高电压技术 6 固体电介质特性(一)

高电压技术高电压工程系刘春tslc@138710186721液体、固体电介质的

绝缘特性电气强度高液体兼做灭弧；固体兼做支撑电气强度不受外界影响不可自恢复会逐渐老化22.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性3极化的基本形式电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化4极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-14

10-15s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无 1.电子式极化5极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12~10-13s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性消耗能量：无2.离子式极化6我的理解7极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-10

10-2s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关，频率升高，极化减弱）温度（低温段增加，高温段降低（热运动））极化弹性：非弹性消耗能量：有3.偶极子极化84.夹层式（界面）极化当t=0:

当t=∞:9

一般情况下：电荷从t=0到t=∞时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。极化的时间常数：

高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。4.夹层式（界面）极化10极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

4.夹层式（界面）极化11极化机理：正负自由离子移动到电极附近，形成空间电荷介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：

电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有

5.空间电荷极化12常用电介质的介电常数(episilon)13讨论极化的意义：选择电容器的介质时，希望

大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。14平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(

r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。电介质极化应用实例15

解：设空气电介质常数为

1，设聚乙烯板电介质常数为

2

(1)插入电介质前：E1=U0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入电介质后：

1E1=

/

2E2

U1/U2=

2/

1，得U1=2.3U2 U0=U1+U2=3.3U2 U2=U0/3.3=55/3.3=16.7(kV) E2=16.7kV/cm U1=U0-U2=55-16.7=38.3(kV) E1=38.3kV/cm>30kV/cm的空气击穿场强

所以,插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿。162.1.2电介质的电导来源：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。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。17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18电介质的绝缘电阻定义：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。19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），其直流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。20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固体介质的表面电导212.1.3电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有）22介质损耗正切角（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。23介质损耗正切角（tg

）（并联模型）介损：损耗功率：24介质损耗正切角（tg

）（串联模型）介损：损耗功率：25介质损耗正切角（tg

)26四、讨论介质损耗的意义

在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tgδ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tgδ较小的材料。当绝缘受潮或恶化时，tgδ会急剧增大，因此经常监测tgδ值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。通过测量tgδ－U的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。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。

27影响tg

的主要因素之一：温度tg

和温度的关系t<t1:极化损耗、电导损耗都上升t1<t<t2:极化损耗减弱，电导损耗上升，极化损耗减小大于电导损耗的增加t>t2:极化减弱，电导损耗上升，电导占主导当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度才能达到最大值。28影响tg

的主要因素之二：频率当频率不太高时，随f增加，偶极子转向加快，损耗增加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29影响tg

的主要因素之三：外加电压外加电压低，

总损耗＝电导损耗＋极化损耗外加电压超过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302.2液体电介质的击穿（一）电击穿理论主要用于纯净液体的击穿解释机理：当电场强度超过1MV/cm时，液体电介质中原有的少量自由电子，以及因场致发射或因强电场作用增强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用下运动、加速、积累能量、碰撞液体分子，而且以一定的概率使液体电介质的分子电离。只要电场足够强，电子在向阳极运动的过程中，就不断碰撞液体分子，使之电离，致使电子迅速增加。这样，电流急剧增加，液体电介质失去绝缘能力，发生击穿。

类似于汤逊放电理论31（二）气泡击穿理论（小桥理论）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，形成贯通两级的气泡“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。主要用于不纯净的液体32影响液体电介质击穿的主要因素自身品质温度电压作用时间电场均匀度压力33影响因素－自身品质总的来说，杂质多，击穿电压降低。与水分的关系：与纤维的关系：

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使液体产扰动，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

用标准油杯来检查油的质量平板电极间电场均匀，油中稍有受潮、含杂，击穿电压就明显下降规程规定用来灌注高压电力变压器等的变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求在25

40kV以上(与设备的额定电压有关)；灌注高压电缆和电容器的用油，在油杯中的击穿电压常要求在50或60kV以上35影响因素－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，油很稠，小桥排列困难；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。36影响因素（3）：电压作用时间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。37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)38影响因素（4）：电场均匀程度高纯