第二章 液体、固体电介质的电气性能

3、吸收现象 电介质在DC作用下，通过电介质的电流随时间逐渐衰 减，最终达到某个稳定值。
通过电介质的电流由三部分组成，即
i=ic+ia+Ig
U R Ig
R ——绝缘电阻
ic——电容电流，无损极化引起，迅速衰减 ia——吸收电流，有损极化引起，较为缓慢衰 减 Ig——泄漏电流，电导引起，恒定不变
E1 ε r2 E2 ε r1
（3）介质损耗与极化类型有关 （4）可用来判断绝缘状况
二、电介质的电导
1、定义： 在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而 现成电流的现象。
2、电介质电导与金属电导的区别 （1）载流子不同（前者：离子;后者：电子） （2）电导率不同（前者：很小;后者：很大） （3）温度系数不同（前者：正的;后者：负的）
●油电气强度试验： 标准油杯，注入油，击穿五次，取平均值，与标准对比。>标准值，合 格，否则，不合格。
• 电极：一种为球形电极；另 一种为球盖形电极，电极材 料为黄铜或不锈钢。 • 球形电极由直径为 12.5mm~13.0mm。 • 电极间距离为2.5mm； • 球盖形电极直径为36mm， 电极间距离也为2.5mm。 • 标准油杯的器壁为透明的有 机玻璃。
5、 tgδ在工程实际中的应用 （1）选择绝缘 （2）用于判断绝缘状况 • 受潮、老化 tgδ急剧上升; • 制作tgδ =f(u)曲线判断是否发生局部放电 （3）利用高频电压加热干燥泥坯
三、讨论tgδ在工程实际中的意义
1、配制绝缘材料时应适当选择配方的比例 2、在绝缘预防性试验中判断绝缘状况
3、利用高频电压加热高的材料。
三、提高固体电介质的击穿电压的措施 1、改进绝缘设计 2、改进制造工艺 3、改善运行条件
2-4
电介质的老化
一、电老化 局部放电;电化学过程 二、热老化 1、IEC规定的电工绝缘材料的耐热等级（7级）： Y（O）、A、E、B、F、H、C 2、热老化的8℃规则、10 ℃规则、12 ℃规则 对A级绝缘，温度每增加8℃，则寿命缩短一半左右。
2-3 固体电介质的击穿
一、击穿的形式 1．电击穿 当外加电压升高到一定的程度，初始电子在电场作用下加速运动， 碰撞游离，产生电子崩，带电质点数目剧增，最终导致介质绝缘性能 的丧失。 主要特点：（1）击穿电压高； （2）击穿电压大小与温度无关； （3）击穿后介质温升不高。 2．热击穿 介质内部存在缺陷，在电场下发热，如果发热大于散热， t↑→g↑→I↑→进一步发热→在较低的温度下导致绝缘性能的丧失。 主要特点：（1）击穿电压与环境温度有关； （2）击穿电压与周围介质有关；
（2）离子式
●离子位移极化现象 ●极化过程 ●主要特点： ①极化过程很快，完成，任何f 下的电场都能极化，εr与f无 关。 ②无损极化。 ③εr具有微弱的正温度系数， t↑，εr↑。一方面，t↑，离子 联系弱，εr↑；另 一方面，t↑，密度↓，εr↓。正 温度系数。
（3）转向式
●偶极转向极化现象 ●极化过程 ●主要特点： ①极化过程较慢，。所 以εr与f有关。 ②与温度有关。 ③ 有损极化。转向时克 服分子间吸引力和摩擦力 而消耗能量。
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●覆盖层：只有0.几mm厚的绝缘层（漆膜、黄腊布、漆布）， 覆盖于电极上。用于不均匀的电场中。 作用：a阻止杂质小桥； b减小泄露电流。 采用覆盖层后，击穿电压可提高100% ●绝缘层：绝缘层可达几十mm厚。包裹于极不均匀电场中曲率 半径小的电极上。 作用：a阻止杂质小桥； b减少油中最大电场强度； c减少泄漏电流。 ●屏障：和电极尺寸差不多。 作用：a阻止杂质小桥； b把间隙分割成小间隙，改善电场分布。 ●多重屏障
●纯净油：击穿过程采用碰撞游离理论，与气体同。即初始 电子向电极运动过程中，碰撞游离导致击穿。 纯净油提炼困难，即使提炼出来，保持也困难。
2、工程用液体电介质的击穿机理
总含有杂质——小桥击穿理论 水、纤维的相对介电常数大 易极化 沿电场定 向排列 形成杂质小桥 电导大 泄漏电流 增加 小桥发热 油、水分汽化 形成气 体小桥 气体中的E比油中高得多（因为与相对 常数成反比） 气体小桥击穿 液体电介质击 穿
2
式中 tgδ——介质损耗因数， 常用百分数表示。 ψ——功率因数角 δ——介质损耗角 （δ=90°- ψ）
通常采用tgδ而不用P表示电介质的损耗特性，这 是因为 ①P与U、C、ω有关，不便于对不同尺寸的同一 绝缘材料进行比较; ②tgδ无量纲，与材料的几何尺寸无关，只与材料 的品质特性有关。
4、影响tgδ的因素 （1）跟介质种类有关 气体电介质的tgδ极小 液体和固体电介质的损耗特性较为复杂 对中性或弱性介质的损耗主要由电导引起， tgδ 较小。 对极性介质的损耗主要由极化引起， tgδ较大。 （2）跟温度有关 （3）跟频率有关
二、影响液体电介质击穿电压的因素 1、杂质
（1）含水量（悬浮态的影响大）:含水量增加，明显下降。但当含水量 超过0.02%后，多余的水分沉入油低，不再下降。 （2）含纤维量:纤维会构成杂质小桥，使Ub↓。 (3)．含气量:易局部放电，使油氧化，酸价增大，加速油的老化，使 Ub↓。 （4）含碳量: 碳粒附着在固体介质表面，易产生沿面放电，使Ub↓
第二章 液体、固体电介质的电气性能
●电介质的作用 ●电介质 = 绝缘材料 ●电介质按化学结构分
非极性及弱极性：如氮气、聚四氯乙烯等 偶极性：蓖麻油、氯化联苯等 离子性：石英、电瓷等
第二章 液体、固体电介质的电气性能
电介 质的 基本 电气 性能
极化 — —相对介电常数ε r 电导 — —电导率γ 损耗 — —介质损耗因数tgδ 击穿——击穿电场强度E b
3．电化学击穿 电气设备运行了几年或者更长时间，由 于运行过程中受到电场、化学、机械力等 作用，逐渐老化，这是个不可逆的过程， 最后绝缘在工作电压下击穿。 主要特点：击穿电压低。
二、影响固体电介质击穿电压的因素 1、电压作用时间 2、电场均匀程度和介质厚度 3、温度 4、电压种类 冲击电压＞直流电压＞工频交流电压＞高频电压 5、受潮 6、累积效应 7、机械负荷
2、温度 3、电压作用时间 4、电场均匀程度 5、压力
三、提高液体电介质击穿电压的方法 1、提高并保持油品质（减少杂质） （1）祛气：对油加热,雾化，后抽真空； （2）过滤：把油压过几层滤纸.把纤维、杂质、水 分、过滤掉； （3）防潮：如变压器中的硅胶。 2、采用“油——屏障”式绝缘（阻止杂质小桥的 形成） （1）覆盖层（2）绝缘层（3）屏障
， 意味着两电介质之间
电压要重新分布电荷重新分配吸收电流。 吸收过程的快慢决定于电路的时间常数τ，又∵G很小，∴τ 很大，∴极化所需的时间很长。
4、相对介电常数εr在工程上的实际意义 （1）选择绝缘材料时，要考虑该指标。 对电容器希望εr大些，对电缆则希望εr小些。 （2）设计交流绝缘结构时，应考虑电场的合理分布。
4、电介质的电导 （1）气体电介质电导：游离出来的电子、正离子、 负离子。低于击穿场强时可忽略。
（2）液体电介质的电导：本征离子（在极化电介质 中不可忽视）、杂质离子（起主要作用）
（3）固体电介质： 由体积电导（杂质离子、本征离子）和表面电导 （取决于水分和污秽 情况）组成。 固体电介质的绝缘电阻R是体积绝缘电阻RV 和表面绝缘RS的并联值。 测量时应采取措施以减小表面泄漏电流对测 量的影响。
（4）夹层式 ●夹层极化现象。以两 层介质在交流电压作用下 的极化为例。 ●介绍吸收过程、吸收 电荷。 ●夹层极化特点： ①极化过程较慢； ②有损极化。
等值电路 U1 t=0时： U2
t→∞时：Байду номын сангаас
t0
C2 C1
U1 G2 U 2 t G 1
如果电介质不均匀，即
C2 C1
≠
G2 G1
5、影响电介质电导的主要因素 （1）温度
B T
γ Ae
（2）杂质
要注意防潮
6、电介质电导在工程实际中的应用
（1）用来判断绝缘状况 。 （2）DC作用下，电介质中各层电压分布规律。
U 1 G2 U 2 G1
（3）表面绝缘电阻的合理应用 a.为了减小表面泄漏电流以提高放电电压，应使表 面电阻增大;
2、介质损耗的基本形式
（1）电导损耗（DC、AC下均存在） （2）极化损耗（只在AC下存在 （3）游离损耗（外加电压超过一定值时）
3、介质损耗的计算及指标 （1）DC下 用γ即可表达其 损耗特性：
U2 P GU 2 R R — 介质的绝缘电阻 ; G — 介质的电导
（2）AC下
P UI cos UIC tg U C p tg
20℃，工频时： • 真空εr=1，气体εr≈1 • 液体、固体εr>1,一般在2~10之间。 如 水：81 变压器油：2.2 云母：5~7 纤维素: 6.5
3、极化的基本形式
（1）电子式 （2）离子式 （3）转向式 （4）夹层式 （多层电介质组成的复合绝缘）
（1）电子式 ●现象:各种物质在电场作用下都 会发生这种极化。 ●极化过程 ●主要特点： ①极化过程极快，完成。所以任 何f下的电场都能极化，εr与f 无关。 ②无损极化，外电场撤离，依靠 自身吸引力恢复，不消耗能量。 ③温度影响极小。
2-2 液体电介质的击穿
一、几个基本概念 1、什么是电介质的击穿？——当外加电压达到某 一临界值后，电介质的电导显著增大，泄漏电流 急剧增加，电介质突然丧失其原有的绝缘性能， 此现象称之。 2、什么是击穿电压？——发生击穿时的临界电压 称之。 3、什么是击穿场强？——也称为绝缘强度，单位 为kV/cm。
●气体的极化、电导、损耗都很弱，可不考虑。
2-1 电介质的极化、电导和损耗
一、极化现象及相对介电常数
1、极化的定义 电介质在电 场中所发生 的束缚电荷 的弹性位移 及偶极子的 转向现象。
2、相对介电常数εr
c ε ε r c0 ε 0
εr——相对相对介电常数，表征电介质极 化强度的指标。
（4）跟电压有关 • 当E较小时tgδ较小，当E增大到某一临界值时， tgδ将急剧增加（∵出现了电晕损耗，∴可以 制作tgδ=f(U）关系曲线来判断介质中是否存 在局部放电） • 当固体介质中含有气隙时，可能出现局部放电， 使绝缘老化加速，因此常采用干燥、浸油或充 胶等措施来消除气隙。 • 固体介质与金属电极接触处的空气隙，经常采 用短路的办法，使气隙内电场为零。
b.为了减小表面局部场强以善电场分布，应使表面 电阻适当减小。
三、电介质的损耗
1、介质损耗的定义 在外加电压作用下，电介质在单位时间内消耗的 能量。 电介质损耗对绝缘性能的影响：
介质的损耗介质发热介质温度升高介质电 导增大泄漏电流增大介质损耗进一步增大 介质温度进一步升高绝缘老化加速 绝缘 被烧焦破坏。
二、研究电介质击穿特性的复杂性 因为介质不同，击穿机理不同。 1、不同电压作用下，击穿机理不同。 2、影响因素多。 3、随机性强。
一、液体电介质的击穿机理 1、纯净液体电介质的击穿机理 与气体电介质的击穿机理相似——电击穿理论 （碰撞游离，电子崩） ∵δ液＞＞δ气 λ液＜＜λ气 ∴Eb，液＞＞ Eb，气