第二章 液体、固体介质的电气特性

转向极化
空间电荷极化 夹层介质界面极化（归到空间电荷极化）
1.电子位移极化
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 ∼ 10-15 s
极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关）
温度（无关）
消耗能量：弹性极化、无损
2.离子位移极化
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 ∼ 10-13 s 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） 离子间结合力 ↑ ↑ 离子密度 ↓ 消耗能量：弹性极化、无损
第二节 电介质的电导
一、泄漏电流和绝缘电阻
流过电介质的电流
介质等值电路
当k1合上 i=f(t) i=ic+ia+ig ic－电容电流 由无损极化引起，存在时间短 ia－吸收电流 由有损极化（主要为夹层极化）引起 存在时间长 几分钟－几十分钟 ig－泄漏电流或电导电流 不随时间变化
定义：在直流电压作用下，经过一定时间，当极化过程结束后， 流过介质的电流为稳定电流称为泄漏电流或电导电流，与其对应 的电阻或电导称为绝缘电阻或绝缘电导。
4. 夹层介质界面极化
极化机理：带电质点移动 介质类型：不均匀夹层介质中 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） 消耗能量：非弹性极化、有损
5. 空间电荷极化
极化机理：正、负自由离子或电子移动 介质类型：含离子和杂质离子的介质
建立极化时间：很长
液、固体介质与气体介质相比的特点： 1.固体介质为非自恢复绝缘 2.作为内绝缘不受大气条件变化的影响 3.液体、固体介质存在老化问题 表征绝缘材料性能的几个基本电气参数： ε －介电常数 －表征极化强弱 ρ －电阻率 －表征导电性能 γ －电导率 －表征漏电性能 tgδ －介质损耗角正切 －表征介质损耗大小 E0 －击穿场强 －表征绝缘性能（耐电性能）
二、影响介质损耗的因素
1.气体电介质：εr=1 很小 E<E0 电导很小 ∴tgδ很小 <10-8 常见气体（如空气、N2、SF6等）作为标准电容器的介质 附加损耗小 泄漏损耗小
2.液体和固体介质 1）中性或弱极性介质：它们的极化主要是无损极化
因此损耗主要是由漏导决定
按指数规律增长
2）极性液体、固体介质：
U
中心位臵两极分化形成电 矩，产生与外施电场E方向相反 的E，在介质表面出现束缚电荷 放入介质时：直流电压U对电 容器充电，极板上电荷为 Q0+ΔQ0 ΔQ0就是介质极化引 起的。
U
A Q 0 Q 0 CU d 相对介电常数 r 0A Q0 C0U 0 d
εr的物理意义：电极间加入电介质后，由极化引起的电容量 比真空时的电容量加大的倍数。因此可以用εr来表征介质极 化的强弱。
4. 温度t t在00C左右呈乳化悬浮状态的水分最多 Ub最低
t>60-800C ：t 水分蒸发在油中产生大量气泡 t<00C ε冰≈ε油 00<t<60-800C: t Ub 5. 作用时间
Ub反而
油中的悬浮状态水分逐渐转为溶解水
加压后由于油中杂质聚集到电极以及介质的发热均需要一定的 时间。 一般1－2分钟后，Ub不再随t而变 ∴t
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）
消耗能量：非弹性极化、有损
三、研究极化强弱的意义：
1.在电容器中希望εr大，使单位容量的体积和重量下降； 2.在电缆中希望εr小，使电缆工作时充电电流小； 3.在电机定子线圈出槽和套管希望εr小，以提高沿面放 电电压； 4.分层介质中E与εr成反比分配，因此有气泡时，E气泡 很高，易引起局部放电，设备制造中应避免气泡； 5.预防性试验中，可用夹层极化现象来判断绝缘受潮情 况； 6.在使用大C设备时，注意吸收电荷对人身安全的威胁。
百度文库
使用中油≮ 35kV 25kV 20kV
主要用于判断油中杂质多少的情况 不能作为油的放电电压
标准试油杯
3. 电场均匀程度的影响 均匀电场加U∽ Ub∽ ∵Q高 Q 杂质少 不易形成小桥 Q 收效大
∴在均匀电场中 不均匀电场加U∽ Ub∽基本不变
Q
∵针尖附近电晕离子的扰动将阻 止小桥形成 ∴在不均匀电场中过分强调 Q 其意义不很大
绝缘材料受潮、劣化
泥坯加热
第四节 液体介质的击穿机理
一、液体介质的击穿机理
现广泛使用的从 石油提炼出的矿 电缆油 物油 电容器油 变压器油 变压器 断路器 套管 作 绝缘介质 灭弧介质 冷却剂
其次有蓖麻油、人工合成的氯化联苯、十二烷基苯等 下面主要分析变压器油击穿机理 纯净的液体击穿场强很高 工程纯液体混有杂质的油Ub
tgδ
U达到起始游离电压U0以上时若有气泡、杂质、缺陷（如龟裂） tgδ 就开始发生游离 局部放电 产生附加损耗 因此在较高电压下测量 tgδ可以查气泡、杂质、 缺陷等情况 讨论tgδ的意义: （1）合理选择绝缘材料 tgδ 发热 可能导致热击穿
（2）可通过预防性试验判断绝缘状况tgδ （3）可利用tgδ大的材料来进行均匀加热
C1的电荷通过G1放电，C2从电源经G1再吸收一部分电荷Q吸 收，于是分层介质的界面上将堆积电荷，这种现象称为 电介质的吸收现象，该极化称为夹层极化,吸收过程的放 电时间常数为T=(C1+C2)/(G1+G2)也是当去掉外加U后内部 电荷释放的时间常数当C较大的设备断电后相当长时间内 仍有很高电压。 特别注意:要充分接地放电后才能触及设备。
为什么？
可用小桥理论来定性解释它的击穿过程 变压器油的击穿过程主要是 极性分子
水分
纤维 被游离的气体
在E作用下
逐渐排列成小桥 在电极间 将间隙接通
气泡小 桥
气泡 游离
形成气 泡
水分 汽化
发热
泄漏电 流
从而导致油间隙的击穿
二、 影响液体电介质击穿电压的因素
1.杂质（以水分特别是含水纤维）的影响最为严重
3.转向极化（偶极子极化）
极化机理：极性分子转向 介质类型：极性介质、离子偶极子极化的离子性介质 建立极化时间：需时较长，10-6 ∼ 10-2 s
3. 转向极化（偶极子极化）
极化程度影响因素： 电场强度（有关）
电源频率（有关）
温度（温度较高时降低，低温段随温度增加） 消耗能量：非弹性极化、有损
（2）设计串联多层介质的直流设备时，因为U分布与各层 G成反比，故应注意所选介质的电导尽量使材料得到合理 使用（合理分压） （3）易受潮的设备应作表面防潮处理 （4）有时希望绝缘电阻较低，如高压套管法兰附近、高 压电机定子出槽口部分可涂半导体漆来改善电压分布消除 电晕
第三节 电介质的损耗
电介质损耗 有损极化损耗 绝缘电阻损耗 附加损耗 泄漏损耗
第一节 电介质的极化
在电场力作用下，使介质原子正负电荷中心沿电场 方向产生有限位移的现象，称为电介质的极化。
一、极化的特征：
真空时：直流电压U对电容器充电 极板上电荷：Q0 电容器的电容量：C0=Q0/U=ε0A /d A ：极板面积 d ：极间距离 ε0：真空的介电常数 （8.86×10-14F/cm）
Ub∽
Ub冲
极间障：也称隔板、屏障
在油中采用厚度2－7mm的纸、胶纸、 胶布等压板或圆筒、圆管 机械地阻止杂质小 桥的形成和发展 改善电场分布 在均匀电场中，有阻止小 桥形成和发展的作用但仅能 20％
作用：
在高压变压器、油断路器中还常常采用多个极间障以得 到更好的效果，但注意障间距离要>6mm以利于油的循环冷却。
第二章 液体和固体电介质 的绝缘特性
电气设备中，除了某些场合采用气体作为绝缘外，广 泛采用的是液体和固体电介质作绝缘。 固体介质除用作绝缘外，还常作为支撑、极间屏障， 以提高气体或液体间隙的绝缘强度。 液体介质除用作绝缘外，还常作为载流导体和磁导体 的冷却剂，在一些开关电器中，还可用它做灭弧材料。 因此，对于固体介质和液体介质，不仅要求其绝缘强 度高，而且随其用途的不同，还要求其具有电、热、机械、 化学和物理等方面的性能。为此必须要研究液体介质、固 体介质的电气性能和击穿机理，以及影响其绝缘强度的各 种因素，从而了解判断其绝缘老化和损伤的程度，合理地 选择和使用绝缘材料。
油中呈悬浮状态的小水滴将使
Ub
当含水量>0.02－0.03％时，由于过多的水分将 下沉底部，故抗电强度基本稳定。
2.油的品质 为了判断油的好坏，常用标准电极油间隙的工频Ub来表示油的 质量等级，称为油的品质Q （一般作五次取平均值）
国家要求： >35kV 6－ 35kV <6kV
油品质的高低
新油≮ 40kV 30kV 25kV
气体εr≈1 液体εr ：非极性 1.8－2.5 固体εr ：2.0－10.0
极性
2.0－6.0
极化现象：电场中有电介质时，由于电场的
作用在沿电场方向表面出现束缚电荷，形成
电偶极矩的现象。
+
+
+
+
+
+
+
E0
-
-
-
-
-
-
-
极化前
极化后
二、电介质极化基本类型
电介质的极化有五种基本形式： 电子位移极化 离子位移极化
电导损耗 损耗主要包括两种 极化损耗
频率f
主要影响因素 温度t 电压u f对tgδ影响很大
但电网频率f=50HZ时影响甚小
多数极性介质
t<t1: 热运动弱，阻力大，极化弱，因此t t>t1: 热运动强，妨碍偶极子在E作用下作有规则运动 极化 >电导损耗（t t>t2: 极化损耗减小比电导损耗增加的作用小∴t tgδ tgδ) 阻力 极化 tgδ
4.夹层介质界面极化
高压设备的绝缘存在
分层介质 不均匀介质 含有杂质的介质 受潮的介质
均可视为分层绝缘
在外电场作用下，在分界面上堆积电荷，产生电矩， 称为夹层极化。 能量损耗
有损极化
当K合上时：t=0 主要流过ic 电压按C反比分配 U1 t0 C2 U2 C1 U1 R 1 G2 ∞ C相当于开路，流过iR t t U2 R 2 G1 U1 U1 C 2 G2 t 0 t 通常 故 C1 G1 U2 U2 ∴当K合上后，两层介质间有一个电压重新分配的过程， 即C1、C2上的电荷重新分配 设C1<C2 G2<G1 则当t=0时 U1>U2 当t→∞ U1<U2 当t0 U1 U2
δ称为介质损耗角，是功率因数角φ的余角
Rp IR 1 1 tg f( ) f( ) IC UCp CpR p Rp U
当设备结构定后
因此介质损耗角正切tgδ 绝缘本身的 状态 受潮有缺陷 反映 有气泡杂质 IR 夹层极化 tgδ P
绝缘劣化过程：tgδ
IR
发热
劣化
即tgδ大小反映了运行中劣化的快慢，因此测tgδ是 预防性试验项目之一，它对判断绝缘是否大面积受潮特别 有效。
二、研究介质电导的意义
（1）绝缘试验中以测 I泄漏R∞ K吸收比 来判断绝缘 受潮 劣化 缺陷
R60” K吸收比= R15”
对电容量小 的试品 R10’ K吸收比= R1’ 对电容量大的试品如大型电机、长电缆
K吸收比≥1.3 K吸收比→1
越大表示绝缘越良好 吸收现象不严重 说明吸收现象严重
表示绝缘受潮或有缺陷
作用：限制泄漏电流、阻止小桥的形成和发展 在较均匀的电场中Ub可 70－100％ 在不均匀的电场中Ub可 10－15％ 因此，在充油设备中很少采用裸导体
绝缘层： 在不均匀电场中曲率半径小的电极上包裹较厚的(几mm) 的电缆纸等固体绝缘层。 阻止杂质小桥的形成和发展 作用： 承担一定的电压 使电极附近油中的最大E
导体的电阻损耗 P金属=f(i2) 电介质的损耗 P介质=f(U2) 交流U作用下介质损耗 直流U作用下介质损耗
与电压无关 与负载大小无关
两者均有 只有后者
一、介质损耗及介质损耗角正切
简化
损耗主要由电导引起，采用并联电路
损耗主要由极化和连接线引起，采用串联电路
2 介质损耗 P= UI cos UIR UIctg U Cp tg f ( ) f (tg )
Ub
故工频耐压试验t通常取为1min
三、 提高液体介质击穿电压的方法
1.制造时采用：烘干、真空浸胶、真空灌油、设油枕、设带干燥 Ub 剂的呼吸器、充氮保护等。 杂质 覆盖 绝缘层 极间障
2.在绝缘结构上采用
杂质的影响 电缆纸 黄蜡布 涂漆膜 Ub∽ 分散性
覆盖（屏蔽）： 在曲率半径小的电极上覆盖薄的(<1mm)的