液体固体击穿
放电、击穿及闪络三个术语的含义
电缆故障测试和电缆预防性试验中放电、击穿及闪络三个术语的含义放电这是一个笼统的概念，泛指在电场作用下，绝缘材料由绝缘状态变为导电状态的跃变现象。
这种跃变现象可能呈“贯通状”发生在电极间，即其中的绝缘材料完全被短接而遭到破坏，此时电极间的电压迅速下降到甚低至或接近零值；跃变现象也可能发生在电极间的局部区域，使其中的绝缘材料局部被短接，其余部分仍有良好的绝缘性能，电极间电压仍能维持一定的数值。
前者称为破坏性放电，后者称为局部放电。
破坏性放电和局部放电可以发生在固体、液体、气体电介质及其组合介质中，换句话说，“放电”一词可以用于所有电介质及其组合中。
然而，放电发生在不同电介质及其组合中时又有特殊的称呼。
当在气体或液体电介质中，电极间发生的破坏性放电称为火花放电，如在空气间隙、油间隙发生的破坏性放电，确切的说应该是火花放电。
可见，火花放电这个词仅限用于气体和液体电介质中。
在固体电介质中发生破坏性放电时，称为击穿。
击穿时在固体电介质中留下痕迹，使固体电介质永久失去绝缘性能。
如绝缘纸板击穿时，会在纸板上留下一个孔。
可见击穿这个词仅限用于固体电介质中。
当在气体或液体电介质中沿固体绝缘表面发生破坏性放电现象，称之为闪络。
常见的是沿气体与固体电介质交界面发生的闪络。
如沿绝缘子串表面、沿套管表面的破坏性放电称之为闪络。
所以闪络这个词仅限用于特殊条件的放电现象。
电缆做预防性试验时，由于电缆局部介质绝缘下降，导致电缆相间或对钢铠的电压迅速下降到甚低至或接近零值，这时薇安表迅速上升，该现象表明电缆存在绝缘问题，需要找出电缆绝缘故障的准确位置，快速修复电缆，电缆修复后，再次进行预防性试验，直至电缆符合运行标准即可。
第8课-固体电介质的击穿
电介质的耐热等级
介质热老化的程度主要决定于温度及介质经受 热作用的时间。为此国际电工委员会按照材料 的耐热程度划分耐热等级。如
Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C >180℃
根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷 的最佳经济性设计
电介质的耐寒性
耐寒性则是绝缘材料在低温下保证安全 运行的最低许可温度，否则，固体可能 变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、 40 号变压器油分别表示其凝固温度为 10、-25、-40℃
3）. 热击穿
例：实验曲线分A、B两个范围 在A范围内：击穿电压和介质温度无关，属于电击穿性质 在B范围内：当温度超过某临界值后，击穿电压随介质温 度的增加而下降，这表明击穿已涉及到明显的热过程
Ub （kV）（有效值）
50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 A B
80 100 120 140 θ cr
击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （％）
500 450 400 350 300 区域B 区域A 250 Φ 50 200 150 100 50 0 Φ 100 μs
A、B 区：击穿属于电击穿 C 区： D 区： 属于热击穿 为电化学击穿、 电老化，击穿时 间在几十个小时 以上，甚至几年
区域C
15.3
固有击穿理论：单位时间内传导电子从电场中获 得的能量和因碰撞而失去的能量不平衡引起破坏，
称之为固有击穿理论
电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形 成电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导 致介质结构破坏，称之为电子崩击穿理论
电击穿的特点
时间影响：电压作用时间短，击穿电压高 介质特性：如果介质内含气孔或其它缺陷，对电 场造成畸变，导致介质击穿电压降低 电场均匀度：电场的均匀程度影响极大 累积效应：在极不均匀电场及冲击电压作用下，介质有 明显的不完全击穿现象，不完全击穿导致绝缘性能逐渐 下降的效应称累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施 加次数的增多而下降 无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚 度、频率等因素都无关
液体和固体介质的电气特性
杂质中εr大
油中电场强度 增高 油分解出气体 气泡扩大
气泡因电 离或发热而 不断扩大， 排列成气体 小桥贯穿两 极，液体最 终在气体通 道中击穿
引起油电离
6/90
高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿 二．影响液体电介质击穿电压的因素
1. 液体介质本身品质的影响
① 含水量 液态水在油中的两种状态： 以分子状态溶解于油中， 对击穿电压影响不大 以乳化状态悬浮在油中， 易形成“小桥”使击穿电 压明显下降 含0.1%的水分，油的击穿电 压降到干燥时的15%~30%
米
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
2. 温度
干燥的油（曲线1）：随油温升 高，电子碰撞电离过程加剧，击 穿电压下降 潮湿的油（曲线2） 温度由0℃开始 上升：一部分水 分从悬浮状态转为害处较小的溶 解状态，使击穿电压上升； 超过80 ℃后：水开始汽化，产生 气泡，引起击穿电压下降，在60 ℃～80℃间出现最大值
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第三章 液体和固体介质的电气特性
3. 工程液体电解质的击穿（变压器油）
工程液体的特点：含有杂质、纤维等， εr很大（变压器油εr=2.2）
由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向发生极化，并排列成杂质小桥。
杂质中电导大 小桥 击穿 理论 水分汽化
泄漏电流增加 ，导致发热
气泡扩大
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高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论
击穿过程 液体中出现气泡 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 气泡εr 最小，将承担高场强，且 电气强度比液体介质低很多 气泡电离后温度 上升、体积膨胀 、密度减小 气泡先发 生电离
11液体、固体电介质的击穿(1学时)
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总结
⎧ ⎧电击穿 ⎪ ⎪ ⎪液体 ⎨气泡击穿 ⎪ ⎪ “小桥”击穿 ⎪ ⎩ 液体、固体电介质击穿特性 ⎨ ⎧电击穿 ⎪ ⎪固体 ⎪ 热击穿 ⎨ ⎪ ⎪电化学击穿 ⎪ ⎩ ⎩
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液体、固体电介质部分练习题
1、液体电介质的击穿机理有哪些？ 2、影响液体电介质的击穿的主要因素？ 3、提高液体电介质的击穿的方法？ 4、固体电介质的击穿机理有哪些？ 5、影响固体电介质的击穿的主要因素？ 6、提高固体电介质的击穿的方法？
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固体电介质的击穿 – 影响因素
（4）电压种类 冲击击穿电压常大于其工频击穿电压，固体介 质在直流下的击穿电压常比工频高的多。 （5）累积效应 （6）受潮 （7）机械负荷
郑州大学电气工程绝缘设计 采用合理的绝缘结构；改善电极形状及表面光 洁度；改善电极与绝缘体的接触条件；改进密封结 构等。 2、改进制造工艺 尽可能清除介质中的杂质、气泡、水分；使介质 尽可能的均匀致密等。 3、改善运行条件 防潮、防尘、防有害气体；加强散热冷却等。
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固体电介质的击穿 – 影响因素
� 影响固体介质击穿电压的主要因素
（1）电压作用时间
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固体电介质的击穿 – 影响因素
（2）温度 电击穿与温度无关，热击穿阶段温度越高击穿电 压越低。 （3）电场均匀程度 均匀致密的固体介质如处于均匀电场中，其击穿 电压较高，而且与介质厚度的增加近似成直线关系； 如在不均匀电场中，则随着介质厚度的增加，电 场更不均匀，击穿电压已不随厚度的增加而呈直线上 升。
通常用标准油杯检查油的质量。
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液体电介质的击穿 – 影响因素
击穿电压名词解释
击穿电压名词解释击穿电压是指在绝缘介质中，当外加的电压超过一定的临界值时，介质内会出现电击穿现象，即电流会快速增大，绝缘介质失去绝缘性能，导电通路形成。
击穿电压也可以称为绝缘强度或绝缘破坏电压，是评价绝缘材料和绝缘结构性能的重要指标之一。
击穿电压的大小取决于绝缘介质的性质、厚度和形状，以及外界环境的影响。
常用的绝缘材料有气体、液体和固体，不同材料的击穿电压有很大差异。
一般来说，气体的击穿电压最低，固体的击穿电压最高。
在绝缘材料中，存在不同类型的击穿现象。
常见的有穿孔击穿、表面击穿和体积击穿。
穿孔击穿是指电场的强度超过绝缘材料的绝缘强度，在材料中形成连续导电通道，导致局部的电流密度剧增。
表面击穿是指电场的强度足以在绝缘材料表面形成电火花，出现局部的放电现象。
体积击穿则是指整个绝缘材料体积内发生了连续的电流通道形成。
击穿电压是评价绝缘材料和绝缘结构安全性能的重要参数。
在电气设备和电源系统中，正确选择击穿电压是确保设备正常运行和人身安全的关键因素。
一般来说，击穿电压需要大于设备所需工作电压的2倍或以上，以确保绝缘材料在设备运行时不会发生击穿。
此外，评估绝缘材料的击穿电压还可以帮助设计合适的绝缘结构和加强绝缘材料的防护措施。
为了提高绝缘材料的击穿电压，可以采用以下方法：1. 选用较好的绝缘材料，例如高绝缘强度的固体绝缘材料。
2. 增加绝缘材料的厚度，增加电场的分布范围，减小电场的强度，提高击穿电压。
3. 采用多层绝缘结构，形成串联的绝缘层，使电场分布均匀，减小局部电场的集中，提高击穿电压。
4. 采用表面处理技术，改变绝缘材料表面的性质，提高绝缘强度，提高击穿电压。
5. 加强绝缘材料的防污染措施，防止因灰尘、湿度等因素导致绝缘强度下降，降低击穿电压。
总而言之，击穿电压是绝缘材料和绝缘结构性能的重要指标，对于确保电气设备和电源系统的正常运行和人身安全具有重要作用。
了解并正确评估击穿电压可以帮助人们选用合适的绝缘材料和设计合理的绝缘结构，提高设备的可靠性和安全性。
高电压技术 液体介质的击穿
2.4 组合绝缘的特性
电气设备内部绝缘结构中常用液体与固 体介质构成组合绝缘
油—屏障绝缘 油纸绝缘
组合绝缘强度不仅取决于所用介质的绝 缘强度，还与介质的互相配合有关
2.4.1 油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点
油—屏障绝缘
以油为主要绝缘介质，散热、冷却作用好 屏障的作用：改善油间隙中电场分布和阻止杂质小 桥的形成 广泛用于变压器中 屏障的总厚度不宜取得过大（否则可能引起油中场 强增高）
屏蔽电极的均压原理1（均压环）
工程中应 用很多！
屏蔽电极的均压原理2（均压环）
a:只考虑对地电容CE b:只考虑对导线电容CL c:同时考虑CE和CL
工程中应 用很多！
pause
2.6 电力系统过电压与绝缘配合
过电压（over voltage）
电气设备上出现的高于工作电压的电压
按来源形式分类
绝缘油的老化（氧化、温度》》》油枕） 户外绝缘应能耐受日晒雨淋 湿热区域使用的要有抗生物特性
材料的相容性
绝缘与导体之间（化学反应、相容）
支柱绝缘子内屏蔽
330kV绝缘子柱
330kV及以上的悬式绝缘子串 一般也装有均压环 绝缘子数决定于线路所要求 的绝缘水平： 35kV-3片 110kV-7片 200kV-13片 330kV-19片 500kV-28片
气隙的产生
制造过程：浇注、挤压成型等 绝缘与电极接触不良
2.3.3.1 局部放电的等值电路
Cm>>Cg>>Cb
Cb ug u C g Cb
1、微量压降
2、电流脉冲
放电前后，间隙g两端的电压变化为(Ug-Ur) C m Cb 对间隙g放电的电容量为： C g C m Cb
气体固体液体电介质击穿过程的异同
气体固体液体电介质击穿过程的异同在我们生活中，气体、固体、液体和电介质都扮演着重要的角色，但当它们遇到电压时，情况就变得有趣了。
想象一下，就像我们在热锅上煮水，水分子一开始懒洋洋地呆着，突然加热之后，它们开始活跃，整个气氛瞬间就变得热烈起来。
这就像气体在电场下，随着电压的增加，气体分子们逐渐被激发，最终达到一种击穿的状态。
哇，这可是个激动人心的时刻，气体里的离子开始奔跑，像是聚会的年轻人，一下子就打破了原有的沉寂，形成了电流。
这种现象我们称为“气体击穿”，听起来是不是挺酷的？再说说固体，固体的击穿就像是在一个坚固的城堡里，原本安静的守卫突然发现外面来了敌人，固体中的电子并不容易被激发。
它们得先突破重重防线，经过一番苦战，才有可能进入击穿状态。
这时候，城堡里就会出现一条裂缝，电流也就趁机而入。
固体的击穿往往需要更高的电压，这就像打破坚冰，非得动用点“重武器”才能奏效。
而液体的情况又是另一番景象。
液体分子就像在水中游泳的鱼儿，一开始在电场的影响下，它们也会变得活跃。
但液体的击穿更像是一场聚会，朋友们在水里玩得正欢，电场的出现就像是一个闪亮的烟花，把大家的注意力吸引过去。
随着电压的增加，液体分子开始剧烈运动，最终形成了导电路径。
这种情况常常会让人联想到水电的奇妙联系，真是让人感叹大自然的神奇。
再来看看电介质，这可是一位非常特别的角色。
电介质就像是聚会中总是保持冷静的人，虽然它的结构相对复杂，但在电场作用下，它却能产生极大的极化效应。
当电场施加到它身上时，电介质内部的电偶极子开始排列，形成了一个隐秘的保护层。
可是，当电压足够高时，这层保护就会被打破，电流便会蜂拥而入，形成击穿现象。
这就像是终于忍不住加入舞池的朋友，一下子就把气氛推向了高兴。
说到这里，我们不得不提到这些击穿过程的异同。
气体、固体、液体和电介质都可以在电场的影响下发生击穿，但每种物质的“耐压能力”可不一样。
气体需要较低的电压，固体的耐压最高，液体则介于两者之间，而电介质则有自己独特的表现方式。
5液体、固体介质的击穿
（3）散热比较困难，工作温度低（＜90℃），易受潮， 且受潮后击穿场强显著降低。
应用： 广泛用于电力电容器、高压套管、互感器、电缆、 变压器等。
2、油-屏障绝缘：以油作为主要介质，屏障是为了改善油
隙的电场分布和阻止杂质小桥的形成。
特点： 结构及生产工艺较简单，散热良好； 但电气强度较油-纸绝缘低。
二、影响固体介质击穿的因素
电压作用时间、 E均匀程度、温度、受潮、累积效应等
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，击穿电压当然较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压 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，例如工频1min耐压试验中试 品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。 电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多 属于电化学击穿的范畴。
3.1 液体介质的击穿
一、液体介质的击穿机理
主要包括天然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。
1、纯净液体介质的击穿理论
（1）电子碰撞游离理论（电击穿理论） 在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子时可引起游离，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。
2、采用固体介质降低杂质的影响
机理：阻止杂质小桥的形成和发展 （1）覆盖 紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高 油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有 零点几毫米。 （2）绝缘层 当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层， 一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高 油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。
第三章 液体和固体电介质的击穿特性2018.4
➢ 条件：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，固体介质的击 穿通常为电击穿。
➢ 电击穿的主要特征：
①与周围环境温度有关；
②击穿时间很短（10 μs～0.2s) ，击穿电压与时间
无关；
③击穿前介质发热不显著；
④电场均匀程度对击穿有显著影响。
2. 热击穿过程
• 击穿机理：固体介质会因介质损耗而发热，如果 周围环境温度高，散热条件不好，介质温度将不 断上升而导致绝缘的破坏，如介质分解、熔化、 碳化或烧焦，从而引起热击穿。
变压器等充油电力设备中广泛采用油-屏障绝缘结构。
固体电介质的电气强度
在气、液、固三种电介质中，固体材料密度最大， 耐电强度也最高。通常， 空气的耐电强度3kV/mm～4 kV/mm； 液体的耐电强度10kV/mm～20 kV/mm； 固体的耐电强度几十kV/mm～几百 kV/mm；
✓固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不 可恢复的绝缘。
在标准油杯中测得的油的耐电强度只能作为对油 的品质的衡量标准，不能用此数值直接计算在不同条 件下油间隙的耐受电压。
（一）杂质的影响
水分：水在变压器油中有三种状态：
（1）溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；
（2）悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。
（3）沉渣态：沉淀于容器底部
溶解状的水对油的耐压影响不大；悬浮状的水分易形 成小桥，对击穿电压的影响较大。 沉淀于容器底部的 水分不在电场空间内，对油击穿无影响。
杂质“小桥”
沿电场极化 定向排列
“杂质小桥”贯通两电极
“杂质小桥”未贯通两电极
受潮纤维在电极间定向示意图
“杂质小桥”贯通两电极
如果杂质小桥接通电极，因其电导大而导致泄漏电 流增大，发热会促使水分汽化，形成气泡；气泡扩大， 发展下去会出现气体小桥，气泡小桥贯穿，使油隙发 生击穿。
5液体、固体介质的击穿教程
②80度以上： 温度↑→汽化↑→Ub↓
③-5度-0度：冰水、全部悬浮，Ub最低 ④-5度以下：粘度↑→小桥不易形成→Ub↑
3、电场均匀度
电场较均匀时，电场越均匀杂质小桥越易形成，油的品质 对工频Ub影响越大； 电场极不均匀时，电极附近电场很强，造成强烈电离，电 场力对带电质点的强烈作用使该处的油剧烈扰动，杂质和水 分很难形成“小桥”。
悬浮态的水易在电场下形成 “小桥”，对击穿电压影响很大；
变压器油中含水量超过溶解度 50ppm时，含水量↑→Ub迅速↓
（2）纤维越多，杂质小桥越易形 成，击穿电压越低
有纤维存在时，水分影响特别明显
（3）气体含量超过油中溶解度时， 将以自由态出现→Ub迅速↓
2、油温
①0-60度： 温度↑→水珠溶解度↑→Ub↑
2、热击穿理论
由于电导γ存在→损耗→发热→T↑→R↓→I↑↑→损耗 发热↑↑(Q发>Q散)→T↑↑→介质分解、劣化→击穿
热击穿的主要特点：
击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。 击穿时间较长，击穿电压较低。
3、电化学击穿
固体介质在电、热、化学和机械力长期作用下，会逐渐 发生某些物理化学过程，使其绝缘性能逐渐劣化，这种 现象称为绝缘的老化。 由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。 最终可能是电击穿也可能是热击穿。 电化学击穿特点： 长时间；击穿电压低（工作电压下即可能发生）
2、工程用变压器油的击穿过程及其特点
可用气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的形成、发热膨 胀、气泡通道扩大并形成小桥，有热过程，属于热击穿范畴。 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。
油中受潮→水分(εr=81) 纸布脱落→纤维(εr=6-7) 有两种情况： (1)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 促使汽化，气泡扩大，发 展下去会出现气体小桥， 使油隙发生击穿。
第三章固体电介质和液体电介质的击穿特性
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同
工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件 电子崩发展至一定大小为击穿条件
液体电介质
纯净的液体电介质
击穿机理
电击穿过程
工程用液体电介质（含杂质）
电击穿过程 气泡击穿过程
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
1.杂质
2.温度 3.电场的均匀程度 4.电压作用时间 5.压力
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
油中含有杂质，击穿电压就会显著降低!
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
引言
空气的耐电强度 液体介质的耐电强度 固体介质的耐电强度
10 — 30kV/cm左右； 100 — 200 kV/cm； 一百多 — 几千kV/cm
液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料。
液体、固体电介质的电气强度高，用它们作为绝缘介质，可以大 大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积。
二、影响液体介质击穿电压的主要因素 2.温度
①干燥的油 温度对有的击穿电压影响很小 ②受潮的油 冰－溶解－汽化＝击穿电压“N”形变化
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
3.电场均匀程度
电场愈均匀，杂质越易形成“小桥”， 杂质对油在工频电压下的击穿电压的影响愈大。
优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电 压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。
绝缘油的试验项目及标准
液体、固体电介质特性
直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘承受的电 压与其绝缘电阻成正比；【电气强度高、电导率小的材 料用在电场最强处】
交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘承受的 电压与其电容成反比；【电气强度高、介电常数小的材 料用在电场最强处】
U
r1 r2
r0
12
E2
r
2
[
1
1
ln
U r1 r0
1
2
ln
r2 r1
]
优点：绝缘材料的利用率高
实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密 度有关 ，密度大的纸（高）与低密度纸搭配使用多层分阶27。
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
➢ 电老化——局部放电 ➢ 热老化——热作用下的氧化 ➢ 环境老化——污染性化学老化
U
(R1
R2
... Rn )I
(1
1
d1 S
1
2
d2 S
...
1
n
dn )I S
1 S
( d1
1
d2
2
...
dn )I
n
RI
I U R
U1
R1I
1
1
d1 S
I
d1
1S
U R
1
(
d1
1
Ud1 d2 ...
2
dn
n
)
E1
U1 d1
1
(
d1
1
U d2 ...
2
dn )
n
1
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
第5章电介质的击穿气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿¾电介质的击穿介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。
¾击穿电压¾击穿场强：电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。
5.1 气体电介质的击穿¾正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。
气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电状态的过程。
击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比.击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。
平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称¾气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。
5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。
α如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。
类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
电子崩模型右图所示，在电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾是正离子。
在强电场中出现电子崩α的过程称为过程。
这样的放电依赖于外界条件的，也称为非自持放电.（2）气体的自持放电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用，由γ过程和过程一起来决定气隙中的电流。
第三章 液体和固体电介质的击穿特性
2、采用固体介质降低杂质的影响 2）绝缘层——在曲率半径很小的电极包缠很厚的固体绝缘，改善 油中的电场分布。适用于极不均匀电场。
1）覆盖——在曲率半径较小的电极覆盖固体绝缘，以切断杂质小 桥、限制泄漏电流。适用于电场比较均匀的场合。
紧紧包在小曲率半径上 薄固体绝缘层（诸如电缆纸、黄蜡布、 漆膜等）称为覆盖，其厚度一般只有零点几微米，所以不会引起油 中电场的变化。它能阻止杂质小桥直接接触电极，因而能有效的控 制泄漏电流，从而阻碍杂质击穿过程的发展。电场约均匀，杂质小 桥对油隙击穿电压的影响越大，采用覆盖的效果越显著。由于采用 覆盖花费不多，而收效明显，所以在各种充油的电气设备中都很少 采用裸导体。
当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝缘层，一般 厚度为数毫米到数十毫米。绝缘层不但能象覆盖那样减小油中杂质 的有害影响，而且能降低电极表面附近的电场强度，大大提高整个 油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。变压器中某些线饼或静电屏 上包以较厚的绝缘层都是为了这个目的。
3）屏障——”油-纸”或“油-布”绝缘，切断杂质小桥，改善电场 分布，提高油间隙的工频击穿电压。屏障的形式要因电极形状而定， 并且，屏障要足够大，已能包住电极。 如果在油隙中放置尺寸、形状与电极相适应、厚度为1～5mm 的层压纸板（筒）或层压布板（筒）屏障，那么它既能阻止杂质小 桥的形成又象气体屏障那样拦住一部分带电粒子，使电场变得比较 均匀。电场越不均匀，放置屏障的效果越好。 如果用多重屏障将油隙分隔成多个较短油隙，则击穿场强能 提高更多。但相临屏障间距不宜太小，因为这不利于油隙冷却循 环。另一方面，屏障的总厚度也不能太大，因为固体介质的介电 常数比变压器油大。所以固体介质总厚度的增加会引起油中电场 强度的增大。通常设计时控制屏障的总厚度不大于整个油隙长度 的1/3。
液体和固体电介质的击穿特性解读
固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复 的绝缘
普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷 处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质 的不均匀性
一、 击穿机理——（1）电击穿理论
电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，固体电 介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子
碰撞，从而导致击穿
电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与环
境温度无关，与电场均匀程度有密切关系，与电压作用时间关 系很小。
当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条件，且内部不
存在局部放电，这种情况下发生的击穿通常是电击穿。其击穿
场强一般可达105～106kV／m 。
击穿理论——（2）热击穿理论
3.1液体电介质的击穿特性
液体电介质的击穿机理
影响液体电介质击穿电压的因素
提高液体电介质击穿电压的方法
液体电介质不仅具有较高的电气强度，而且它的流 动性使其还具有散热和灭弧作用，同时可以与固体 介质结合，填充固体电介质的空隙，从而大大提高 绝缘的局部放电起始电压和绝缘的电气强度 液体介质主要有天然的矿物油（变压器油、电容器 油和电缆油）和人工合成油（硅油）
发生两种情况：
(1)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质 与油串联，由于纤维的εr大以及含水分纤维的电 导大，使其端部油中电场强度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。
(2)如果杂质小桥尚未接通电极，因小桥的电 导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化，气 泡扩大，发展下去会出现气体小桥，使油隙发生 击穿。
3 电场均匀度 在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电 场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品 质好坏几乎无关。 优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频 击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。 品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效 果较差。
电介质击穿
电介质击穿dielectric breakdown在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力的现象。
分为固体电介质击穿、液体电介质击穿和气体电介质击穿3种。
固体电介质击穿导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。
均匀电场中，击穿电压与介质厚度之比称为击穿电场强度（简称击穿场强，又称介电强度）。
它反映固体电介质自身的耐电强度。
不均匀电场中，击穿电压与击穿处介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体介质的介电强度。
固体介质击穿后，由于有巨大电流通过，介质中会出现熔化或烧焦的通道，或出现裂纹。
脆性介质击穿时，常发生材料的碎裂，可据此破碎非金属矿石。
固体电介质击穿有3种形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。
电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电质点而导致电介质失去绝缘性能。
热击穿是因在电场作用下，电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。
电化学击穿是在电场、温度等因素作用下，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最终丧失绝缘能力。
固体电介质的化学变化通常使其电导增加，这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。
温度和电压作用时间对电击穿的影响小，对热击穿和电化学击穿的影响大；电场局部不均匀性对热击穿的影响小，对其他两种影响大。
液体电介质击穿纯净液体电介质与含杂质的工程液体电介质的击穿机理不同。
对前者主要有电击穿理论和气泡击穿理论，对后者有气体桥击穿理论。
沿液体和固体电介质分界面的放电现象称为液体电介质中的沿面放电。
这种放电不仅使液体变质，而且放电产生的热作用和剧烈的压力变化可能使固体介质内产生气泡。
经多次作用会使固体介质出现分层、开裂现象，放电有可能在固体介质内发展，绝缘结构的击穿电压因此下降。
脉冲电压下液体电介质击穿时，常出现强力气体冲击波（即电水锤），可用于水下探矿、桥墩探伤及人体内脏结石的体外破碎。
气体电介质击穿在电场作用下气体分子发生碰撞电离而导致电极间的贯穿性放电。
其影响因素很多，主要有作用电压、电板形状、气体的性质及状态等。
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(3). 偶极子式极化
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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
c. 温度对极化影响很大,温度很高和很低时, 极化均减弱
(4). 夹层式极化
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，其极 化过程缓慢，有 能量损耗
3、讨论介质极化在工程实际中的意义
液体电介质电气强度比气体的高；用液体介质 代替气体介质制造的高压电气设备体积小，节省材 料；液体介质大多可燃，易氧化变质，导致电气性 能变坏。
电气设备对液体介质的要求： 电气性能好，如绝缘强度高、电阻率高、介质 损耗及介电常数小（电容器则要求介电常数高）； 散热及流动性能好，即粘度低、导热好、物理 及化学性质稳定、不易燃、无毒等。
2.1.3.电介 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.
2.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。
1.定义
2.1.1. 电介质的极化
视频链接
1.极化定义：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。
C0
0A
d
2. 极化的基本形式
(1) 电子式极化 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
图a极化前 图 b极化后 视频链接
(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
图3-12 电介质击穿时的伏安特性
与气体、液体介质相比，固体介质的击穿场 强较高，但固体介质击穿后材料中留下有不能恢 复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使 去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自 行恢复绝缘性能。
1.固体电介质的击穿机理
固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击 穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。
1)选择电容器中的绝缘材料时，在相同耐电强度的情况 下，要选择εr较大的材料。在其绝缘结构里，希望 其小些
2)
E1 2
E2 1
3)材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响 绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。
4)在绝缘预防性实验中，夹层极化现象可用来判断绝缘 受潮情况
2.1.2 电介质的电导
2.3固体电介质的击穿
当施加于电介质的电场增大到相当强时，电介 质的电导就不服从欧姆定律了，实验表明，电介质 在强电场下的电流密度按指数规律随电场强度增加 而增加，当电场进一步增强到某个临界值时，电介 质的电导突然剧增，电介质便由绝缘状态变为导电 状态，这一跃变现象称为电介质的击穿。
介质发生击穿时，通 过介质的电流剧烈地增加， 通常以介质伏安特性斜率 趋向于∞作为击穿发生的 标志（见图3-12）。发生 击穿时的临界电压称为电 介质的击穿电压，相应的 电场强度称为电介质的击 穿场强。
（3）电化学击穿
固体介质在长期工作电压作用下，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称为电化学击穿。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)产生活性气体对介质氧化、腐蚀 2)温升使局部介质损耗增加； 3)切断分子结构，导致介质破坏。
4、讨论电介质电导的意义
（1)、介质干燥和嘲湿,吸收现象不一样,据此可 判断绝缘性能的好坏.
（2）、多层介质在直流电压作用下面，电压分 布与电导成反比，故设计用于直流的设备要注 意介质的电导。
（3）、设计时应该考虑绝缘的使用环境，特别 是湿度影响。
（4）、并非所有的情况都要求绝缘电阻值高， 有些情况下要设法减小绝缘电阻值。
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 论中的作用有些相似。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。
（2）“小桥”理论
液体电介质有矿物绝缘油、合成绝缘油和植物 油三大类。实际应用中，也常使用混合油，即用两 种或两种以上的绝缘油混合成新的绝缘油，以改善 某些特性，例如耐燃性、析气性、自熄性、局部放 电特性等。
电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作
用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别
以四个主要参数，即电导率 （或绝缘电阻率 ）、
（2）温度
（3）电压作用时间
加压后短至几个微秒时，表现为电击 穿，击穿电压很高
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
（4）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
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）覆盖层 （5）绝缘层 （6）屏障
(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 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。
流过介质的电流i由三个分量
组成：i ic ia ig
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”。
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，它们在电 场的作用下，在电极间逐渐排列成为 小桥，从而导致击穿。
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
介电常数 、介质损耗角正切 tan 和击穿电场强度
（简称击穿场强）E
来表示。
b
一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导 和损耗等电气物理现象。
电介质极化的种类：
1. 电子式极化 2. 离子式极化 3. 偶极子极化 4. 夹层极化
视频链接 视频链接 视频链接
第二章
液体和固体介质的 电气特性
经推导,介质损耗P为
P U 2Cptg
经推导,介质损耗P为 P UI R UI Cp tg U 2C ptg
因为: (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。
第2章 液体、固体介质的电气特性
液体电介质又称绝缘油，在常温下为液态，在 电气设备中起绝缘、传热、浸渍及填充作用，主 要用在变压器、油断路器、电容器和电缆等电气 设备中。在断路器和电容器中的绝缘油还分别有 灭弧和储能作用。
固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常见 的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等，而用于制造 绝缘子的固体介质有电瓷、玻璃、硅橡胶等。
（1）、电击穿
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，固体介质的击 穿通常为电击穿，击穿场强可达105-106kV/m。
3、电击穿的主要特征： ① 与周围环境温度有关； ② 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； ③ 介质发热不显著； ④ 电场均匀程度对击穿有显著影响。
(4)受潮
受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的 性质有关。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；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，这是因电导率和介质损 耗大大增加的缘故。所以高压绝缘结构在制造 时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并 定期检查受潮情况。
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ρ。
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).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，且随介质厚度的增加近似地成线性增大；若 在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀， 于是击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚 度增加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。常用的固体介质一般都含有杂质 和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电 场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处， 使击穿电压下降。如果经过真空干燥、真空浸油或 浸漆处理，则击穿电压可明显提高。
(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
2.4.绝缘介质的其他特性
1、热性能 2、机械性能 3、吸潮性能 4、生化性能
(5)累积效应
固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很 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。
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。
(3)温度
固体介质在某个温度范围内其击穿性质属 于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几 乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度 越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度 也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。因 此，以固体介质作绝缘材料的电气设备，如果 某处局部温度过高，在工作电压下即有热击穿 的危险。不同的固体介质其耐热性能和耐热等 级是不同的，因此它们由电击穿转为热击穿的 临界温度一般也是不同的。