重庆大学高电压技术液体、固体介质的绝缘强度
高电压绝缘技术
在气体间隙中形成一条导电性很高的通道，气体失去了绝缘能力，气体这种由绝缘状态突变为良好导电状态的过程，称为击穿。
反之，就可以取得绝缘的效果。
2、液体介质的击穿对液体的击穿可分为两种情况。
对于纯净的介质，其击穿强度很高。
在高电场下发生击穿的机理有各种理论，主要分为电击穿理论和气泡击穿理论，前者以液体分子由电子碰撞而发生游离为前提条件，后者则认为液体分子由电子碰撞而发生气泡，或在电场作用下因其他原因发生气泡，由气泡内气体放电而引起液体介质的热击穿。
3、固体介质的击穿固体介质的击穿电压与外施电压作用长短有密切关系，其击穿电压随电压作用时间的缩短而迅速上升到其上限——固有击穿电压。
固体介质一旦击穿后，便丧失了绝缘性能，有了固有导电通道，即使去掉外施电压，也不像气体、液体介质那样能自己恢复绝缘性能，固体介质这类绝缘称为非自恢复绝缘。
固体介质的击穿可分为电击穿、热击穿、电化学击穿。
（1）电击穿在强电场作用下，介质内的少量自由电子得到加速，产生游离碰撞，使介质中带电质点数目增多，导致击穿，这种击穿称为电击穿。
其特点是：击穿过程极短，为10-6~10-8s；击穿电压高，介质温度不高；击穿场强与电场均匀程度关系密切，与周围环境温度无关。
（2）热击穿当固体介质受到电压作用时，由于介质中发生损耗引起发热。
当单位时间内介质发出的热量大于发散的热量时，介质的温度升高。
而介质具有负的温度系数，这就使电流进一步增大，损耗发热也随之增大，最后温度过高导致绝缘性能完全丧失，介质即被击穿。
这种与热过程相关的击穿称为热击穿当绝缘原来存在局部缺陷时，则该出损耗增大，温度升高，击穿就易发生在这种绝缘局部弱点出。
热击穿的特点是：击穿与环境有关，与电压作用时间有关，与电源频率有关，还与周围媒介的热导、散热条件及介质本身导热系数、损耗、厚度等有关。
击穿需要较长时间，击穿电压较低。
（3）电化学击穿电气设备在运行了很长时间后（数十小时甚至数年），运行中绝缘受到电、热、化学、机械力作用，绝缘性能逐渐变坏，这一过程是不可逆的，称此过程为老化。
高电压技术-第03章 液体和固体介质的电气特性
第二节 固体介质的击穿
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课程内容
¾固体介质的击穿理论 9电击穿理论 9热击穿理论 9电化学击穿
¾影响固体介质击穿电压的主要因素 9电压作用时间 9电场均匀程度 9温度 9受潮 9累积效应
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在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿： ¾电过程（电击穿） ¾热过程（热击穿） ¾电化学过程（电化学击穿）
10
(一)电子式极化
ρ 在外电场 E 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ρ再 重其值合为而出mρ现=感q应lρ,偶（极矢矩量mlρ ,
的方向为由－q指向＋q）。
这种极化称为电子式极化或 电子位移极化。
11
电子式极化特点
电子式极化存在于一切电介质中，有两个特 点：
15
(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。 ¾极性分子不存在外电场时， 极性分子的偶极子因热运动而 杂乱无序的排列着，如图所 示，宏观电矩等于零，因而整 个介质对外并不表现出极性。
16
¾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。
气体介质的tgδ与电场强度的关系
本图引自西南交大国家精品课高电压技术网站
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2.液体介质损耗
（1）中性和弱极性液体介质 损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电
介质的功率损耗）为：
γ P0 = γE 2 （W/cm2）
式中：-电介质的电导率，S/cm；
E -电场强度V/cm。
γ 与温度有指数关系，P0也
高电压技术--2 固体、液体的放电特性
强极性 电导率较大
液体介质的电导率γ ：
Ae
/ kT
A：常数，与介质性质有关 T：绝对温度，单位为K φ ：导电率的活性化能量，对矿物油、硅油 φ≈0.41eV k：玻尔兹曼常数 在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须记录 环境温度，以便对测量结果进行分析。
4.固体介质
（1）J-E关系（电导电流密度-电场强度关系） Ⅰ区：离子电导区，J-E成正比 Ⅱ区：离子电导区，J-E成指数 关系 Ⅲ区：电子电导区：J-E成指数 关系
射）本身产生电离，正负离子沿电场方向移动，形成 电导电流——即离子电导。 （2）电子电导：在高电场作用下，离子与电介质分子 碰撞电离，激发出电子。这些电子在电场作用下移动
形成电子电导电流。
当电子电导电流出现→电介质已被击穿（电介质
的电导一般指离子电导）。
3.液体介质
中性
极性
分子的离解度小，电导率小
一、电介质的极化
介电常数 （ εr）：反映电介质的极化特性。
1. 极化类型
相对介电常数ε r的定义： 极板间为真空时：
Q0 0 S C0 U d
当极板间充满一块电介质，极 板上的电荷增加为Q0+ΔQ。
Q0 Q S C U d
相对介电常数的定义为：
Q0 Q r 0 Q0
（1）温度的影响 t<t1：随温度升高，电导损耗增加； t1<t<t2：随温度升高，极化损耗减小； t>t2：随温度升高，电导损耗增加。
（2）频率的影响 当f在一定范围内，随f的增加，损耗增加；当f超过 一定的范围后，损耗减小。 （3）电压的影响 E<E0：当U增大，tgδ几乎不变； E>=E0：由于存在弱点或气泡发生局部放电，tgδ急 剧增加。 采用较高的电压测量损耗角正切值，可以发现介质 中夹杂的气隙、龟裂等缺陷。
高电压技术第2章 液体和固体电介质的绝缘特性
C0
相对介电常数 r
C Q0 Q 1 0 C0 Q0
19
相对介电系数εr
表征电介质在电场作用下的极化程度。它的值由电 介质的材料所决定。
气体分子间的间距很大，额度很小，因此各种气 体的相对介电系数均接近于1。 液体介质分为弱极性、极性和强极性。一般常用 弱极性和极性液体介质，弱极性为2.2，极性为 4.5。 固体介质分为中性（弱极性）、极性和离子性。 相对介电系数大多在2~7之间。
27二气体电介质的电导气体介质的电导非常小28三液体电介质的电导离子电导非极性液体电介质电导很小极性液体电介质电导很大强极性液体电介质不用做绝缘材料电泳电导29四固体电介质的电导体积电导极性固体电介质电导较大非极性固体电介质电导小离子性固体电介质不用做绝缘材料表面电导表面干燥清洁电导小电导大表面脏污受潮电导小非极性和弱极性电介质30五电导在工程实际中的意义1在绝缘预防性试验中一般要测量绝缘电阻和泄漏电流以判断绝缘是否受潮或其他劣化现象
离子式极化
11
3、偶极子式极化
偶极子式极化存在于 极性电介质中
在外电场作用下，偶极性分子沿电场方向定向排列，使整个 介质对外呈现极性的现象称为偶极子式极化。
12
偶极子式极化
特点
a. 极化所需时间较长，约为10-6S~10-2S,因而与频率有关 b. 极化过程有能量损耗 c. 温度对极化影响很 大,温度很高和很低时, 极化均减弱
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1、电介质的等值电路
交流作用下的等值电路 （a）并联等值电路 （b）串联等值电路
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2、用介质损耗角的正切tgδ来表示介损
（1）并联等值电路
I R U Rp 1 tg I C UC p C p R p P UIcosψ UI R UIC tg U 2C p tg
高电压技术 02 液体、固体电介质的绝缘特性
27
2.1.3 电介质的损耗
损耗
极化过程损耗（DC下无）
电导损耗（DC、AC都有）
28
一、介质损耗正切角（tan)
I
U
U
rg Ca Ig
Ia Ic ra C0
..
..
I IgIcIa
.
I g ：泄漏电流，由电导引起
.
I a ：吸收电流，由极化引起
.
I c ：纯电容电流。
容性电流阻性电流
C2 G2 C1 G1
电荷会重新分配（吸收电荷），在介质的交界面处积累电
荷－－夹层式（界面）极化。
夹层极化只有在低频时才有意义。
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
G1
G2
G1
G2
C1
1
U10
U 3
C2
U 20
2U 3
C1
2
U1
U 3
C2
U2
1U 3
(a) 设2G1＝G2，C1＝2C2。 (b)
Cp
1
Cs tan 2
P U 2Cp tan
32
➢如介损主要由电导引起，常用并联等效电路
➢如介损主要由介质极化及连接导线的电阻引起，常用串联 等效电路
电介质类型
tanδ/%
变压器油 蓖麻油 电工陶瓷 油浸电缆纸 沥青云母带
0.05～0.5 1～3 2～5 0.5～8 0.2～1
电介质类型
聚乙烯 交联聚乙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯
f 较小时：偶极子跟得上电场的交变，极化充分发展，此时 的εr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，tan也小，主要由电导损耗。
重庆大学高电压技术试题
重庆大学高电压技术课程试题（参考答案）一、填空（35分，每空1分，请选填35空）（1）带电质点可由碰撞、光、热和表面形式的游离形成。
（2）与均匀电场的放电过程相比，极不均匀电场的放电具有电晕放电和极性效应的特点。
（3）影响气体间隙击穿电压的主要因素有电场形式、电压波形和气体的性质和状态。
（4）大型高电压试验设备通常包括工频高电压试验设备，直流高电压发生器，冲击电压发生器。
（5）我国现行标准雷电亚冲击波头时间为 1.2μs，操作冲击电压波尾时间为2500μs。
（6）测量冲击电压分压器通常有电阻和电容两类。
（7）分布参数导线波过程中，导线上的电压为前行电压波和反行的叠加。
（8）导线1上有电压波u传播时，与导线1平行的导线2上会产生感应电压波，两根导线之间距离越近导线2上的电压波越大。
（9）雷电冲击波作用下，变压器绕组起始电位大部分压降降落在绕组首端附近，雷电冲击波越大陡度越大，变压器绕组纵绝缘上承受的电压越高，变压器绕组稳态电位分布与变压器的中性点接地方式有关。
接地的三相变压器在三相同时进波的暂态过程中绕组中部处的电压幅值最高。
（10）阀型避雷器主要由火花间隙和阀片构成，残压为避雷器动作后雷电流通过避雷器在避雷器产生的压降。
（11）输电线路保护角越小，绕击率越小。
（12）在直配电机防雷接线中，为限制保护10kV直配电机的FCD型避雷器流过的雷电冲击电流不超过3kA，所以需在直配进线处加装电缆和管型避雷器进行分流。
（13）雷电侵入波侵入变电站后，站内电气设备上过电压大小与避雷器的残压、侵入波的陡度以及设备与避雷器的距离有关。
变电站进线段的作用时限制流过避雷器的雷电流幅值和降低侵入波陡度。
（14）限制内部过电压的措施主要有线路上装设并联电抗器、带并联电阻的断路器和避雷器。
二、简述题（共30分，每题6分）（1）叙述汤逊理论的基本观点和流注理论的基本观点以及它们的适用范围。
答：汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于pd值较大的范围，两者的过渡值为pd≈26.66kPacm。
重庆大学2023年8月《高电压技术》作业考核试题及答案参考
重庆大学 2023 年 8 月《高电压技术》作业考核试题及答案〔参考〕1.承受均压环可使绝缘子串电压分布不均匀程度得到改善。
( )A.正确B.错误参考答案：A2.以下因素中，不会影响液体电介质击穿电压的是( )。
A.电压的频率B.温度C.电场的均匀程度D.杂质参考答案：A3.含卤族元素的气体化合物具有较高的电气强度。
( )A.对B.错参考答案：A4.工频高压试验常用的调压供电装置有( )。
A.自耦变压器B.感应调压器C.移卷调压器D.电动-发电机组参考答案：ABCD5.绝缘电阻的测量可以觉察( )。
A.介质内含气泡B.介质局部磨损C.介质分布不均匀D.介质已经受潮参考答案：D6.对于均匀或稍不均匀电场，因平均场强高，放电进展较快，放电时延较短，故伏秒特性比较平坦，且分散性较小。
( )A.正确B.错误参考答案：A7.110kV 进线保护段应有的耐雷水平是( )A.30kAB.60kAC.75kAD.110kA参考答案：C8.对于电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验一般承受( )。
A.二次冲击法B.三次冲击法C.四次冲击法D.五次冲击法参考答案：B9.放电形成时延：从形成第一个有效电子的瞬时起到间隙完全被击穿为止的时间。
( )A.正确B.错误参考答案：A10.陶瓷的极化类型主要包括电子式极化和离子式极化。
( )A.正确B.错误参考答案：A11.流注理论的特点在于考虑了空间电荷畸变电场和光电离的作用。
( )A.正确B.错误参考答案：A12.在大气条件下，流注理论认为放电进展的维持是靠( )。
A.碰撞游离的电子B.光游离的光子C.热游离的离子 D.外表游离的电子参考答案：B13.对于极不均匀电场，其平均场强较低，伏秒特性在击穿时间较大时便随击穿时间的减小而上翘，即伏秒特性较陡，且分散性较大。
( )14.在进展工频高压试验时，要求承受串接试验变压器的电压等级为( )。
A.110kV 以上B.220kV 以上C.330kV 以上D.500kV 以上参考答案：D15.冲击电压作用下气隙的放电时间由统计时延和放电时延组成。
重庆大学高电压2液体、固体介质的绝缘强度素材
Ca ra
R
1.3.3 影响介质损耗的因素 电压、频率、温度 (1) 电压 当电场强度达到气体的放电起始 电压 U0 时，气体中发生放电，这 时损耗将急剧增大。当固体、液 体介质中存在气泡，施加较高电 压（ U>U0 ）， tgδ 将增加，可检 查出介质内部所存在的缺陷。 （预防性试验规程试验电压 U=10kV ）
(3) 偶极子极化
极性电介质中， 极性分子无外电场作用时，极性分子的偶极 子因热运动而杂乱无序的排列着，宏观电矩等于零，因而整个 介质对外并不表现出极性。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。
特点：
极化时间较长； 非弹性极化； 频率的影响：频率↑→偶极子来不及转向→极化↓； 温度影响：T↑→转向容易→极化↑ T↑↑→热运动加剧阻碍转向→极化↓
t
U1 U2
R1 G2 R2 G1
假设：
U10 U 20
C1 C2 , R1 R2 (或G1 G2 )
t 0
C2 C1
U1 U2
t
R1 G2 R2 G1
U20 U10 ,U 2 U1
即：外加电压U在两层介质上的初始分布不等于稳态分布
U10 U1 U 20 U 2
IC 代表流过介质总的无 功电流，Ir代表流过介质 的 总有 功电流 ， Ir 包 括 Ir ，
了电导损失和极化损失。
视在功率： S P jQ U ( I r jIc ) U I r jU I c 介质损耗(有功损耗)
－功率因数角；tg－介质 式中： —电源角频率； 损耗角。
1.高电压技术前言及液体和固体电介质的绝缘特性
b. 极化时没有能量损 耗 c.温度对极化影响极小
(2). 离子式极化 其特点:
a. 极化过程极短 b. 极化过程无能量损耗 c. 温度对极化有影响,极化随温度升高而增强
(3). 偶极子式极化 其特点
a. 极化所需时间较长,因而与频率有关
b. 极化过程有能量损耗
经推导,介质损耗P为
P UI R UI Cp tg U 2C ptg
由于: (1).P值与试验电压U的高低等因素有关; (2).tgδ是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，
而仅取决于电介质的损耗特性。 (3)tgδ可以用高压电桥等仪器直接测量.
所以表征介损用介质损失角的正切tgδ 来表示,而不是用有功损耗P来表示.
3.影响tgδ的因素 （1）温度的影响
（2）频率的影响
（3）电压的影响
在电场强度不很高时，tgδ不变；
在电场强度较高时， tgδ随电场强度升高而迅 速增大
第二节
气体的绝缘特性
一.气体电介质的放电特性
1.空气在强电场下放电特性
气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方 厘米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从 少量电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发 生放电现象.
碰撞游离
当带电质点具有的动能积累到一定数值 后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可 以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离 称为碰撞游离
引起碰撞游离的条件：
1 2
m 2
Wi
Wi ：气体原子（或分子）的游离能
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的游 离
称为光游离
h W 产生光游离的条件：
i
高电压技术 第04章 固体、液体的电气强度
t
A区：击穿前时间仅为几微秒，时间短，只能发生电 击穿；
B区：击穿电压几乎不变，与时间的积累无关，显然 没有热的作用，也为电击穿； C区：随着击穿前时间的增长，击穿电压显著下降， 说明热击穿在此区域发挥了作用。
4.2 影响固体电介质击穿电压的因素
1、电压作用时间的影响： 存在临界点，即热击穿和电击穿的分界点。 2、电场均匀度和介质厚度的影响： 均匀电场 电击穿：与厚度无关。 热击穿： 厚度↑ →击穿场强↓
温度、光照、电场、触媒。
3、延缓变压器油老化的方法：
油扩张器：加装油枕，减小油与空气的接触面。 隔离胶囊：油枕中加装空心薄膜胶囊，浮在油面上。 与强触媒物质隔离：铜线镀锡。 掺入抗氧化剂：提高油的安定性。
4、变压器油的再生： 酸－碱－白土法：酸生成酸渣，碱与酸中和，清水洗 涤，白土吸附。 氢化法：特殊触媒下，用氢使油中氧还原成水。
2、工程用油（“小桥”理论）：
存在杂质：不纯、接触大气、固体脱落、液体老化。 形成“小桥”：在电场作用下这些杂质被拉长，被定 向，沿电场方向排列成杂质的“小桥”。 形成气泡：如“小桥”贯穿两极，由于组成“小桥” 的杂质的电导较大，使泄露电流增大，发热增多，促 使水分汽化，形成气泡。
气泡中发生电离：气泡中的场强大，但其耐电强度小， 故电离过程首先发生在气泡中。 击穿：“小桥”中气泡的增多，将导致“小桥”通道 被电离击穿。这种击穿属于热击穿性质。
4.3 提高固体电介质击穿电压的方法
1、改进绝缘设计： 改善电极形状及表面光洁度，使电场尽可能地均匀 分布；改善电极与绝缘体的接触条件；采用合理的绝缘 结构，使各部分耐电强度与承担的场强有合理的配合。 2、改进制造工艺： 尽可能地清除介质中地杂质、气泡、水分等。 3、改善运行条件： 注意防潮、防止尘污和有害气体地侵蚀。
高电压技术_第2章_液体和固体介质的电气特性97
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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
④ 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，危及 人身安全。
正电荷靠近 负极板 负电荷靠近 正极板
增加了极板上的电荷量
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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
Q0 0 A C0 U d
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：
Q0 Q ' A C U d
Q’是由电介质极化引起的 束缚电荷
极化机理 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。
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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
离子键（强极性键）
正、负离子之间形成很大的键矩
强极性分子
化 学 键