002--第二章液体和固体电介质的

工程意义，P36底3点。
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二、电介质的电导
1、定义 介质在电场作用下，使其内部联系较弱 的带电粒子作有规律的运动形成电流， 即泄漏电流。这种物理现象称为电导。 表征电导过程强弱程度的物理量为电导率 γ，或它的倒数电阻率ρo表2—1
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2、 介质中的电流
(1) 电容电流ic 在加压初瞬间介质中的电 子式极化和离子式极化过程 所引起的电流，无损耗，存 在时间极短。 (2) 吸收电流ia 有损极化所对应的电流， 即夹层极化和偶极子极化时 的电流，它随时间而衰减。 (3) 泄漏电流ig 绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电流，它 不随时间而变化。
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3、影响tgδ的因素 （1）温度的影响
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（2）频率的影响
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（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。
较高电压下 测量tgδ可发现介质的气泡、分 层和裂痕等缺陷。
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描写电介质电性能的四个物理量与对应的四 个物理现象
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本章结束
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2、影响固体电介质击穿放电的因素 (1) 电压作用时间 如果电压作用时间很短（例如 0.1s以下），固体介质的 击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时 间的增长，击穿电压下降，如果在加压后数分钟到数小时才 引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分 清，例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是 电和热双重作用的结果。
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3、提高击穿电压的措施 （1） 改进制造工艺：尽可能清除介质中的杂质, 可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍 等方法。
（2）改进绝缘设计：尽可能使电场均匀。 （3）改善运行条件：注意防潮、尘污，加强散热 冷却。
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变压器排风散热
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六、电介质的老化
老化的主要形式：电老化和热老化，P46 绝缘材料的耐热等级
C0
0A
d
Q=CU
εA C = d
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A
Q Q0 CU C 0U C C0
d r A 0 0
d
εr ——相对介电系数
表征电介质在电场作用 下的极化程度。表2——1 Qo=CoU
C0
Qo=CoU
εA C = d
0A
d
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2、极化的基本形式 (1) 电子式极化
（1）热击穿电压会随周围媒质温度 t0 的上升而下降。 （2）热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越 大，介质中心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿 场强随厚度的增大而降低。
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（3）如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击 穿电压上升。 （4）f 或tgδ 的增大都会造成介质的发热量增大。临 界击穿电压下降。 (3) 电化学击穿 固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生 局部放电等原因，是绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿 的现象称为电化学击穿。 在临近最终击穿阶段，可能因劣 化处温度过高而以热击穿形式完成，也可以因劣化后电气强度 下降而以电击穿形式完成。 电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切，但 也因介质种类的不同而异。一般来说，无机绝缘材料耐局部放 电的性能较好。
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如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体 的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆 中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强
气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释 工程用变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质的， 这些杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同，从而会畸 变油中电场，影响油的击穿。 由于水和纤维的 εr 很大，很易沿电场方向极化定向，并 排列成杂质小桥。这时会发生两种情况： （1）如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串 联，由于纤维εr 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中 电场显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大， 电离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
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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(4) 夹层式极化 其特点 在两层电介质的 界面上发生电荷的 移动和积累，极化 过程缓慢，并有损 耗。
交界面积聚的异号电荷不等，在交界处显示出极性。
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(4) 夹层式极化
P36举例， 初始状态时与稳态时 的电压分配不同，过度过 程就是极化过程。 交界面积聚的异号电荷 不等，在交界处显示出极性。 极化使等值电容变大。
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流过介质的电流i由三个分量组成：
i ic ia i g
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3、吸收现象 固体电介质在直流电压作用下，观察到电路 中的电流从大到小随时间衰减,，最终稳定于某一 数值，称为“吸收现象”。 介质干燥和嘲湿程度不同，吸收现象不一 样，据此可判断绝缘性能的好坏。 4、固体电介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 表面泄漏电流的影响
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(2) 热击穿 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介 质长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时 也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散 热将在一定条件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质 温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但是如果发热大于散 热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦 ，从而发生热击穿。
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杂介质电导（或介质损耗）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，其击穿场强一般可达105～106kV/m，比热击穿时的击 穿场强高很多，后者仅为103～104kV/m。 电击穿的主要特征为： 击穿电压几乎与周围环境温度无 关；除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关 系不大；介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电压有显著 影响。
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三、电介质的损耗
1、 损耗的形式 (1) 电导损耗 由泄漏电流引起的损耗，交直流下都存在。
(2) 极化损耗
由偶极子与夹层极化引起，交流电压下极明显。
(3) 游离损耗
指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡 中局部放电所造成的损耗。
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2、介质损耗角 用介质损耗角的正切tgδ来表示介损的意义 在交流电压作用下，由于存在三种形式的损耗，需 引入一个新的物理量来表征介损的特性。
其特点:
a、极化所需时间极短。 b、 极化时没有能量损 耗。 c、温度对极化影响极小。
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(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。
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(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。
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(4) 电压作用的累积效应 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压 、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并 留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损 伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电 压的下降。 (5) 受潮 对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介质 ，受潮后击穿电压仅下降一半左右；但因为电导率和介质损耗 大大增加的缘故，容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材 料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低。
可推导出介质的有功损耗P
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P UI
2
R
UI
C
p
tg
U C p tg
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.
加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击 穿电压很高。
（5）电场均匀程度 电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也 愈大，击穿电压也愈高。
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3、提高液体电介质击穿电压的措施 （1）过滤 （2）防潮 （3）脱气 （4）采用固体电介质 覆盖层——电极表面 绝缘层 屏障——油间隙中间
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第二章
液体和固体电介质的 绝缘特性
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第二章 液体和固体电ຫໍສະໝຸດ Baidu质的绝缘特性
第一节 电介质的极化 第二节 电介质的电导 第三节 电介质的损耗 第四节 液体电介质的击穿特性 第五节 固体电介质的击穿特性 第六节 电介质的老化
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一、电介质的极化
1、定义 ： 电介质中的带电质点在电场作用下沿电场 方向作有限位移。 相同情况下不同介质极化的程度不同 Qo=CoU
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2、影响因素 (2) 电场均匀程度与介质厚度
处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随 厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度 增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不在随厚度的增加而线 性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时，增加 厚度的意义就更小了。
(3) 电压种类 直流时的击穿电压大于交流。
五、固体电介质的击穿
1、击穿形式 (1) 电击穿 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。 固体介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子）， 它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子） 不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞 时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子 ）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩， 破坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。
1.电介质的极化 2.电介质的电导 3.电介质的损耗 4.电介质的击穿 相对介电系数 r 电导率 γ 介质损失角正切tgδ 电场强度E
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四、液体电介质的击穿特性
1、 “小桥”理论（即 “气泡”击穿理论）
变压器油的击穿主要原因，在于杂质的影响,，而杂质是 水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成。 在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 εr 成反 比的。由于气泡的εr 最小（≈1），其电气强度又比液体介质低 得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀 、密度减小，这促使电离近一步发展。电离产生的带电离子撞 击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。如果许多 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。
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2、影响液体电介质击穿电压的因素 （1）自身品质因素：杂质的多少 （含水量、纤维量、气量）
通过标准油杯中变 压器油的工频击穿 电压来衡量油的品 质
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（2）温度
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（3）压力 击穿电压随压力增大。
（4）电压作用时间 当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击 穿，击穿电压随作用时间增加而降低。
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（2）如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄 漏电流增大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也 会出现气体小桥，使油隙发生击穿。
工程用变压器油的击穿有如下特点：在均匀电场中，当 工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋 即消失，油又恢复其电气强度；电压再增油中又可能出现火 花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定 的击穿。 判断油的质量，重要依靠则量其电气强度、tgδ和含水 量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频 击穿电压。