《高电压工程基础》第5章 液体和固体介质的电气特性
合集下载
液体与固体电介质
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 I ÿ剛I
tgδ
tgδ
0
t1
t2
t (°C )
0
ω0
ω
固体电介质 无机绝缘材料和有机绝缘材料中的非极性电介质：主要是电 导损耗， tgδ较小 有机绝缘材料中的极性电介质： tgδ与温度、频率的关系与 极性液体介质相似，且tgδ较大
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 ¥!蕹
二. 电介质的电导(electrical conduction) 1. 定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流 要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率γ(s/ｃｍ)表示
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 ÿ蕹
6. 影响tgδ的因素
气体电介质 E<E0时tgδ很小，忽略不计； E>E0时，气体介质发生电离， tgδ随电压升高急剧增加，
tgδ
0
E0
E
多发生在液体和固体介质中含气泡的场合 液体电介质 中性或弱极性：主要是电导损耗， tgδ较小，随温度的升高 按指数规律增大 极性介质： 包括电导损耗和极化损耗， tgδ与温度、频率、 外加电压有关
离子式极化
E
特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短； ε r 随温度升高而增大 极化具有弹性，无能量损耗；
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 I剛I
偶极子极化
E=0
←
E ≠0
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
ε r 都会减小 温度过高或过低，
tgδ
tgδ
0
t1
t2
t (°C )
0
ω0
ω
固体电介质 无机绝缘材料和有机绝缘材料中的非极性电介质：主要是电 导损耗， tgδ较小 有机绝缘材料中的极性电介质： tgδ与温度、频率的关系与 极性液体介质相似，且tgδ较大
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 ¥!蕹
二. 电介质的电导(electrical conduction) 1. 定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流 要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率γ(s/ｃｍ)表示
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 ÿ蕹
6. 影响tgδ的因素
气体电介质 E<E0时tgδ很小，忽略不计； E>E0时，气体介质发生电离， tgδ随电压升高急剧增加，
tgδ
0
E0
E
多发生在液体和固体介质中含气泡的场合 液体电介质 中性或弱极性：主要是电导损耗， tgδ较小，随温度的升高 按指数规律增大 极性介质： 包括电导损耗和极化损耗， tgδ与温度、频率、 外加电压有关
离子式极化
E
特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短； ε r 随温度升高而增大 极化具有弹性，无能量损耗；
PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建 I剛I
偶极子极化
E=0
←
E ≠0
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
ε r 都会减小 温度过高或过低，
液体和固体介质的电气特性
杂质中εr大 引起油电离
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
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
Ub（有效值）/kV
2. 覆盖层
电压作用时间为数十到数百微秒 无杂质的影响，仍为电击穿， 这时影响油隙击穿电压的主要 因素是电场的均匀程度；
电压作用时间更长 杂质开始聚集，油隙的击穿开 始出现热过程，击穿电压再度 下降，为热击穿。
13/90
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
5. 压力
8/90
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
④ 含气量 溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降。 所溶气体的来源：直接、分解、电解
9/90
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
判断变压器油的质量，主要依靠测量 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
② 含纤维量 电场作用下，纤维形成“小桥”，使油的击穿电压降低； 有很强的吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为 严重。
③ 含碳量 碳粒的产生：电弧 碳粒对油耐电强度作用的两个方面： 碳粒具有较好的导电性，局部场强增加，击穿电压降 低； 活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力。
① 含水量
液态水在油中的两种状态：
40
以分子状态溶解于油中，
高电压工程基础施围课件第5章-液体和固体介质的电气特性ppt.ppt
高电压工程基础
（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。
-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
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
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
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
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
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 C 0
（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。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
（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。
-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
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
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
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
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
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 C 0
（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。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
《高电压工程基础(第2版)》大纲(40学时)
《高电压工程基础》教学大纲课程学时：40学时（讲授36+实践4）适用专业: 电气工程及其自动化先修课程：电路、发电厂电气主系统等教材:《高电压工程基础》（第二版），施围，邱毓昌，张乔根. 机械工业出版社，2014参考书 1. 《电气工程基础》，（第二版）王锡凡主编，西安交通大学出版社，20092. 《高电压绝缘技术》，严璋，中国电力出版社，20023. 《高电压工程》，梁曦东，清华大学出版社，2004一、课程的性质、目的及任务《高电压工程基础》是电气工程及其自动化专业一门重要的专业课程，该课程理论性和实践性并重，着重强调工程应用中的理论知识。
通过对本课程的学习，使学生掌握气体放电的基本理论、液体和固体电介质的电气特性，掌握电气设备绝缘试验的相关知识，以及电力系统过电压产生机理及抑制措施等基本知识，具有从事绝缘、高电压技术等领域的设计、安装、运行、试验，及研究工作的专业知识基础。
二、教学内容及基本要求第1章绪论（1）教学内容1.1 高压输电的必要性；1.2 我国电力工业的发展；1.3电力工业对高电压技术发展的促进作用；1.4 新材料和新技术在高电压技术中的应用；1.5 高电压技术在其他领域的应用。
（2）基本要求掌握我国输电线路电压等级的划分；掌握高压输电产生的背景及高压输电的必要性；掌握分裂导线的结构及优点；了解高电压技术在其他领域的应用；了解高电压技术中的新技术；了解我国电力工业的发展。
- 1 -第2章气体放电的基本物理过程（1）教学内容2.1 带电质点的产生与消失；2.2 放电的电子崩阶段；2.3 自持放电条件；2.4 不均匀电场中气体放电的特点。
（2）基本要求掌握气体中带电粒子的产生与消失；掌握气体的自持放电现象和流注放电理论、气隙的击穿特性及提高气体间隙抗电强度的方法；pd值较大和pd值较小时放电现象的异同，以及各自的自持放电条件；理解输电线上的电晕放电以及绝缘子表面的气体放电。
第3章气体间隙的击穿强度（1）教学内容3.1 稳态电压下的击穿；3. 2 雷电冲击电压下的击穿；3.3 操作冲击电压下的击穿；3.4大气密度和湿度对击穿的影响；3.5 SF6气体间隙中的击穿；3.6 提高气隙击穿电压的措施。
液体、固体电介质特性
不同电介常数的电介质组合在一起构成组合绝缘，当各 层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，整个组 合绝缘的电气强度最高。
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
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
高电压第5章+液体和固体介质的电气特性
极化后
1. 各种气体的εr均接近于l，而常用的液体、固体介质 的εr大多在2~6之间。 2. 各种介质的εr与温度、电源频率的关系也各不相同， 这与极化的形式有关。
最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶
极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化
等。现简要介绍如下：
电子式极化 无损极化
离子式极化
当没有外电场时，单个的 偶极子虽然具有极性，但各 个偶极子均处在不停的热运 动之中，整个介质对外并不 呈现极性。
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。
偶极子极化与频率f 的关系：
偶极子极化是非弹性的，
2.0~2.2 2.5~2.6
固体介质
极性
纤维素 酚醛树脂 聚氯乙稀
6.5 4~4.5 3.2~4
离子性
云母 电瓷
5~7 5.5~6.5
可见，气体εr接近于1，液体和固体大多在Im 2N ～ao g 6
相对介电常数及其物理意义:
相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量
极化过程需要消耗一定的能
量，极化所需的时间也较长，
10－10～10－2s，所以极性电
介质的
值与r 电源频率
有较大关系，频率很高时偶
极子来不及转动，因而其εr
减小
偶极子极化与温度t的关系：
温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电 场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。
对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系
讨论电导的意义：
绝缘预防性试验的理论依据: 预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判
1. 各种气体的εr均接近于l，而常用的液体、固体介质 的εr大多在2~6之间。 2. 各种介质的εr与温度、电源频率的关系也各不相同， 这与极化的形式有关。
最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶
极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化
等。现简要介绍如下：
电子式极化 无损极化
离子式极化
当没有外电场时，单个的 偶极子虽然具有极性，但各 个偶极子均处在不停的热运 动之中，整个介质对外并不 呈现极性。
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。
偶极子极化与频率f 的关系：
偶极子极化是非弹性的，
2.0~2.2 2.5~2.6
固体介质
极性
纤维素 酚醛树脂 聚氯乙稀
6.5 4~4.5 3.2~4
离子性
云母 电瓷
5~7 5.5~6.5
可见，气体εr接近于1，液体和固体大多在Im 2N ～ao g 6
相对介电常数及其物理意义:
相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量
极化过程需要消耗一定的能
量，极化所需的时间也较长，
10－10～10－2s，所以极性电
介质的
值与r 电源频率
有较大关系，频率很高时偶
极子来不及转动，因而其εr
减小
偶极子极化与温度t的关系：
温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电 场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。
对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系
讨论电导的意义：
绝缘预防性试验的理论依据: 预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判
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。
3液体和固体介质的电气特性
/22
交流时：流过电介质的电流 I 包含有功分量 I R 和无功分量I
即
c
I IR IC
此时介质的功率损耗：
介质损耗角δ为功率因数角 的余角，其正切tgδ 又可称为介质损耗因数，常用百分数（％）来表示。 通常采用tgδ作为综合反映介质损耗特性的一个指 标。（为什么不采用介质损耗P？）
电介质的极化有五种基本形式：
电子式极化 离子式极化 偶极子（转向)极化 夹层极化 空间电荷极化
（一）电子式极化 在外电场 E 的作用下介质原子中的电子 运动轨迹将相对于原子核发生弹性位 移，正负电荷作用中心不再重合而出 现感应偶极矩 m q l 极化机理：电子运动轨道偏离原子核 介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，约10-15 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性； 消耗能量：无
各种极化类型的比较
极化类 型 电子式 离子式 偶极子 式 夹层介 质界面 空间电 荷
产生场合
任何电介质 离子式结构 电介质 极性电介质 多层介质 交界面 电极附近
极化时间 (s) 10-15 10-13 10-10～102
极化原因
束缚电荷的位移 离子的相对偏移 偶极子的定向排 列
能量损 耗 无 几乎无 有 有
上述三支路等值电路可采用并联等值电路或串联等值电路来 分析。 并联－－电导损耗 串联－－极化损耗
1、并联等值电路
2、串联等值电路
有损电介质可用一只理想的无损耗电容Cs 和一个电阻r 相串联的等值电路来代替，如图所示。
5-液体和固体介质的电气特性
高电压工程基础
（2）电介质电导与金属电导的本质区别 电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和 杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电 介质电导是离子性电导；而金属的电导是由金属导体 中的自由电子造成的，所以是电子性电导。 电介质的电导很小，其电阻率一般为109～1022Ω·cm; 而金属的电导很大，其电阻率仅为10-6～10-2Ω·cm。
并联等效电路
串联等效电路
等效电路只有计算上的意义，并不反映介质损 耗的物理过程。
高电压工程基础
并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的 比值。 串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的 比值。
IR U /R 1 U2 tan ；P C pU 2 tan I C U C p RC p R
高电压工程基础
温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧 密，不易极化。温度较高时，分子热运动加剧，妨
碍极性分子沿电场方向取向，所以随温度增加极化
程度先增加后降低。
高电压工程基础
4、电介质的相对介电常数
Q0 0 A 对于平行平板电容器，极间为真空时： C0 U d
电极间放置固体介质时，电容 量将增大为： Q0 Q A
高电压工程基础
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（介质损耗因数）来判断介质的品质。 tanδ仅反 映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关。
高电压工程基础
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。
液体和固体介质的电气特性 (2)
4、电压作用时间 击穿电压随电压作用时间的增加而下降。
5、油压的影响 工频击穿电压随油压 的增加而提高。 ①气泡的电离电压提高；②气体 （因为油中的气泡等杂质不影响冲击击 穿电压）
第三节 固体介质的击穿
• 固体是非自恢复绝缘-----固体介质击穿后， 会留下放电痕迹，如烧穿、熔化、裂缝等， 从而永远丧失其绝缘性能。
“油-屏障”式绝缘中应用的固体杂质有三种不同的形式：
1、覆盖：紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。
电场越均匀杂质小桥对油隙击穿电压的影响越大，采用覆盖的 效果也越显著。
2、绝缘层：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。
3、屏障：如果在油隙中放置尺寸较大、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，那么他既能 阻碍杂质小桥的形成，又能像气体介质中的屏障那样拦住一部分带 电粒子，使原有电场变得比较均匀，从而达到提高油隙电气强度的 目的。
• 电导损耗：直流电压、交流电压均存在 • 极化损耗：由有损极化引起，
– 如极性介质中周期性的偶极子极化、 夹层极化
– 仅交流电压存在。 • 施加直流电压：仅有电导损耗
– 可用体积电导率和表面电导率描述
• 施加交流电压：电导损耗和极化损耗同 时存在。
电介质损耗的测量
• 测量电路和交流电流的相量图 • 介质损耗公式：
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）Eb来表示。
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。
第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗 一、电介质的极化
极化-----介质在电场的作用下，其束缚电荷 相应于电场方向产生了弹性位移或偶极子转向， 对外显示出极性。
2013 第5章 液体和固体介质的电气特性
高电压工程基础
2. 离子式极化
极化机理：正负离子位移 介质类型：离子性介质 建立极化时间：极短，10-12~10-13 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）
极化弹性：弹性
消耗能量：无
高电压工程基础
3. 偶极子极化
极化机理：偶极子定向排列
高电压工程基础
（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），所 以可以做电容器介质。 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。线路电晕损耗
高电压工程基础
（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：电导和极化损耗， 所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。
Q0 Q ' A C U d
Q Q0 U
Q Q0 Q ' U
(b)
相对介电常数： ' Q Q r C 0 0 C0 Q0
高电压工程基础
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”。
高电压工程基础
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
高电压工程基础
➢ 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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
（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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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。
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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”。
有累积效应
高电压工程基础
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。
（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。
高电压工程基础
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
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
高电压工程基础
（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。
高电压工程基础
（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。
高电压工程基础
（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
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。
高电压工程基础
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
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
高电压工程基础
（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
高电压工程基础
（3）油体积的影响
稍不均匀电场 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
高电压工程基础
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。
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
-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
高电压工程基础
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。
5～7 5.5～6.5
高电压工程基础
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。
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
真实放电量：qr
Cg
CmCb Cm Cb
(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
ห้องสมุดไป่ตู้
（Ui 为气泡放电时试品上的电压）
高电压工程基础
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
高电压工程基础
➢ 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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
（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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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。
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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”。
有累积效应
高电压工程基础
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。
（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。
高电压工程基础
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
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
高电压工程基础
（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。
高电压工程基础
（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。
高电压工程基础
（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
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。
高电压工程基础
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
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
高电压工程基础
（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
高电压工程基础
（3）油体积的影响
稍不均匀电场 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
高电压工程基础
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。
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
-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
高电压工程基础
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。
5～7 5.5～6.5
高电压工程基础
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。
高电压工程基础
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
高电压工程基础
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
高电压工程基础
真实放电量：qr
Cg
CmCb Cm Cb
(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
ห้องสมุดไป่ตู้
（Ui 为气泡放电时试品上的电压）
高电压工程基础
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