在电场作用下作定向运动的离子数量和速度增加，电导增大，所以电介质的电导率随温度上升而增大，且按指数规律增大。而导体的情况则相反。第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四1．吸收现象在一个固体电介质上加直流电压U，观察流过电介质电流的变化。当开关K合上后，可以观察到回路中流过一个微小的电流i，它随时间逐渐衰减，最后达到某个稳定值，这个现象称为吸收现象。流过电介质的电流i由三个分量组成，如图2－7所示：图2－7电介质中的电流和时间的关系图2－6测量电介质电流的电路第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四其中，ic为电容电流，它存在的时间极短，很快衰减到零；ia是由夹层极化、偶极子极化等极化过程产生的电流，称为吸收电流，它随时间衰减较缓慢；ig是由电介质中的离子在电场作用下定向移动所形成的电流，称为电导电流或泄漏电流，它是一个恒定分量，不随时间变化，数值非常小，为微安级。2．绝缘电阻电介质中流过的泄漏电流所对应的电阻称为介质的绝缘电阻。

绝缘电阻随时间变化的曲线第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四良好的电介质中流过的泄漏电流非常小，因此绝缘电阻数值很大，为兆欧级。绝缘电阻与绝缘介质的电阻率、尺寸大小、温度等因素有关，它有以下特点：（1）绝缘电阻有负的温度系数，因为温度高，电导增大，所以绝缘电阻下降。（2）绝缘电阻随外加电压的上升而下降，因为电压升高，电介质的电离程度增大，电导增大。（3）绝缘电阻随加压时间的增长而增大，加压后的初始阶段，存在极化过程，此时电流较大，绝缘电阻较小，经过一定时间，极化过程结束，仅存在电导过程，此时流过介质的电流为微小的泄漏电流，绝缘电阻相应增大。第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四三、电介质的损耗

极化损耗主要是指由极性介质中的偶极子极化和复合介质中的夹层式极化引起的损耗。在直流电压下，由于极化过程仅在电压施加后初始的很短时间内存在，而没有周期性的极化过程，因此在直流电压下可以认为不存在极化损耗；在交流电压下，由于电介质随交流电压极性的周期性改变而作周期性的正向极化和反向极化，极化过程始终存在于整个加压过程中，因此就要引起能量损耗。极化损耗仅在交流电压下存在。电导损耗是指在电场作用下由泄漏电流引起的能量损耗，由于泄漏电流与电压的频率无关，因此电导损耗在直流电压和交流电压下都存在。归纳起来，直流电压仅存在电导损耗而无极化损耗。这时用电导率或电阻率已能表征介质的损耗特性。所以直流电压下不需要再引入介质损耗的概念。而在交流电压下，既有极化损耗又有电导损耗，就需要引入介质损耗这一概念及相关的物理量来描述电介质的损耗特性。第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四1．介质损耗角正切tgδ

图：电介质的等值电路

电介质两端施加交流电压U时，由于介质中有极化损耗和电导损耗，所以电流不是纯粹的电容电流而是由三个分量组成：—电容电流，—极化电流，—泄漏电流。第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四流过电介质的电流可进一步简化成包含有功和无功两个分量和等值电路也可进一步简化成如图2－10所示的形式。向量图如图2－11所示。图2－10简化等值电路图2－11向量图第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四由向量图很容易看出：

介质损耗功率为：可见介质损耗功率P与外加电压U的平方成正比，与电源频率ω成正比，与电容C成正比，与介质损耗角的正切tgδ成正比。用介质损耗功率P表示电介质品质优劣很不方便，因为P值与试验电压、试品尺寸等因数有关，不同试品间难以比较，而介质损耗角正切是仅取决于材料的特性、与材料尺寸无关的物理量。

第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四2．影响tgδ的主要因素影响tgδ的主要因素有：（1）温度中性介质和弱极性介质的损耗主要由电导引起，所以温度对tgδ的影响与温度对电导的影响相似，即随温度的升高按指数规律增大。极性介质中具有极化和电导两种损耗，所以损耗与温度的关系较为复杂，如图2－12所示。当温度t<t1时，由于温度较低，电导损耗和极化损耗都很小；随着温度升高，极化增强，极化损耗显著增加，同时电导损耗也随温度的升高而增加，因此tgδ随温度升高而增大，直到t=t1时达到最大值当t1<t<t2时，由于温度已不太低，分子热运动加快，妨碍偶极子沿电场方向作有规则的排列，极化程度减弱，极化损耗减小，在这一范围内极化损耗减小的程度大于电导损耗随温度升高而增大的程度，所以总体上tgδ随温度升高而减小，在t=t2时出现最小值；当t>t2时，由于温度已很高，电导损耗的程度大于极化损耗占主导地位，电导损耗随温度升高而急剧增大，所以tgδ随温度升高而增大。第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四图2－12tgδ和温度的关系图2－13tgδ和频率的关系（2）频率当频率不太高时，随频率升高，偶极子转向加快，极化程度增强，介质损耗增大，所以tgδ随频率升高而增大；当频率超过某一值ω0，由于偶极子质量的惯性及相互间的摩擦作用，使其来不及随电压极性的改变而转向，因而极化程度减弱，极化损耗减小，所以tgδ随频率升高而减小。如图2－13所示。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（3）外加电压当外加电压不太高时，介质中的损耗仅为极化损耗和电导损耗，损耗程度稳定，tgδ变化不大；当外加电压超过某一值U0，介质内部存在的绝缘弱点或气泡将发生局部放电。放电时产生带电粒子需要电离能，放电时出现的光、声、热化学效应等也要消耗能量，这种由局部放电造成的损耗称为电离损耗，由于电离损耗的加入，整个介质的损耗程度加大，tgδ迅速增大，如图2－14所示：图2－14tgδ和电压的关系第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第二节固体电介质的击穿

一、固体电介质的击穿形式（1）热击穿理论电介质的热击穿是由介质内部的热不平衡过程所造成的。当固体电介质承受电压作用时，介质中流过电导电流，且产生介质极化，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。电击穿的特点是：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切关系，与电压作用时间关系很小。热击穿的特点是：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。（2）电击穿理论固体电介质的电击穿过程与气体放电中的汤逊理论及液体的电击穿理论相似，是以考虑在固体电介质中发生碰撞电离为基础的，不考虑由边缘效应、介质劣化等原因引起的击穿。第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（3）电化学击穿理论固体电介质受到电、热、化学和机械力的长期作用，击穿电压会逐渐下降，这是由于长期施加电压，绝缘性能及其它性能下降，引起介质劣化的结果。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，而是在较低电压下甚至是工作电压下发生。二、影响固体电介质击穿电压的因素影响固体电介质击穿电压的因素主要有：（1）电压作用时间若电压作用时间较长时发生击穿，则热击穿往往起决定作用；若电压作用时间很长且在工作电压下时发生击穿，则大多数属于电化学击穿，电压作用时间越长，击穿电压越低。

第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四图2－15击穿电压与电压作用时间的关系第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（2）温度温度越高，散热条件越差，击穿电压越低，此时属于热击穿。t0℃称为转折温度。图2－16击穿电压与温度的关系第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（3）电场均匀程度在均匀电中，固体电介质的击穿电压较高，而且击穿电压随介质厚度的增加呈线性关系上升；在不均匀电场中，随着介质厚度的增加，电场的不均匀程度也增加，击穿电压不随介质厚度的增加呈线性上升，因为厚度增加，散热条件变差，可能会出现热击穿，因此介质厚度达到一定程度后，厚度再增加对提高击穿电压意义不大。图2－17击穿电压与介质厚度的关系第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（4）电压的种类直流电压作用下的击穿电压高于工频交流电压下的击穿电压，因为直流电压下介质的损耗仅为电导损耗，而工频交流电压下还存在极化损耗；工频交流击穿电压高于高频交流击穿电压，因为极化损耗随频率升高而增大；冲击击穿电压高于工频交流击穿电压，因为冲击电压作用时间短。（5）累积效应固体电介质在冲击电压作用下，有时外加电压已较高，虽未形成贯穿性的击穿通道，但已形成了局部损伤或局部击穿。（6）受潮受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低，这是因电导率和介质损耗大大增加的缘故。容易吸潮的极性介质。受潮后击穿电压仅下降一半左右；（7）机械负荷当材料出现开裂或微观裂缝时，击穿电压将显著下降。提高固体电介质击穿电压可以从以下方面考虑：①改进制造工艺：清除杂质、气泡、水分，使介质均匀致密。②改进绝缘设计：采用合理的结构，使绝缘的耐受强度与承受强度相配合；改进电极形状，使电场分布尽可能均匀。③改善工作条件：采取措施防潮、防污、防有害气体侵蚀，加强散热冷却。第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第三节液体电介质的击穿

一、纯净液体介质的击穿理论（1）电击穿理论对于纯净的液体电介质，在电场作用下，阴极上由于强电场发射或热发射出来的电子被加速，碰撞液体分子，使液体分子产生碰撞电离，形成电子崩。电流急剧增大而导致液体击穿。如果液体中含有气泡，气体的介电常数小于液体的介电常数，在交流电场作用下，气泡中的场强与液体介质中的场强按各自的介电常数成反比分配，气泡中场强较高，且气泡的击穿场强低，因此气体中首先发生放电，放电产生的带电粒子撞击液体分子，使液体介质分解，又产生气体，使气泡数量增多，逐渐形成易发生放电的气泡通道，并逐步贯穿两极，形成“小桥”，最后导致击穿在此通道中发生。（2）气泡击穿理论（小桥理论）工程实际中使用的液体电介质不可能是纯净的，不可避免地混入气体（即气泡）、水分、纤维等杂质，这些杂质极易在电极间构成放电通道，导致介质击穿。第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四二、影响液体电介质击穿电压的主要因素影响液体电介质击穿电压的主要因素有：（1）液体电介质的自身品质液体电介质的品质取决于所含杂质的多少，含杂质越多，品质越差，击穿电压越低。当液体电介质中气体和水分含量很小时，气体和水分以融解状态存在，对击穿电压影响不大。如果气体含量增大，出现自由状态的气体，将易形成气泡“小桥”，此时击穿电压随气体含量增加而下降。图2－19击穿电压与含水量的关系第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（2）温度击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介质的品质、电场的均匀程度、电压形式的不同而不同。以变压器油为例，干燥的变压器油，击穿电压随温度升高而降低；对于受潮的变压器油，当温度在－5℃以下时，由于温度很低，油很稠，小桥排列困难，因此温度越低，击穿电压越高；在0～60℃范围内，由于油中的悬浮状态的水分随温度升高转变为融解状态，击穿电压随温度升高而升高，并在温度较高时击穿电压出现最大值，温度更高时，油中所含水分开始气化，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系第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（3）电压作用时间由于加上电压后，液体介质中的杂质聚集到电极间或介质发热等需要一定的时间，所以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。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。击穿电压与电压作用时间的关系如图第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（4）电场均匀程度液体介质的纯净度较高时，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。（5）压力无论电场均匀与否，工程上用的变压器油在工频电压作用下，击穿电压随压力的增大而升高。既然杂质对液体电介质的击穿电压有很大的影响，所以提高击穿电压的途径，主要从减少杂质和降低杂质的影响考虑。（1）清除杂质过滤：用滤纸将油中的碳粒、纤维等杂质滤去，滤纸还可吸收部分水分。也可先在油中加一些白土、硅胶等吸附剂，吸附油中的水分、有机酸等杂质，然后过滤。（2）防潮：绝缘件在浸油前必须烘干，有的还要采用抽真空的方法去除水分。在设备制造过程中，要防止水分、杂质侵入，制成后的内绝缘要与大气隔绝，不能完全与大气隔绝时，在空气进口处，采用干燥剂。（3）脱气：将油加热，喷成雾状，并且抽真空，以除去油中的水分和气体，并在真空状态下将油罐入高电压器设备中，可不使油中混入气泡。第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四（4）采用油和固体电介质组合常用覆盖、绝缘层、屏障等方法减小杂质的影响。覆盖层：在电极表面覆盖一层很薄的绝缘材料，以阻止“小桥”形成，限制泄漏电流、提高击穿电压。绝缘层：在曲率半径小的电极上包缠较厚的固体绝缘层，它不但可以减小油中的杂质的影响，而且本身还可以承受一定电压，可降低电极附近的最大电场强度，大大提高整个间隙的击穿电压。屏障：在油间隙中放置尺寸较大的层压纸或层压布板屏障，它既能阻止杂质“小桥”的形成，又能改善电场分布，所以极不均匀电场中屏障的效果最显著。图2－22覆盖层图2－23绝缘层图2－24屏障第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期四三、工程用绝缘油的击穿过程及其特点

由于水和纤维的很大，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，由于纤维的大及含水纤维的电导大，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，旗袍扩大，发展下去也会出现气体小桥，使油隙发生击穿。判断变压器油的质量，主要依靠测量其电气强度、，含水量和油中溶解气含量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿电压。我国采用的标准油杯如图2-25所示：第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期四第四节组合绝缘的电气特性

一、组合绝缘的电气强度高压电气设备的绝缘应具有优异的电气性能、良好的热性能、机械性能及其它性能。但是单一品种的电介质往往不能同时满足多种要求。因此实际应用中通常不是采用某种单一的绝缘材料，而是由多种电介质组合而成。不同介电常数的电介质组合在一起构成组合绝缘，绝缘的综合电气强度不仅取决于各个电介质的电气性能，还与电介质的互相配合有关。常见的组合形式为层状绝缘。以层状结构为例，当各层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，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、最合理地应用。各层绝缘所承受的电压与所加电压的类型和绝缘材料的特性有关。在直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘承受的电压与其绝缘电阻成正比，或者说与介质的电导成反比，所以此时应该把电气强度高、电导率小的材料用在电场最强的地方。在交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘承受的电压与其电容成反比，所以此时应该把电气强度高、介电常数小的材料用在电场最强的地方。第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期四二、组合绝缘中的介电常数和介质损耗以两层介质的平行层状结构为例，电极间距离为d，各层电介质的介电常数分别为ε1、ε2，厚度为d1、d2，则电极间的电容为：式中，C1、C2

分别为各层电介质的电容。

图2－26两层介质的平行层状结构第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期四将平行板电容器的计算公式代入可得整理可得组合绝缘的介电常数ε为：

根据同样的原理可得到组合绝缘的总介质损耗角正切为：式中tgδ1、tgδ2

分别为各层电介质的介质损耗角正切。第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期四三、组合绝缘中的电场（1）电介质界面与等位面重合的情况如图2－27所示，假设均匀电场中有n层电介质组成平行的层状结构，外加电压为U，电极间距离为d，各层电介质的介电常数为εi、电导率为γi、厚度为di，（i＝1，2，……，n）。图2－27n层电介质组成平行的层状结构模型第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期四在直流电压作用下，各层电介质所承受的电场强度为：在交流电压作用下，各层电介质所承受的电场强度为：（2）电介质界面与电极表面斜交的情况在界面上，电力线入射角和折射角的关系为：

第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期四图2－28在介质界面上电力线入射角和折射角的关系（3）电介质界面是同心圆的情况高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分级结构（介质界面为同轴圆筒），以减小电缆芯线附近的最大电场强度。分阶结构是指由介电常数不同的多层绝缘材料构成组合绝缘，分阶原则是越靠近电缆芯线的内层选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。因为对于单相圆芯均匀介质的电缆而言，绝缘层中最大电场强度出现在芯线表面上，其值为：第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期四式中，U——外加交流电压

r0——电缆芯线的半径

r2——绝缘层外表面的半径绝缘的利用系数为：η值越大，电场分布越均匀，绝缘材料利用得越充分。对于超高压电缆而言，因绝缘层厚度（r2-r0）值较大，因此η的提高受到限制。为了提高利用系数，应采取分阶绝缘。图2－29为单芯双层分阶绝缘电缆示意图，U为电缆芯于外皮之间的电位差，r0、r2为电缆的内半径和外半径，r1为分阶半径，从r0至r1的介质的介电常数为ε1，从r1至r2的介质的介电常数为ε2。第四十页，共四十四页，编辑于2023年，星期四单芯双层分阶绝缘电缆

在r0<r<r1内：

在r1<r<r2内：由式（2－24）、式（2－25）可见，在r0和r2为定值的情况下，适当选择ε1、ε2以及分阶半径r1，就能使两层绝缘材料的利用率较高，电缆的整体电气强度就可大为提高。第四十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期四四、电介质的老化（1）电介质的电