高电压技术第2章液体和固体介质的电气特性

1、高电压技术,第二章 液体和固体介质的电气特性,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗 第二节 液体介质的击穿 第三节 固体介质的击穿 第四节 组合绝缘的电气强度,本章主要内容,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为： 液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的极性和分类,电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关,离子键（强极性键）,强极性分子,共价键,正、负离子之间形成很大的键矩

2、,原子电负性相同,非极性键,非极性分子,共同电子对的电子云对称分布在两个原子核中间,原子电负性不同,极性键,一个极性键组成,结构对称,多个极性键组成,极性分子,结构不对称,化学键,极性分子,非极性分子,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,极性分子（正、负电荷作用中心永不重合）极性电介质：环氧树脂、三氯联苯 非极性分子（正、负电荷作用中心重合） 非极性电介质：聚四氟乙烯、氮气,偶极子大小相等，符号相反，彼此相距为d的两电荷（q，q）所组成的系统。 偶极子的极性，大小和方向常用偶极矩来表示。偶极矩的方向由负电荷指向正电荷，其大小为每个电荷的电量乘以正、负电荷间的距离。,第一节 液体和固体介质

3、的极化、电导和损耗,电介质的极化,极化的概念和相对介电常数,电介质的极化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象和偶极子的取向现象。,实验显示，加同样大小直流电压U 极板中为真空时：极板上电荷量为Q0； 极板中为固体介质时：极板上电荷量增加了，为Q0+Q,问题:为什么极板中为固体介质时，电荷量会增加？,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,固体电介质加电场,固体中原来彼此中和的正负电荷按电场方向运动,同量的负电荷在极板上吸引出同量的正电荷,正电荷靠近负极板 负电荷靠近正极板,同量的正电荷在极板上吸引出同量的负电荷,增加了极板上的电荷量,电介质的极化导致了极板上电荷量的增

4、加,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,极间为真空时极板的电容：,极间为固体介质时,电容量将增大为： Q是由电介质极化引起的束缚电荷,介质的介电常数 0真空的介电常数 A极板面积，cm2 d极间距离，cm,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,相对介电常数r,r是反映电介质极化特性的一个物理量。表征电介质在电场作用下的极化程度。 介电常数越大，表明介质越容易极化 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1，液体和固体多在26之间（表3-1）。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质极化的种类, 电子式极化,在外电场 的作用下，介质原子中

5、的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，即对外显出电性，发生极化。,极化机理,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电子式极化存在于一切气体、液体和固体电介质中； 完成极化需要的时间极短10-1410-15s，r与电源频率无关； 极化具有弹性，即外电场消失，整体恢复中性。所以电子式极化不产生能量损耗，不会使介质发热； 温度对极化影响小。,电子式极化的特点,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 离子式极化,无外电场时：晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。 在出现外电场后：正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极

6、矩不再为零，介质呈现极化。,极化机理,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,离子式极化存在于一些固体无机化合物中，如云母，陶瓷等； 极化需要的时间极短10-15s，r与电源频率无关； 极化具有弹性，不产生能量损耗。 温度对离子式极化的影响，存在相反的两种作用 注意：通常前一种影响较大，r一般具有正的温度系数。,温度升高：离子间的结合力减小极化程度增强；,温度升高：离子的密度减小极化程度减弱。；,离子式极化的特点,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 偶极子极化,无外电场时：极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩为零，整个介质对外不表现出极性； 在出现外电场后：杂乱的偶极

7、子将沿电场方向转动，有规则的排列，显示出极性。介质内部电场与外加电场相反。,极化机理,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,极化时间相对较长10-1010-2s，r与频率有较大关系,偶极子极化的特点,频率太高时，偶极子将来不及转动，r 值变小 其中：r0相当于直流电场下的相对介电常数； f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，r值不断下降； f f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，r减小到r 。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,偶极子极化非弹性，产生能量损耗； 极化中偶极子旋转要克服分子间的作用力，而消耗的电场能量在复原时无法收回 温度对偶极子极化

8、影响大 对于极性气体介质 温度分子热运动加剧阻碍偶极子排列极化 对于极性液体和固体介质（双向作用） 低温下随温度的升高分子间联系减弱偶极子转向容易极化加强 但当热运动变得较强烈时分子热运动阻碍极性分子沿电场取向极化减弱,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 夹层极化,高电压设备的绝缘往往是由几种不同材料组成或介质是不均匀的 当外电场加在由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构上，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。 在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层极化。,夹层极化的概念,第一节 液体和固体介质

9、的极化、电导和损耗,极化机理,设、两种介质面积厚度相等，外加电压为直流电压U,t=0，合闸瞬间，电容开始充电：电压分配与电容成反比,t=，达到稳态，电容充电完毕：电压分配与电导成反比,电介质的介电常数 电介质电导率,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,若介质为单一均匀的，12、C1=C2、G1=G2则： 即合闸后，不会产生电压重新分配,若介质为不均匀，12、C1C2、G1G2则： 即合闸后，两层介质电压要重新分配，即C1、C2上电荷重新分配,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,吸收电荷：t =0后，随时间增大，U1减小而U2 增大，总的电压U保持不变。即C1上一部分电荷要通过G1放

10、掉，而C2要从电源再吸收一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷。,吸收过程：由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这一过程称为吸收过程 。 夹层极化：吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为夹层极化。,若设C1C2、G1G2则： t = 0时：U1U2 ； t 时：U1 U2 。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,夹层极化的特点,极化时间缓慢10-1s数小时，夹层极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来； 极化非弹性，产生能量损耗。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,讨论电介质极化的意义,选择绝缘 在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑

11、介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择r较小的介质,材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因数。 介质损耗越大，绝缘材料越易劣化，老化，而击穿,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层场强分布与其r成反比，要注意选择r，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用,若绝缘中存在气泡，由于气体的r是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生游离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。如采用油浸方式能改善电场分布 在电缆芯处使用r较大的材

12、料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的耐电强度。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。 夹层计划吸收过程要经过C1、C2和G1、G2进行，其放电时间常数为 =(C1+C2)(G1+G2)。由于电导G的数值很小，因而时间常数 很大，极化速度非常缓慢。当介质受潮，电导增大， 将大大降低，极化速度加快。 同理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也是十分缓慢的。因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危

13、及人身安全。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的电导,电介质电导的概念和电导率,电介质的电导过程在电介质内部或多或少存在数量很小的带电粒子，它们在电场作用下会不同程度的作定向移动而形成传导电流的物理现象。 电介质中的传导电流含泄漏电流和吸收电流两个分量 泄漏电流由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动形成的； 吸收电流电介质极化形成。 描述电导的物理量电导率或电阻率,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质电导的特性,电介质电导主要是离子电导 电介质中少量的带电粒子主要是离子；金属导体的电导性质为电子式电导，带电粒子为金属中的大量自由电子。 温度的影响 温度升高

14、分子离解度增大电介质中离子数增多，迁移率增大电导率增大 固体、液体介质电导率与温度T的关系,A、B介质有关的常数 T 绝对温度，单位为K,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,泄漏电流和绝缘电阻, 电介质电流的组成,C1：纯电容支路，代表介质的无损极化过程，流过的电流i1 ； C2R2：有损极化电流支路，流过电流i2 ； R3 ：电导电流支路，代表介质的电导损耗过程，流过的电流为i3。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,i1,i3,i2,i= i1 +i2 + i3,I60,60,15,I15,i,t(s),介质总电流 i 由三部分组成,i1纯电容电流（无损极化） 由电极间电容C1

15、及介质中的无损极化决定，存在时间很短，很快衰减到零；,i2吸收电流（有损极化） 由介质的有损极化过程所决定，其存在时间较长，可达数分钟到数十分钟,i3电导电流（泄漏电流） 趋向稳定的电流，不随时间而变，与绝缘电阻相对应，服从欧姆定律,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 绝缘电阻,绝缘电阻泄漏电流对应的电阻,绝缘电阻的测量 加直流电压1分钟后，极化过程结束，仅存电导过程，此时流过介质的电流为泄漏电流，对应电阻为绝缘电阻,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,绝缘电阻的组成 包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 式中 R1体积绝缘电阻； R2表面绝缘电阻。 介质的绝缘电阻决定了介

16、质中的泄漏电流 泄漏电流大介质发热加快绝缘介质的老化 因此，一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,讨论电介质电导的意义,在绝缘预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象 如绝缘良好，则R较大 如绝缘受潮，则R较小,多层介质在直流电压下，电压分布与电导成反比，故设计用于直流的设备要注意所用介质的电导，应使材料使用合理。,设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是湿度的影响。 有时需要作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。,第一节 液体和固体介质的

17、极化、电导和损耗,对某些能量较小的电源，如静电发生器等，要注意减小绝缘材料表面泄漏电流以保证得到高电压 电流若从外部流过，电压会有损失,不是所有的情况下均要求绝缘电阻值高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。 在高压套管法兰附近涂半导体釉等，是为了改善电压分布，提高沿面放电电压，消除电晕。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的损耗,电介质损耗的概念和介质损耗角正切, 电介质损耗的形式,电导损耗 在直流电压下，无周期性极化过程，当外施电压低于发生局部放电电压时，介质中损耗由电流流过电阻引起 极化损耗 在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗 气体电离损耗,电介质

18、损耗介质在交、直流电压下的有功功率损耗,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 介质损耗角正切,直流电压下 电介质中没有周期性的极化过程，当外施电压低于发生局部放电电压时，介质中的损耗将仅由电导组成 物理量用电导率表达，不必再引入介质损耗这个概念了。,交流电压下 除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗 引入一个新物理量：损耗角正切（tan）,加交流电压，由于介质中有损耗，电流不是纯电容电流，分为两个分量： 式中 有功电流分量； 无功电流分量。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,交流电压下介质损耗的分析,接线图,相量图,介质损耗功率（有功功功率损耗）,式中：电源角频率；

19、功率因数角； 介质损耗角; C电解质等值电容.,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,用介质损耗P来表示介质品质好坏是不方便的 P值与试验电压的平方和电源频率成正比，与试品尺寸、放置位置有关，不同试品之间难以进行比较。 对同类试品可直接用tg 来代替P值，对绝缘的优劣进行判断 当外加电压和频率一定时，P与介质的物理电容C成正比，对一定结构的试品而言，电容C是定值，P与tg成正比。 定义为介质损失角，是功率因数角的余角。 介质损失角正切值tg ，同r一样，只取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。,由向量图：介质损耗角正切 tg等于有功电流和无功电流的比值 功率损耗为,

20、第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,介质损失角正切值tg 的计算,采用并联等值电路或串联等值电路来分析, 并联等值电路,电压不变，分解电流,采用条件：介质损耗主要由电导所引起,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 串联等值电路,采用条件：介质损耗主要由极化所引起,介质损耗角正切 tg 功率损耗为 由于很小， cos1,由,电流不变，分解电压,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,由于tg 1，所以rR,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,气体、液体和固体介质的损耗, 气体介质损耗,气体电介质的极化率极小，所以在极化中不会引起损耗,气体中的tg 与电压的关系,当外加电场不足

21、以使气体分子发生电离时，气体中只有很小的电导损耗（tg 10-8)，工程中略去不计。 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。（气体电离损耗）,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 液体介质损耗,这类介质中的损耗主要是电导损耗； 介质损耗与温度、电场强度等因素的关系与电导和这些因素的关系相似；,中性液体或中性固体电介质的tg 与温度的关系示意图,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系示意图,中性和弱极性液体介质（变压器油）,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,这类介质中的损耗包括电导损耗和极化损托两部分,极性液体介质（蓖麻油）,较小时：偶极子跟得上电场

22、的交变，极化充分发展，此时的r最大；但偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，tg也小，主要由电导损耗。 随增大：转向极化逐渐跟不上电场交变，r开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、tg增大。 当偶极子完全来不及转向时：r 值变得最小tg也变得很小,极性液体介质中的损耗与频率的关系,r,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,极性液体介质中的损耗与温度的关系,当tt1：极化损耗和电导损耗都较小，随温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的tg亦上升，tt1时为极大值； 当t1t2：电导损耗随温度急剧上升，而极化损耗不断减小而退居次要地位，因而

23、tg 随t的上升而持续增大。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗, 固体介质损耗,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,中性介质 无极化损耗，主要是电导损耗，通常很小。 如石蜡、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等， 极性介质 有极化损耗和电导损耗，tg与温度、频率的关系与极性液体相似，tg 值较大，高频下更为严重。 如纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等）,分子式结构（有机绝缘材料）,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,结构紧密的不含杂质的离子晶体 主要是由电导损耗， tg极小 如云母，云母的电气强度高，耐热性能好，耐局部放电性能

24、也好，故云母是优良的绝缘材料，在高频下也可使用。 结构不紧密的离子结构 有极化损耗和电导损耗，介质的tg较大，但随成分和结构的不同， tg相差悬殊。 如玻璃、陶瓷，,离子式结构（无机绝缘材料）,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,不均匀结构,不均匀结构的电介质的tg 取决于其中各成分的性能和数量间的比例 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）、油浸纸和胶纸绝缘等,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,讨论电介质损耗的意义,设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。 若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。,用于冲击测量的连接电缆，

25、其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度。,在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。 当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U的关系曲线加以判断。,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,描述电介质电气性能的物理现象和对应的物理量,电介质极化相对介电常数 r 电介质电导电导率 电介质损耗介质损耗角正切 tg 电介质击穿击穿场强 Eb,返回,第二节 液体电介质的击穿,液体电介质的击穿理论 影响液体电介质击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的方法,主要内容,第二节 液体电介质的击穿,液体电介质的击穿理论,第二节

26、液体电介质的击穿,纯净液体电介质的电击穿理论（电子碰撞电离理论）,与气体放电汤逊理论相似 在外电场足够强时，电子碰撞液体分子引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。 液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，积累能量困难，所以纯净液体的击穿场强比气体大得多。,第二节 液体电介质的击穿,纯净液体电介质的气泡击穿理论,液体中出现气泡,交流电压下串联介质中电场强度的分布与介质的r成反比,气泡r 最小，将承担高场强，且电气强度比液体介质低很多,气泡先发生电离,气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小,电

27、离进一步发展,电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大,许多的气泡在电场中排列成气体小桥贯穿两极,击穿在通道中完成,击穿过程,第二节 液体电介质的击穿,各种原因产生气泡： 电子电流加热液体，分解出气体； 电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大； 电极凸起处的电晕引起液体气化。,第二节 液体电介质的击穿,工程液体电解质的击穿（变压器油）,工程液体的特点：含有杂质、纤维等， r很大（变压器油r=2.2）,由于水和纤维的r很大，易沿电场方向发生极化，并排列成杂质小桥。,小桥击穿理论,杂质小桥接

28、通电极,杂质中电导大,泄漏电流增加，导致发热,水分汽化,气泡扩大,杂质小桥未接通电极,杂质中r大,油中电场强度增高,引起油电离,油分解出气体，气泡扩大,气泡因电离或发热而不断扩大，排列成气体小桥贯穿两极，液体最终在气体通道中击穿,形成“小桥”,未形成“小桥”,第二节 液体电介质的击穿,影响液体电介质击穿电压的因素,液体介质本身品质的影响,含水量 液态水在油中的两种状态： 以分子状态溶解于油中，对击穿电压影响不大 以乳化状态悬浮在油中，易形成“小桥”使击穿电压明显下降 含0.1%的水分，油的击穿电压降到干燥时的15%30%,图3-16 变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,第二节 液体电介质的击

29、穿,含纤维量 电场作用下，纤维形成“小桥”，使油的击穿电压降低； 有很强的吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为严重。,含碳量 碳粒的产生：电弧 碳粒对油耐电强度作用的两个方面： 碳粒具有较好的导电性，局部场强增加，击穿电压降低； 活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力。,第二节 液体电介质的击穿,含气量 溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降。 所溶气体的来源：直接、分解、电解 油中气体析出后的危害： 一是成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿电压； 二是与油分子发生化学结合，氧化，加速老化。,第二节 液体电介质的击穿,判断变压器油的质量，主要依靠测量其电气强度、 tg 和含水量。

30、其中最重要的实验项目就是用标准油杯测量油的工频击穿电压。,米,我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为2.5mm的半圆以减弱边缘效应，保证了极间电场极板上是均匀的。 用来灌注高压电力变压器等的变压器油，其工频击穿电压在2540kv以上 灌注高压电缆和电容器的用油，其工频击穿电压在50kV或60kV以上,第二节 液体电介质的击穿,温度,均匀电场时 干燥的油（曲线1）：随油温升高，电子碰撞电离过程加剧，击穿电压下降 潮湿的油（曲线2） 温度由0开始 上升：一部分水分从悬浮状态转为害处较小的溶解状态，使击穿电压上升； 超过80 后：水开始汽

31、化，产生气泡，引起击穿电压下降，在60 80间出现最大值,3-18,第二节 液体电介质的击穿,在极不均匀电场 随着油温的上升，电子碰撞电离过程加剧，击穿电压稍有下降， 水滴等杂质不影响极不均匀电场中的工频击穿电压。,第二节 液体电介质的击穿,电场均匀度,油的纯净程度较高时 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 油的品质较差时 由于杂质的聚集和排列已使电场畸变，改善电场，击穿电压提高不明显 但含杂质的油受冲击电压作用，杂质来不及运动、聚集而无法形成小桥，所以改善电场均匀程度能提高击穿电压 液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超

32、过5，而在均匀电场中可达3040,第二节 液体电介质的击穿,电压作用时间,加压后短至几个微秒时 表现为电击穿（电子碰撞电离），击穿电压很高 电压作用时间为数十到数百微秒 无杂质的影响，仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度； 电压作用时间更长 杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，击穿电压再度下降，为热击穿。,第二节 液体电介质的击穿,压力,不论电场均匀度如何，变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加,因为压力越大,油中气泡的电离电压增高,气体在油中的溶解度增大,不易形成小桥，击穿电压高,第二节 液体电介质的击穿,提高液体电介质击穿电压的方法,提高以及保持油的品质,过

33、滤：除去纤维、水分、有机酸。 防潮：制造、检修。 祛气：除去水分和气体。 防尘,覆盖层,材料： 1mm的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带。 作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展。 适用情况：油品质越差，电场越均匀，电压作用时间越长，则覆盖层的效果越显著。,第二节 液体电介质的击穿,绝缘层,材料： 厚可达几十毫米的固体绝缘层。 作用机理：覆在曲率半径较小的电极上，降低这部分空间的场强。且固体绝缘层的耐电强度较高，不易造成局部放电。 适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环、冲油套管的导电杆包有绝缘层）。,极间障,材料： 厚度为27mm的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层压板。 作用机理：能机

34、械地阻隔杂质小桥改善电场分布。 适用情况：不均匀电场中效果显著，较均匀电场中也有效果,返回,第三节 固体电介质的击穿,固体电介质的击穿理论 影响固体介质击穿电压的主要因素 提高固体介质击穿电压的措施,主要内容,第三节 固体电介质的击穿,概述,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34 kV/mm左右 液体的耐电强度在1020 kV/mm 固体的耐电强度在十几至几百kV/mm 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 普遍规律：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，也可指介质的不均匀性,第三节 固体电介质的击

35、穿,固体电介质的击穿理论,电击穿理论,击穿机理：电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，固体电介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿。 发生情况：在介质的电导很小，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电击穿，击穿场强可达105-106kV/m。 分为两种解释碰撞电离的理论： 固有击穿理论 电子崩击穿理论,第三节 固体电介质的击穿,固体介质中的能量平衡方程：A(E,T0)=B(,T0) 式中：A(E,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量 B(,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能量 E：电场，a：标志电子的

36、状态因子，T0：晶格温度,固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成立，获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引起破坏，称之为固有击穿理论 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论,第三节 固体电介质的击穿,电击穿的特点 时间影响：电压作用时间短，击穿电压高； 介质特性：若介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导致介质击穿电压降低； 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大； 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应

37、。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降 无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关。,第三节 固体电介质的击穿,热击穿理论, 击穿机理,固体介质加电压,介质损耗引起发热,介质发热散热,不会发生热击穿,介质发热散热,介质温度升高,介质电阻具有负温度关系,介质电阻下降,流过介质的电流升高,介质进一步损耗发热,介质分解碳化,介质击穿,热量累积,第三节 固体电介质的击穿, 热击穿的理论分析,电压 ：U1U2U3 曲线1、2、3：电介质发出热量Q1与介质中温度t的关系 直线4 ：电介质散出的热量Q2与介质中温度t的关系,曲线1 发热Q1永远大于散热Q2 ，介质温度将不断升

38、高，电压U1下必定发生热击穿,曲线2（与散热曲线4交于k点） U2为临界热击穿电压；tk为临界热击穿温度 ttk时，介质温度不断上升，直至击穿。,第三节 固体电介质的击穿,曲线3（两个热平衡点） ttb时：情况类似曲线1，最终发生热击穿 t=tb时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb ，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点 t0ttb时：通过周围介质的散热调节，介质温度将逐渐稳定在ta ，称ta为稳定热平衡点,第三节 固体电介质的击穿, 热击穿的特点,热击穿电压会随着周围媒质温度t0的上升而下降，直线4会向右移动； 热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质

39、中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质的击穿场强随h的增大而降低；,第三节 固体电介质的击穿,电化学击穿理论（电老化）,概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电化学击穿, 击穿机理,固体介质在长期工作电压下,介质内部的小气隙发生局部放电,产生带电粒子，撞击介质表面,固体介质劣化,绝缘性能下降,光、热、电流等作用,固体介质击穿,第三节 固体电介质的击穿, 电化学击穿电压与施加电压时间的关系,曲线l、2下降较快 表示有机绝缘材料（聚乙烯、聚四氟乙烯）耐局部放电的性能差； 曲线3接近水平 表示无机绝缘材料（硅有机玻璃云母带）的击穿场强随加电压时间

40、的增加下降很少,结论： 大部分有机绝缘材料的短时间电气强度很高，但耐局部放电的性能往往很差，以致长时间电气强度很低； 无机绝缘材料耐局部放电的性能比有机绝缘材料较好,第三节 固体电介质的击穿, 有机绝缘材料的树枝化放电（树老化）,树老化类型电树老化和水树老化,树老化的原因 电离性老化,介质夹层或介质内部存在气隙或气泡,交变场下气隙的场强邻近固体介质内的场强,气体的起始电离场强固体介质的起始电离场强,气隙内极易发生电离,邻近绝缘分解、破坏(表现为变酥、炭化等形式),沿电场方向向绝缘层深处呈树枝状发展,形成“电树枝”,第三节 固体电介质的击穿,电导性老化,绝缘层中存在液态导电物质(例如水),液体会沿电场方向以树枝状