第四章 绝缘油的电器性能

第四章 绝缘油的电器性能

缘油是常用的液体绝缘材料（电介质）之一，它具有液体电介质的基本特性。绝缘油的电气性能是指该油品在外界电场作用下，所发生的基本物理过程的特性，如电导、极化、介质损耗、击穿等。通常用击穿电压和介质损耗因数作为评定绝缘油的质量和绝缘运行可靠性监测的重要指标。近几年来，随着电压等级的升高和电气设备容量的增大，对绝缘油的电气性能无疑义提出了更高的要求，如根据需要将增加油的体积电阻率、析气性等电气性能参数，以保证充油电气设备的安全运行。

一、极化和相对介电常数

电介质中的荷电质点在电场作用下相应于电场方向产生有限位移的现象，称为电介质极化。它是电介质在电场中的固有现象。不同电介质的分子结构不同，产生不同形式的极化。运行绝缘油在外电场作用下的极化形式可分为两大类。一是无能量损耗的极化，简称“无损极化”，如离子和电子的位移极化。二是有能量损耗的极化，简称“有损极化”，如偶极松子极化和夹层极化等。

绝缘油的相对介电常数与一股电介质的介电常数的概念相同。若平板电容器的电极间为真空时，其电容量为C 0；电极间为绝缘油时，其电容为C 油，C 油总是比C 0大。绝缘油的相对介电常数（εr ）即为油的电容量C 油与真空电容量C 0之比：

C C r 油=ε 相对介电常数（εr ）是表征油在交流电场作用下产生极化的一个宏观参数。若油中极化

物质或可极化质点增多，其极化程度增强，则εr 必然增大，由此可大体判别油质情况。

各种电介质的化学组成、结构不同，其εr 也有差异。由表4-1可知，各种气体的εr 均接近于1。常用的液体、固体电介质εr 多在2～6之间。纯净的变压器油在20℃、工频电压

作用下其εr 为2.2。若电介质中有极性杂质掺入，则εr 将增大。通常电器设备都希望用ε

r

较小的绝缘材料，因为大的εr 往往和大的电导率联系在一起。

在外电场作用下，电介质组成粒子(原子、离 子或分子)中围绕原子核的电子云相对带正电的原子 核所作的弹性位移而产生感应电偶极矩。由于两者的 质量差别极大，主要位移由电子所完成，所以这种极化 称为电子位移极化口。

(2)在外电场作用下，构成分子的原子(或异号离 子)之间发生相对弹性位移而产生感应电偶极矩，这种 极化称为原子(或离子)位移极化。

(3)在外电场作用下，电介质极性分子的固有电偶 极矩沿电场方向转向而产生宏观的感应电偶极矩，这 种极化称为转向极化。

(4)电介质中的导电载流子在电场作用下的移动， 可能被介质中的缺陷或不同介质的分界面所捕获，形 成介质中电荷分布不均匀而产生宏观感应电偶极矩， 这种极化称为空间电荷极化或夹层极化。

二、绝缘油的电导

绝缘体应该是不导电的，但实验证明绝缘油仍存在微弱的导电性。当对绝缘油施加一定的直流电压后，其中会有极微弱的电流通过。在施加电压的初瞬间，由于各种极化的发展，油中流过的电流将随时间的延长而减少，经过一段时间后，极化过程结束，其电流趋于稳定值。该稳定电流称为“电导电流”，相应的电阻称为“绝缘电阻”。该绝缘电阻值为体积电阻和表而电阻并联的总和值。

在电场强度不太高时，其电导电流I d 与直流电场强度E d 的关系符合欧姆定律，其比值（d

d E I =γ）为绝缘油的电导率。电导率的倒数为绝缘油的电阻率（γρ1=）。 由此可知，绝缘油的电导率是表示在一定电压下，油在两电极间传导电流的能力。若电导率越大，则传导电流的能力越强；反之，则越弱。电阻率是表示两电极间绝缘油单位体积内体积电阻的大小。电导率或电阻率是表征绝缘油电导大小的物理指标。绝缘油中的杂质对其电导影响较大，如纯净的变压器油在80℃时的电导率为5×l0-14S/m ；工程上用的普通矿物油，由于存在部分杂质，其电导率则增加到l0-9S/m 。

绝缘油的体积电阻率是表示两电极间，绝缘油单位体积内体积电阻的大小，通常以ρv

表示。一般是测定两极间的欧姆电阻R （Ω），再依下式计算体积电阻率ρv ： h d v 42

πρ=

式中，ρv ——绝缘油体积电阻率，Ω·cm；

d ——电极直径,cm ；

h ——电极间距离，cm 。

测定绝缘油的体积电阻率，能很好地检测油品的绝缘性能，电阻的测定比电压精确，比介质损耗因数简单。所以近几年来愈来愈多的国家，开始应用测电阻率来评定绝缘油的质量。如日本规定高电压、大容量变压器油的体积电阻率（80℃）应大于5×1011Ω·cm。

三、介质损耗因数

1．介质损耗及介质损耗角正切

绝缘油在电压作用下有能量损耗。一种是电导引起的电导损耗；另一种是由某种极化（偶极子极化、夹层极化等）引起的极化损耗。在直流电压作用下，由于没有周期性的极化过程， 绝缘油的能量损耗仅由电导所引起，可用电导率表示，不需引入介质损耗这个概念。在交流电压作用下，纯净绝缘油的能量损耗主要是电导损耗，而含杂质的绝缘油，除电导损耗外还

有极化损耗。通常将电介质在交流电压下引起的这两种能量损耗称为“介质损耗”。若在强电场作用下还可由油中或油面上的气体电离（局部放电）等引起附加损耗。

在交流电压作用下，通过绝缘油的电流可分为两部分，一是无能量（电能）损耗的无功电容电流（充放电）I c ；二是有能量（电能）损耗的有功电流I r ，其合成电流为I 。电流向量

图如图4-3（P58，图4-5）所示。从该图可知，I 与端电压U 的相位差并不是90︒，而是比90︒小一个δ角，此角称为绝缘油的“介质损耗角”（为功率因素角φ的余角）。δ角的正切（tg δ）即为介质损耗角正切（称为介质损耗因数）。通常情况下，I c >>I r ，δ角很小。介质损耗

可用下式计算：

δωtg 2C U P =

式中，P ——介质损耗，W ；

U ——外加电压，V ；

ω——交流电源角频率，S -1；

C ——介质电容量，F ；

tg δ——介质损耗角正切。

对于固定的电容器，在电压和频率一定的情况下，则ω、C 、U 均为常数，所以上式可以简化为：

δtg K P =

由上式可知，绝缘油的损失功率与介质损耗角的正切值成正比，即油的绝缘特性的优劣，由介质损耗角的正切值决定。故绝缘油的介质损耗通常不用损耗功率来表示，而用介质损耗角的正切值tg δ表示，或称介质损耗因数。

2．tg δ的影响因素

影响绝缘油介质损耗因数的因素较多，主要有以下几个方面。

（1）水分和湿度。

水分是影响介质损耗的主要因素。因为水的极性较强，在电场的作用下很易离解，而增大绝缘油的电导电流，促使油的介质损耗因数明显增大。研究表明，只要绝缘油中含微量水分大于0.002％时，就会使其tg δ增大，油小水分含量与tg δ的关系，见图4-6。故tg δ是反应绝缘油中存在水分的一个极为灵敏的指标。

同时tg δ与测量时的湿度也有关系，通常湿度增大，会使油溶解水增加（油吸潮引起的），而增大介质损耗，因此应在规定的相对湿度下进行测定。

（2）温度

纯净绝缘油为中性（或弱极性）液体，其介质损耗主要为电导损耗。当温度升高时，其电导电流将增大，故tg δ随温度的升高而增大。在较高温度下测定绝缘油的tg δ比在低温下测定更为灵敏。故“国标试验方法”中，将测试温度由原“部标方法”的70℃改为90℃。但温度过高将促进油质老化，也会影响测试结果，故湿度也不能无限制的过高。