《高电压工程基础》第5章 液体和固体介质的电气特性

高电压工程基础 5.3.3 电化学击穿
对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下 降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的 主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。
介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产 生的活性气体如O3，NO，NO2等对介质将产生氧化和腐 蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介 质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。
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有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。
对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可
用三个并联支路的等值回路来表示。
C0反映电子式和 离子式极化
R反映电导损耗
C′，r支路反映 吸收电流
其中， d（cm）为电介质厚度，
l（cm）为电极长度。
高电压工程基础 5.1.3 电介质的能量损耗
电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的 损耗和由极化引起的损耗。
介质损耗为： P Q tan U 2C tan
P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于
互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来判断介质的品质。
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黄铜电极
油间隙距 离2.5mm
绝缘外壳
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
高电压工程基础 5.2.1 影响液体介质击穿的因素
（1）杂质的影响 水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多 大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。
W为1×10-4时已使 油的击穿强度降得 很低。含水量再增
C0
0A
d
当极板间插入固体介质后，电容量为 C A
式中 A－极板面积，cm2；
d
d－极间距离，cm；ε－介质的介电常数
ε0－真空的介电常数，ε0=8.86×10-14F/cm
定义
r
0
C
C0
为介质的相对介电常数。
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2. 极化
概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中
和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现
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空气隙的 电容
与气隙串 联的介质
电容
Cm>>Cg>>Cb
局部放电的等效电路
绝缘完 好部分 的电容
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电极间加上瞬时值为u的交流电压时，Cg上的电压瞬时值ug为:
ug
u
Cb Cg Cb
气隙的
放电电压
气隙的放电 熄灭电压
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真实放电量：qr
Cg
CmCb Cm Cb
5～7 5.5～6.5
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5.1.2 电介质的电导
电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导
率γ，在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的
绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关
系：
Ae kT
式中 A－常数，与介质性质有关；
T－热力学温度，单位为K；
ф－电导活化能；
k－波尔兹曼常数。
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材料类别 气体介质
弱极性
液体介质
极性 强极性
固体介质
中性或 弱极性 极性
离子性
名称
εr（工频，20℃）
空气（大气压）
1.00059
变压器油 硅有机液体
2.2~2.5 2.2~2.8
蓖麻油
4.5
丙酮
22
酒精
33
水
81
石蜡 聚乙烯
2.0～2.5 2.25～2.35
聚氯乙烯
3.2～4
云母 电瓷
有累积效应
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5.3.2 热击穿
概念：
绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引 起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急 剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质 中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料 的热破坏而导致击穿。 特点：
（1）击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高 试验电压时也常需要好几分钟。
不能将实验室中对小体积 油的测试结果，直接用于 高压电气设备绝缘的设计
均匀电场中油（T=90℃）的冲击击穿场强 与油体积的关系
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（4）电压形式的影响 杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因
此油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。极不 均匀电场中冲击系数约为1.4~l.5，均匀场中可达2或更高。
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第5章 液体和固体介质的电气特性
5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化
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5.1 电介质的极化、电导与损耗
5.1.1 电介质的极化
1. 介电常数、相对介电常数
平行平板电容器在真空中的电容量为
大时，影响不大
标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系
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（2）温度的影响
干燥的油
受潮的油
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系
0～80℃，Ub提高 （水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下 降（水分汽化）； 低于0℃，Ub提高 （水滴冻结成冰粒）
标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
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5.2 液体介质的击穿
纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在 标准试油杯中所得数据） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引 起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”， 引起击穿，即“小桥理论”。
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1. 体积电阻
体积电阻的测量电路
体积电阻率为：
v
Rv
S d
体积电导率为：
v
1
v
1 Rv
d S
Gv
d S
其中， d（cm）为电介质厚度， S（cm2）为电极表面积。
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2. 表面电阻
表面电阻的测量电路
表面电阻率为：
s
Rs
l d
表面电导率为：
s
1
s
1 Rs
d l
Gs
d l
了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。
分类：
电子式极化 离子式极化
无损极化
偶极子极化 界面极化
有损极化
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（1）电子式极化 存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s ； 具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。 （2）离子式极化 弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10-13s；温度 对此极化存在一定影响，εr一般具有正的温度系数。 （3）偶极子极化 转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s～ 10-2s；εr在低温下先随温度的升高而增加，以后当热 运动变得强烈时，εr又随温度上升而减小。
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（2）介质界面与电极表面斜交的情况
介质2
介质 1
在介质2中发生折射
Et1
tan 1 En1 En2 1 tan 2 Et2 En1 2
En2
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P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大 大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加 以注意！
高电压工程基础 5.4.3 电场调整的方法 ➢ 采用分阶绝缘的电力电缆
(Ug
Ur )
(Cg
Cb )(Ug
Ur )
不可测量
视在放电量：q
U
Cm
CbCg Cb Cg
真实放电量与视在放电量关系：
q
Cb Cg Cb
qr
单次局部放电的能量：
W
1 2
qUi
（Ui 为气泡放电时试品上的电压）
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5.4 组合绝缘的特性
5.4.1 油－屏障绝缘与油纸绝缘的特点
固体介质的电击穿过程与气体相似，碰撞电离形成 电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。
固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压有可 能低于单次冲击作用时的值。因为固体介质为非自恢复 绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分损伤，则多次作 用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象为累积效应。
基本无累积效应
耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。
T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强，
极化损耗增加
电导损耗占主要部 分，tanδ重新随温度
上升而增加
分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损
耗减小
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（3）固体介质的损耗
分子式结构介质： 中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等； 极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相 似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等， 离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等； 不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间 的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等； 强极性电介质：在高压设备中极少使用。
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（1）气体介质的损耗 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的
损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ<10-8）。
但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局 部放电，损耗急剧增加，如图所示。
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（2）液体介质的损耗
中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。
极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损
-1.2/50μs波
+1.2/50μs波
工频电压
稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系
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5.2.2 减小杂质影响的措施
（1）过滤 使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将 纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸 等也会被滤纸所吸附。
（2）防潮 绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空 干燥法去除水分。
（2）在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿。
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根本不存在热 平衡点，必然
发生热击穿
曲线2与曲线4相切，只有一 个热平衡点Tb，但不稳定。 U2是临界热击穿电压，Tc则
是热击穿的临界温度
发热曲线3与散热曲 线有两个交点，即热 平衡点Ta和Tc。 Ta稳 定， Tc不稳定
介质发热（曲线1，2，3）及散热（曲线4）与介质温度的关系 U1> U2> U3
ε1>ε2>…>εn，且ε1r1=ε2r2=…=εnrn=常数。离缆芯较远 的介质层也能得到充分的利用，因此可使电缆尺寸缩小。
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➢ GIS中的环氧盘形支撑绝缘子
采用等 厚度的 盘形支 撑绝缘 子时， 沿面电 位分布 不均匀
改变绝缘 子形状使 电力线发 生折射， 可以使介 质界面上 电位分布 变均匀
（3）祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到 去除油中水分和气体的目的。
（4）用固体介质减小油中杂质的影响 常用措施为覆盖 层、绝缘层和屏障。
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5.3 固体介质的击穿
固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其 击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。
高电压工程基础 5.3.1 电击穿
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（3）油体积的影响
稍不均匀电场百度文库T=100℃
稍不均匀电场 T=20℃
极不均匀电场 T=20℃
随着间隙长 度的增加变 压器油的击 穿场强下降
变压器油中水分含量为31×10-6时的Ub与d的关系
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规律：油的击穿强度随油体积的
增加而明显下降。
原因：间隙中缺陷(即杂质)出现
的概率随油体积的增加而增大。
油: 主要绝缘介质，因为有很好的冷却作用。 屏障: 改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成。
粘浸渍电缆
油纸绝缘的直流 击穿场强比交流 击穿场强高得多
充油电缆
因为直流电压作用下油与纸 的场强分配比交流时合理
高电压工程基础 5.4.2 油－屏障绝缘与油纸绝缘的特点
（1）介质界面与等位面重合的情况
在极间绝缘距离d=d1+ d2不变的情况下，增大ε2 时使 E2减小，但却使E1增大。
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5.5 绝缘的老化
➢ 绝缘的老化
固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物 理变化和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化。
➢ 绝缘老化的原因
热老化、电老化、机械力的影响、环境的影响