第四章绝缘油的电器性能

二、 绝缘油的电导
各种物态下的任一物质，在电场作用下带 电质点定向移动形成电流的现象，即称为 电导。
当把绝缘油放入电极间，在施加电压的初 瞬间，由于各种极化的发展，油中流过的 电流将随时间的延长而减少，经过一段时 间后，极化过程结束，其电流趋于稳定值。 该稳定电流称为“电导电流”，相应的电 阻称为“绝缘电阻”。该绝缘电阻值为体 积电阻和表面电阻并联的总和值。
测运行中油的介质损耗因数，可表明油在 运行中的老化深度。因油的介质损耗因数 是随油老化产物的增加而增大，故将油的 介质损耗因数作为运行监控指标之一。绝 缘油的介质损耗因数值对判断设备绝缘特 性的好坏有着重要的意义。
四、绝缘油的击穿
1．击穿电压
如果将施加于绝缘油的电压逐渐升高，则 当电压达到一定数值时，油的电阻几乎突 然下降至零，即电流瞬间突增，并伴随有 火花或电弧的形式通过介质（油），此时 通常称为油被“击穿”，油被击穿时的临 界电压，称为击穿电压，此时的电场强度， 称为油的绝缘强度（或称介电强度）。这 表明绝缘油抵抗电场的能力。
绝缘油虽经过精制处理，但在运输和贮存过 程中，不可避免地要吸湿、混入灰尘、纤 维或劣化产物等杂质，在强电场作用下， 这些杂质（特别是极性杂质）会发生极化， 并沿着电场方向排列起来，在电极间形成 导电的“小桥”，从而导致油被击穿。这 就是所谓的击穿“小桥”理论。
三．影响绝缘油击穿电压的因素 影响绝缘油击穿电压的因素比较多 （1）电极的形状和大小； （2）电极之间的距离； （3）升压速度和方式； （4）油杯的形状和容量； （5）水分、纤维、劣化产物等的污染； （6）温度。
2）离子位移极化
在外电场作用下，构成分子的正、负离子 之间发生相对弹性位移而产生感应电偶极 矩，这种 极化称为离子位移极化。
3）偶极子极化
在外电场作用下，电介质极性分子的固有 电偶极矩沿电场方向转向而产生宏观的感 应电偶极矩，这种极化称为偶极子极化或 转向极化。
4）夹层极化
电介质中的导电载流子在电场作用下的移 动，可能被介质中的缺陷或不同介质的分 界面所捕获，形成介质中电荷分布不均匀 而产生宏观感应电偶极矩， 这种极化称为 空间电荷极化或夹层极化。
击穿电压Ub（kV）与绝缘强度E（kV/m）， 按下式计算：
E Ub d
式中，d——电极间距离，m。 若d值一定，其它条件相同时，则Ub愈大，E 也愈高。虽然这两者的含义和单位都不同， 但均可用来相对地表示绝缘油的绝缘性能。
2．绝缘油的击穿理论
（1）电击穿理论
电击穿是油击穿的主要形式，油内总有某些数量 的自由离子，加压时由于电离作用，电极表面的 离子开始由一电极向另一电极移动。在电离作用 达到发生击穿的程度以前，离子的速度随着电压 的升高而增加，离子的数目也迅速增多，它们在 强电场的作用下，由于移动的速度快，数量多， 会使电流剧增，而导致绝缘油被击穿。这种击穿 一般需较高的电压，故新油的击穿电压一般较高。
五、析气性（气稳定性）
绝缘油的析气性（又称气稳定性）是指油 品在高电场作用下，烃分子发生物理、化 学变化时，吸收气体或放出气体的特性 （或称产气速率）。通常吸收气体以（－） 号表示，放出气体以（＋）表示。
油品析气现象的产生，是因为溶解于油中 的气泡，在高电场强度作用下，发生游离 而形成高能量的电子或离子，这些高能量 质子对油分子发生剧烈碰击，使油分子的 C-H或部分C-C链断裂，产生活泼氢及活性 烃基基团，通过活泼氢对烃分子的作用就 发生吸气或放气现象。
绝缘油在高压电场作用下，是吸收气体还 是放出气体，与它的化学组成成分有关。 如芳香烃是吸收气体的，而烷烃和环烷烃 是放出气体的。尤其是烷烃，在强电场作 用下，容易发生脱氢反应，产生高分子聚 合物，通称为X-蜡。其反应过程以下式表 示：
如提高绝缘油的气稳定性，最通常的方法 是增加油中芳香烃的含量。因油品中芳香 烃成分可以吸收氢气，其吸收过程以下式 表示：
（2）温度
tgδ随温度的升高而增大。在较高温度下 测定绝缘油的tgδ比在低温下测定更为灵敏。
（3）频率
一定频率范围内tgδ随频率增高而增大， 当绝缘油所需的极化时间与交流半周期的 时间相等时，其tgδ最大。若频率再增高， 则因时间太短极化不完全，所以其tgδ又随 频率的升高而减小。
（4）电场强度（E）
（2）气泡击穿理论
运行绝缘油中存在的气泡，在高压电场作用下会 首先电离，电离时产生的电子能量较大，碰撞时 使部分油品分子离解成气体，从而形成更多的气 泡，该过程反复进行，使气泡不断增多、变大， 最后气泡在两极间堆积成“气体小桥”时，而导 致绝缘油的击穿。可采用脱气的方法来提高绝缘 油的击穿电压。
（3）导电小桥理论
在较低的电场强度范围内，E增大时，对绝 缘油的tgδ几乎没有影响。但E增大到超过绝 缘油中气泡或杂质发生局部放电的区间时， 则tgδ随E的增加而迅速增加。
（5）杂质
运行中绝缘油的氧化产物或引入的杂质， 均会增大绝缘油的各种极化，而使绝缘油 的介质损耗增大。
3. t gδ的使用意义
tgδ是评定绝缘油电气性能的一个基本测试 项目。规定新变压器油的tgδ（90℃）不应 大于0.005；运行变压器油的tgδ（90℃）不 应大于0.020（设备电压等级为500kV时）； tgδ（90℃）不应大于0.040（设备电压等级 ≤330kV时）。
I与端电压U的相位差并不是90，而是比90 小一个δ角，此角称为绝缘油的“介质损耗 角”（为功率因素角φ的余角）。δ角的正 切（tgδ）即为介质损耗角正切（称为介质 损耗因数）。通常情况下，Ic>>Ir，δ角很小。 介质损耗可用下式计算：
P U 2Ctg
式中，P—介质损耗，W；U—外加电压V； ω—交流电源角频率，S-1；C—介质 电容量，F；tgδ—介质损耗角正切
v

d 2
4h
式中，ρv——绝缘油体积电阻率，Ω·cm； d——电极直径,cm；
h——电极间距离，cm。
影响绝缘油电导因素 1.电场强度的影响
2.温度影响 3.杂质
三、绝缘油的介质损耗
1. 介质损耗及介质损耗角正切
绝缘油在电压作用下有能量损耗。一种是电导引 起的电导损耗；另一种是由某种极化（偶极子极 化、夹层极化等）引起的极化损耗。
2. 相对介电常数
若平板电容器的电极间为真空时，其电容量 为C0；电极间为绝缘油时，其电容为C油，C油 总是比C0大。绝缘油的相对介电常数（εr）即 为油的电容量C油与真空电容量C0之比：
r

C油 C0
3. 极化的基本类型
1）电子位移极化
在外电场作用下，电介质组成粒子(原子、 离 子或分子)中围绕原子核的电子云相对带 正电的原子核所作的弹性位移而产生感应 电偶极矩。
对于固定的电容器，在电压和频率一定的 情况下，则ω、C、U均为常数，所以上式 可以简化为：
P ห้องสมุดไป่ตู้tg
由上式可知，绝缘油的损失功率与介质损耗 角的正切值成正比，即油的绝缘特性的优 劣，由介质损耗角的正切值决定。故绝缘 油的介质损耗通常不用损耗功率来表示， 而用介质损耗角的正切值tgδ表示，或称介 质损耗因数。
在电场强度不太高时，其电导电流Id与直流 电场强度Ed的关系符合欧姆定律，其比值 （ Id ）为绝缘油的电导率。电导率的倒数
Ed
为绝缘油的电阻率（ 1 ）。

绝缘油的电导率是表示在一定电压下，油 在两电极间传导电流的能力。
绝缘油的体积电阻率是表示两电极间，绝 缘油单位体积内体积电阻的大小，通常以ρv 表示。一般是测定两极间的欧姆电阻R （Ω），再依下式计算体积电阻率ρv：
在交流电压作用下，纯净绝缘油的能量损耗主要 是电导损耗，而含杂质的绝缘油，除电导损耗外 还有极化损耗。通常将电介质在交流电压下引起 的这两种能量损耗称为“介质损耗”。若在强电 场作用下还可由油中或油面上的气体电离（局部 放电）等引起附加损耗。
在交流电压作用下，通过绝缘油的电流可 分为两部分，一是无能量（电能）损耗的 无功电容电流（充放电）Ic；二是有能量 （电能）损耗的有功电流Ir，其合成电流为I。
我国提出的超高压变压器油行业标推 （SH0040-91）中，析气性的质量指标为： 不大于+5μL/min。
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第四章 绝缘油的电气性能
一、绝缘油的极化
1. 极化和相对介电常数
电介质中的荷电质点在电场作用下相应于 电场方向产生有限位移的现象，称为电介 质极化。
运行绝缘油在外电场作用下的极化形式可 分为两大类。一是无能量损耗的极化，简 称“无损极化”，如离子和电子的位移极 化。二是有能量损耗的极化，简称“有损 极化”，如偶极子极化和夹层极化等。
2．tgδ的影响因素
（1）水分和湿度。
水分是影响介质损耗的主要因素。因为水 的极性较强，在电场的作用下很易离解， 而增大绝缘油的电导电流，促使油的介质 损耗因数明显增大。
t gδ与测量时的湿度也有关系，通常湿度增 大，会使油溶解水增加（油吸潮引起的）， 而增大介质损耗，因此应在规定的相对湿 度下进行测定。