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第二章 液体、固体介质的电气特性
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高电压第5章液体和固体介质的电气特性
第5章 液体和固体介质的电气特性?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 ?电介质的电气特性表现在电场作用下的 ?导电性能?介电性能 ?电气强度?描述电介质（绝缘材料属于电介质）电气特性的四大表征参数：?电导率? (绝缘电阻率 ? )?介电常数?tg?Eb?介质损耗角正切?击穿电场强度?所有气体介质的相对介电常数均近似等于1，其电导和介质损耗在未发生放电时均可忽略不计。所以对气体绝缘介质只关心其击穿强度。?固体和液体电介质则不同，它们的ε、γ、和tanδ的特性也是决定其能否被用作绝缘材料的重要因素。?例如选择电容器的绝缘介质时，除要求Eb高以外还希望ε大，以提高电容器的储能密度。但对电缆则正好相反，希望绝缘介质的ε小以减小电缆的充电电流。?再如直流电容器和脉冲电容器可选用tanδ大的极性介质；而交流电容器则不可，因为tanδ太大会引起热击穿。第5章 液体和固体介质的电气特性? ? ? ? ? 5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化5.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗?电介质的极化?电介质的电导?电介质的损耗Q0 ? 0 A 5.1.1、电介质的极化 C0 ? ? U d ?对于平行平板电容器，极间为真空时：?放置固体介质时,电容量将增大为:? ?相对介电常数： ? r ? C ? ? 0 0C?ε0---真空的介电常数 ?εr---介质的相对介电常数C?Q0 ? Q ' U??Ad?d---极间距离，cm---介质的介电常数?A ---极板面积，cm2 ?ε?电介质的极化是即在外加电场的作用下，固体介质 中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩， 使介质表面出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，因 而使电容量增大。介电常数来表示极化强弱。+ + + + + + +E0-------极化前极化后1. 各种气体的εr均接近于l，而常用的液体、固体介质 的εr大多在2~6之间。 2. 各种介质的εr与温度、电源频率的关系也各不相同，这与极化的形式有关。?最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶 极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化 等。现简要介绍如下： 电子式极化离子式极化 无损极化 有损极化偶极子极化界面极化(一)电子式极化?在外电场的作用下，介质原子中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，这种极化称为电子式极 化或电子位移极化。?其极化强度与正、负电荷作用中心间的距离d成正比，且随 外电场的增强而增大电子式极化的特点:? 电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：?完成极化需要的时间极短； ?外场消失，整体恢复中性。?所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。(二) 离子式极化?固体无机化合物大多属离子式 结构，如云母、陶瓷材料等。 无外电场作用时，每个分子的 正、负离子的作用中心是重合 的，故不呈现极性。在外电场 作用下，正、负离子发生偏移， 使整个分子呈现极性 。离子式极化的特点：1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；2、所需时间很短，其? r 几乎与外电场频率无关。?温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从 而使极化程度增强； 2、离子的密度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，故其 ? r 一般具有正的温度系数。(三)偶极子极化?极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永 不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。例如蓖麻 油、橡胶、酚醛树脂和纤维素等都是常用的极性绝缘材料.?当没有外电场时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动之中，整个介质对外并不呈现极性。?出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方 向转动，作较有规则的排 列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。偶极子极化与频率f 的关系：?偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，10－10～10－2s，所以极性电介质的值与电源频率 ?r有较大关系，频率很高时偶极子来不及转动，因而其εr减小偶极子极化与温度t的关系： ?温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电 场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。 ? 对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以 ? r很小。液体、固体介质的? r 在低温下先随温度的升高而增大，以后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，使极化减弱，? r 又开始随着温度的上升而 减小。如图为极性液体、固体介质的 ? r 与温度的 关系。(四)夹层极化? 凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，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 为夹层介质界面极化，简称夹层极化。t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：U1 U2t ?0?C2 C1G1 G2 C1 C2t= ? ,电压分配将与电导成反比：U1 U2t ???G2 G1U一般C2 C1?G2 G1即C1、C2上的电荷需要重新分配，设C1& C2，而G1&G2，则由上面两式：AG1P G2BC1t=0时，U1&U2U C2?? t ? ? 时， U1&U2?可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总的电压U保持不变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。?于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电流称为吸收电流。 ?由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能 量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、 几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低 频交流电压下才能表现出来。表5-1 几种常见电介质的介电常数材料类别 气体介质 弱极性 液体介质 极性 名称 空气（大气压） 变压器油 硅有机液体 蓖麻油 丙酮 酒精 水 石蜡 聚乙烯 聚四氟乙烯 松香 纤维素 酚醛树脂 聚氯乙稀 云母 电瓷 相对介电常数εr （工频，20℃） 1.000 59 2.2~2.5 2.2~2.8 4.5 22 33 81 2.0~2.5 2.25~2.35 2.0~2.2 2.5~2.6 6.5 4~4.5 3.2~4 5~7 5.5~6.5强极性中性或弱极性 固体介质 极性 离子性可见，气体εr接近于1，液体和固体大多在2～6之间。(五)电介质的介电常数?相对介电常数及其物理意义:相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量?气体电介质的介电常数：??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 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压 力的增大略有增加，但变化很小部分气体的相对介电常数（环境条件 20℃, 1 atm） 气体种类 氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气 相对介电常数 1...60 1.96 1.59?液体电介质的介电常数：?非极性和弱极性电介质： 如石油、苯、四氯化碳、硅油等?r数值不大，在1.8?2.5范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似?极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等?r数值在2?6范围内。还能用作绝缘介质?强极性电介质：如酒精、水等? r&10，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大?固体电介质的介电常数：?非极性和弱极性固体电介质：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都 属此类 电介质只有电子式极化和离子式极化， ?r不大，通常在2.0?2.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近?极性固体电介质：树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 ?r 较大，一般为3~6，还可能更大。 ?r和T及f的关系和极性液体的相似?离子性电介质：如陶瓷，云母等，相对介电常数?r 一般在5~8左右讨论极化的意义：?选择绝缘? 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外， 还应考虑介电常数?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?多层介质的合理配合对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其 ?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?研究介质损耗的理论依据极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失 的影响??电气预防性试验：项目的理论根据研发新型材料5.1.2、电介质的电导?电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率，来表征介质的绝缘电阻 。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电 子电导两种。γ =1／ρ1、电子电导：以电子为载流体，一般很微弱，因为 介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。2、离子电导：?工程上所用的电介质或多或少地含有一些带电质点（主要是杂质离子），另外有些电介质在电场 或外界因素影响下（如紫外线辐射），本身会离 解成正负离子。在电场作用下，沿电场方向移动， 形成了电导电流，这就是离子电导。3、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分 和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。 所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。固体、液体介质的电导率? 与温度T 的关系：? ? Ae?? kTA－常数，与介质性质有关； T－热力学温度，单位为K； ф－电导活化能； k－波尔兹曼常数。?在测绝缘电阻时，必须注意温度，最好在同一温 度下进行测量，以便比较。1. 固体电介质除了通过电介质内部的电导电流Iv外，还有沿介质表面流过的电导电流Is。2. 由电介质内部电导电流Iv所决定的电阻称为体积电阻Rv，其电阻率为ρv。3. 由表面电导电流Is决定的电阻称为表面电阻 Rs，电阻率为ρs。 4. 气体和液体电介质只有体积电阻。?体积电阻率，是在单位长度的正 方体的电介质中，所测得其两相对 面上的电阻。体积电阻测量如图51所示?电介质的厚度为d，电极表面积为S， 3为屏蔽电极，利用它可除去表面电流Is， 以准确测得电介质内部的电流Iv? v ? Rv?v ?1S d1 d Rv SΩ?cm? Gv d S?v?Ω-1? -1 cm式中 Gv－体积电导?体积电阻率，是指在单位长度的 正方形表面积上，相对两边之间测 得的电阻。表面电阻的测量见图5-2?设电介质表面两电极间距离为d, 电极长度为l, 测得的表面电阻为 Rs（Ω），则表面电阻率为? s ? Rs?s ?1l d? Gs d l?s?1 d Rs lS式中 Gv－表面电导讨论电导的意义：?绝缘预防性试验的理论依据: ?预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判 断设备的绝缘状况??直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比， 选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压 ?注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水 性材料的表面防水处理三、电介质的损耗(一)电介质的损耗的基本概念 ?介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量 损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如 偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。 ?直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外 加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。?交流时：流过电介质的电流I ? I r ? I C????此时介质的功率损耗：P ? UI cos ? ? UI r ? UI C tg? ? U ?Ctg?2（3-7）式中：? ―电源角频率；? －功率因数角；? － 介质损耗角。1.用介质损耗P表示介质品质好坏是不方便的，因为P 值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间 难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来判 断介质的品质。 2.介质损耗角δ为功率因数角ω的余角，其正切tgδ又可 称为介质损耗因数，常用百分数（％）来表示 3.tanδ同εr一样，是仅取决于材料的特性而与材料尺寸 无关的物理量。?有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。 ? 对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可 用三个并联支路的等值回路来表示。C0反映电子式和 离子式极化R反映电导损耗C′，r支路反映 吸收电流(二)气体、液体和固体介质的损耗 1.气体介质损耗?当电场强度小于使气体分子电 离所需的值时，气体介质中的 损耗极小（tg? &10-8），工程 中可以略去不计。所以常用气 体（如空气，N2 ；CO2 ，SF6 等）作为标准电容器的介质 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?2.液体介质损耗 （1）中性和弱极性液体介质 中性或弱极性液体介质的损耗主要起因于电导，所以损耗较小。它们与温度的关系也和电导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（2）极性液体介质?极性液体（如蓖麻油）以及极性和中性液体的混合油都具有电导和极化两种损耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系。电导损耗占主要部 分，tanδ重新随温度 上升而增加 分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损 耗减小T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强， 极化损耗增加3.固体介质损耗固体介质通常分为分子式结构介质、离子式结构介质、不均匀 结构介质和强极性电介质四大类，但强极性电介质在高压设备中?极少使用 ；?分子结构中的中性介质如石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等，以及离子式结构的介质，如云母等，其损耗主要是由电导引起的。而这些介质的电导极小，所以介质损耗也非常小。 ；?分子结构中的极性介质如纸、纤维板和含有极性基的有机材料如聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等，其tanδ与温度、频率的关系和极性液体相似，且tanδ值较大，高频下更为严重。?不均匀结构的介质在电气设备中经常使用，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等，损耗取决于其中各成分的性能和数量间的比例。讨论介质损耗的意义：?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，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 用做绝缘材料的介质，希望tg? 小。在其他场合，可利用tg? 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加 适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程???5.2 液体介质的击穿?液体介质的击穿理论 ?影响液体介质击穿电压的因素 ?减小杂质影响的措施液体电介质分类： 液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论、小桥击穿理论?一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定 程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介 绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。 ?液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖 麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。一、纯净液体介质的击穿理论 (一)电子碰撞电离理论（电击穿理论） ?在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电 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。 ?纯净液体介质的击穿理论与气体放电汤逊理论中有些 相似。但液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由 行程很小，必须大大提高场强才开始碰撞电离。(二)气泡击穿理论（小桥理论） ?液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场 强度的分布与介质的εr 成反比。由于气泡的εr 最小， 其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。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。 ?其击穿场强比气体高得多，在很小的均匀场间隙中 可达到1MV/cm二、工程用变压器油的击穿过程及其特点?工程用的液体介质的击穿场强很少超过300kV/cm，一般在 200kV/cm~ 250kV/cm 的范围内。 ?研究表明，工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质如水 分、悬浮的固体纤维等引起的，即气泡或杂质在电场作用下在电 极间排成“小桥”，引起击穿。?可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的 形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥，有热的 过程，属于热击穿的范畴。 ?由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向极化定向，并排 列成杂质小桥。非纯净液体电介质的小桥击穿理论?液体中的杂质在电场力的 作用下，在电场方向定向， 并逐渐沿电力线方向排列 成杂质的“小桥” 水分及纤维等的气泡扩大 电导大，引起泄漏电流增 大、发热增多，促使水分 汽化、(a) (b)?(a) 形成“小桥” (b) 未形成“小桥” 受潮纤维在电极间定向示意图?液体电介质最后在气体通 道中发生击穿三、影响液体介质击穿的因素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。其中最重要的实验项目就是测量油的工频击穿电压。? ?油间隙距 离2.5mm用标准油杯来检查油质量 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 黄铜电极 绝缘外壳?标准试油杯（图中尺寸均为mm）三、影响液体介质击穿的因素(一) 杂质的影响?油中最主要的杂质是水分 ?极微量的水分可溶于油中，对油 的击穿强度没有多大 ?影响影响油击穿的是呈悬浮状态 的水分 ?含水量再增大时，对油的击穿强W为1×10-4时已使 油的击穿强度降得 很低。含水量再增 大时，影响不大度不会有更大的影响，因为这种情况下，大部分水分将沉降到油杯的 底部而不再影响油的击穿。标准油杯中变压器油的工频击穿电 压Ub和含水量W的关系(二)温度的影响 ?击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场的均匀度、 油的品质以及电压类型的不同而异,和油的含水量有很 大的关系 。 干燥油的击穿强度与温度没 有多大关系 干燥的油 0～80℃，Ub提高 （水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下 降（水分汽化）； 低于0℃，Ub提高 （水滴冻结成冰粒）受潮的油图5-9 标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系1－干燥的油 2－受潮的油(三)油体积的影响?规律：油的击穿强度随油体积的增加而明显下降。?原因：间隙中缺陷(即杂质)出现的概率随油体积的增加而增大。不能将实验室中对小体积 油的测试结果，直接用于 高压电气设备绝缘的设计(四)电压形式的影响?油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多 。?杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需 的时间要长，因此油间 隙的冲击击穿强度比工 频击穿强度要高得多?极不均匀电场中冲击-1.2/50μs波 +1.2/50μs波工频电压系数约为1.4~l.5，均匀 电场中可达2或更高稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距 的关系(五)油压的影响?不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击 穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气 泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。5.2.2 减小杂质影响的措施?从以上讨论中可以看出，油中杂质对油隙的工频击 穿电压有很大的影响，所以对于工程用油来说： ?一方面要设法提高油的品质，即去除油中固态杂质、 水分和气泡， ?另一方面在绝缘设计中采取措施以减小杂质的影响， 如采用覆盖层、绝缘层或屏障等。5.2.2 减小杂质影响的措施?过滤：用滤纸将纤维、碳粒等固态杂质除去，常用此法 来恢复变压器油的绝缘性能。 ?防潮：绝缘件在浸油前必须烘干电器设备如变压器在呼 吸器的空气入口处放置干燥剂，以防止潮气进入。 ?祛气：将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到去除 油中水分和气体的目的。对于电压等级较高的电器设备， 常要求在真空下灌油。 ?用固体介质减小油中杂质的影响：常用措施为覆盖层、 绝缘层和屏障，这些措施都能减少杂质的影响，显著提高 油隙的击穿电压。?覆盖层：其材料可以是电缆纸、黄蜡布或漆膜。其主 要作用在于限制泄漏电流，阻止杂质“小桥”的发展 ?绝缘层：为较厚的绝缘层，它不但像覆盖层那样可减 小油中杂质的有害影响，而且这几毫米厚的绝缘层承担一定电压，使油中最大场强降低，因而可大大提高工频和冲击击穿电压 ?屏障：是指在油间隙中放置尺寸较大的隔板，它既能 阻止杂质“小桥”的形成，又能如气体间隙中的屏障那 样改善间隙中电场均匀度小 结?纯净液体介质的击穿可用以下理论来解释：?电子碰撞电离理论 ?气体小桥理论?用气泡击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程 ?变压器油击穿电压的影响因素?水分和其他杂质 ?油温 ?电场均匀度 ?电压作用时间 ?油压的影响（本节完）5.3 固体介质的击穿?固体介质击穿电压的特点
耐电强度 ? 空气：一般在2.5～ 3 kV/mm ?与电压作用时间有关 ? 液体：一般在10 ～ 20 kV/mm ?与击穿场强有关 ? 固体：一般在十几～几百 ?为非自恢复绝缘 kV/mm ?固体介质的击穿理论 ?电击穿理论 ?热击穿理论 ?电化学击穿图5-13 击穿场强与电压作用时间的关系5.3.1 电击穿? 电击穿理论:固体介质的电击穿过程与气体 中相似，由碰撞电离形成电子崩，当电子 崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。1、固体介质的电击穿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。 2、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，固体介质的电击穿场强远大于气体和液体电介质。?电击穿的主要特征： ①体积效应 ；1.固体介质击穿场强数据分散性很大，这与材料不均匀性有关。2.加大试样的面积或体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强 降低， 3.在小试样上得到的试验结果，不可直接用于大尺寸的绝缘结构②累积效应 ；1. 固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压Un有可能低于单次冲击 作用时的击穿电压U1。 2. 是因为固体介质为非自恢复绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分 损伤，则多次冲击电压作用下这种部分损伤会扩大而导致击穿。这种现 象称为累积效应。5.3.2 热击穿? 热击穿的概念： ? 由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐 渐发热升温，温度升高导致固体电介质电阻下降， 电流进一步增大，损耗发热也随之增大。 ? 在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过 电极及其它介质向外不断散热的过程。如果同一 时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升， 以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程 称为电介质的热击穿过程。①曲线1，Q1&Q2，介质一定击穿； ②曲线2，与散热曲线4交于k点， 它是不稳定的平衡点，t&Tb时，介 质温度不断上升，直至击穿。 ③ 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， t&tb 时，介质发生击 穿。热击穿的特点：①由于热击穿是一个热不平衡的过程，击穿所需时间较长，常 常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟 ； ②直流电压下，正常未受潮的绝缘很少有可能发生热击穿。这 是因为直流电压下介质中没有极化损耗而只有很小的电导电流， 所以介质发热远比交流电压下要小 ； ③有时要采取专门的冷却措施，以充分利用介质的电气绝缘强 度。例如用于中频感应加热设备的电容器，一般需要在夹层中通冷却水加以冷却。5.3.3 电化学击穿? 电化学击穿：固体介质在长期工作电压作用下（几个月甚至几 年），由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强 度逐步下降并引起击穿的现象。? 绝缘劣化的主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成 的。固体绝缘内部有气泡，气泡中发生放电?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、电气强度下降的主要原因为：? 1)产生活性气体（O3，NO，NO2 ）对介质氧化、腐蚀；? 2)局部温升使局部介质损耗增加；? 3)带电粒子对介质表面的撞击，切断分子结构，导致介质破坏。绝缘内部气隙局部放电的等值电路如图５-18所示。Cg为空气隙的电容 Cb是与空气隙串联的介质电容 Cm为除Cb与Cg以外的绝缘完好 部分的电容 Cm&&Cg&&Cb 电极间加上瞬时值为u的交 流电压时，Cg上的电压瞬时 值ug为：ug ? u Cb Cg ? Cb与气隙串 联的介质 电容 绝缘完 好部分 的电容 空气隙的 电容1.当ug随u增加达到气隙的放电电压Ug时，气隙内发生放电，使气 隙上电压急剧下降，Cg上电压降至Ur时气隙中放电熄灭 2. 气隙中放电熄灭后，Cg又开始 充电，直到Cg上电压再次达到Ug 气隙的 放电电压 发生第二次放电 3.外施电压过峰值后，Cg上电压 也随外施电压的瞬时值变化并改 变极性，直至达到-Ug时再发生放 电 4.气隙每次放电时，试品两端的 电压会有一很微小的电压突降， 气隙的放电 因此电源通过电源阻抗Zs向试品 熄灭电压 充电 5. 在回路中形成电流脉冲。通过对回路中电流脉冲的检测，即可 判断试品中有无局部放电和放电的强弱。图5-19中间隙g两端的电压变化为 （Ug－Ur），而对间隙g放电的电 容量为： ? ?C C Cg ? m b ? ? Cm ? Cb ? ?据此可算得放电的电荷量Δqr为：? CmCb ?qr ? ? C g ? Cm ? Cb ? ? ? (U g ? U r ) ? (C g ? C b )(U g ? U r ) ?Δqr称为真实放电量，但因Cg，Cb， Ug，Ur无法测得，因此，Δqr也无 法通过测量求得 视在放电量Δq ：? CbCg ?q ? ?U ? C m ? ? Cb ? Cg ?? ? ? ?由于ΔU和试品电容是可以测量的，因此视在放电量是可以测得的。?q ? ?UC m表征局部放电的参数?放电重复率（ N ） 在选定的时间间隔内测得的每秒发生放电脉冲的平 均次数?放电能量（ W ）指一次局部放电所消耗的能量。W ? 1 2 qU i（5－20）其中q 为视在放电量，U i为局部放电起始电压。?其他参数? ? 平均放电电流 放电的均方率? ??放电功率 局部放电起始电压局部放电熄灭电压局部放电的特点:?交流电压下每半周至少发生两次局部放电。所以电压频率越高， 单位时间内局部放电次数越多，即局部放电对绝缘的危害越严重 ?直流电压作用下局部放电的危害性较交流时小 ?各种材料耐受局部放电的性能是不同的。陶瓷、云母等无机材料 有较强的耐局部放电的性能，而塑料等有机材料耐局部放电的性 能较差。?提高绝缘局部放电电压的措施 ：1.一是尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸。钢管油压电缆中用高油压来 消除电缆绝缘层中可能出现的气隙，就是一个应用实例。 2.第二类措施是设法提高空穴的击穿场强，即用液体介质或高电气强度的 压缩气体充填空穴。用于电容器、电缆、互感器及电容套管中的油纸绝缘， 就是一个例子。5.4 组合绝缘的特性?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、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电 介质的组合：?例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成，而 其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体 和液体介质联合组成。?绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。 理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的 电场强度与其电气强度成正比。 ?直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝 缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度与 其电导率成反比。 ?工频交流和冲击电压下：各层所承担的电 压和各层电容成反比，亦即各层中的电场 强度与其介电常数成反比。5.4.1 油-屏障绝缘和油纸绝缘的特点? 油－屏障绝缘： ? 油浸电力变压器主绝缘采用的是油-屏障绝缘结构， 在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质， 在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场 分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气 强度提高30％～50％。? 常用多个屏障将油间隙分隔成多个较短的油隙，但细而长的 油间隙中油的对流较困难，因而对散热不利 ? 屏障的总厚度不宜取得过大。因为固体介质的介电常数比油 高，所以固体介质的总厚度增加会引起液体介质中场强的提 高? 油纸绝缘：? 液体介质只是用作充填空气隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘 的击穿强度很高，但散热比较困难。? 油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多。直流电压下短时击穿 场强约为交流的二倍以上，其长时间击穿场强则为交流时的三倍以上。因为直流电压作用下油与纸中的场强分配比交流时合理。交流电压下油与纸中场 强与它们的介电常数成反比。因为油的介电常数比纸小，所以油中场强比纸中高。 由于油的击穿场强比纸的低，因此场强分配是不合理的。直流电压下，两种介质 中场强分配与它们的体积电阻率成正比。油的体积电阻率比纸小，因此油中场强 比纸中低，即此时场强分配是合理的。? 为用于直流而设计的油纸绝缘（如电缆或电容器）不一定能 用于交流，即使能用也要大幅度降低工作电压；但为工频电 压设计的油纸绝缘则一定能用于直流，且可大幅度提高其工 作电压。5.4.２ 多介质系统中的电场最基本的关系式为：ε1E 1＝ ε2E2U=E 1d1+ E 2d2由此可得：E1 ? U?1 (d1?1?d2E2 ?U?2)?2(d1?1?d2?2)?在极间绝缘距离d=d1+ d2不变的情况下，增大ε2 时使E2减小，但 却使E1增大。因此在电场比较均匀的油间隙中放置多个屏障，会使 油中场强明显增大，反而对绝缘不利。5.4.3 电场调整的方法?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。?所谓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。 ?分阶原则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。如：?图中ε1&ε2&…&εn，且满足ε1r1=ε2r2=…=εnrn=常数的条件?内层绝缘采用高密度的薄纸(纸的纤维含量高，质地致密)，其介电常数较大，击穿场强也较大; ?外层绝缘则采用密度较低、厚 度较大的纸，其介电常数较小、 击穿场强也较小。?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U，则其绝缘层中距电缆轴心r处的电场E 可由下式求得：E? U r ln R r0式中 r0、R分别为电缆芯线的半 径和外电极(金属护套)的半径。?绝缘层中最大电场强度Emax位于芯线的表面上E max ? U r0 ln R r0?而最小电场强度Emin位于绝缘层的外表面(r＝R)处。此 时的平均电场强度Eav应为: UE av ? R ? r05.5 绝缘的老化?绝缘的老化：固体和液体介质在长期运行过程中会 发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化。?老化的原因：主要有热的作用、电的作用、机械力 的作用、以及水分、氧化和射线及微生物的作用等5.5.1 电介质的热老化? 电介质的热老化： ? 电介质在高温作用下，短时间内就能发生明显的损坏。 绝缘的温度越高，老化越快，即其寿命越短。 ? 工程应用中根据介质的耐热性划分几个耐热等级并规 定了各等级的最高允许工作温度 O级90℃，A级105℃，E级120℃，B级130℃，F级 155℃，H级180℃，C级&180℃ ? A级绝缘（油－屏障和油纸绝缘属A级）热老化的8℃规 则。对B级绝缘（大电机绝缘用云母制品属B级）和H级 绝缘（干式变压器等）则分别为10℃和12℃规则。绝缘材料的耐热等级划分耐热等级 极限温度（℃） 绝缘材料木材、纸；聚乙烯、聚氯乙稀；天然橡胶OA90105油性树脂漆及其漆包线；矿物油EB F H C120130 155 180 &180酚醛树脂塑料；胶纸板；聚酯薄膜聚酯漆；环氧树脂 聚酯亚胺漆及其漆包线 聚酰胺亚胺漆及其漆包线；硅橡胶 聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；聚四氟乙烯5.5.2 介质的电老化? 介质的电老化： ? 介质电老化的主要原因是介质中的局部放电 。? 局部放电引起介质劣化的一个典型例子是电缆中的树 枝状放电Tree-like 树枝状Bush-like 灌木丛状chestnut-like 栗子状5.5.3 机械力的影响? 例如机械应力过大会使固体介质内产生裂痕或气隙导 致局部放电。 ? 悬式绝缘子串中最易损坏的是靠近铁塔悬挂点的那只 ? 对于绝缘子来说，温度突变也会产生内部应力 ? 对于电机绝缘来说，机械力的作用对绝缘老化也有很 大影响5.5.3 环境的影响? 环境条件对绝缘的老化也有很大的影响 ? 紫外线的照射也会使绝缘油的氧化加速。因此常在油 中加入抗氧化剂，同时应避免紫外线对油的照射。 ? 选择绝缘介质时，还要考虑材料的相容性1. 普通的橡胶是不耐油的，塑料薄膜需浸油时也要考察该薄膜 与油是否有相容性 2.对工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘，还要注意介质材料 的抗生物（霉菌和昆虫等）特性，常需采用防霉剂和防虫涂料
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