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。

（3）施加的电压及频率
一般在电压较低的情况下，进行介质损耗因数测量时，电压对介质损耗因数没有明显的影响。

但当试验电压提高时，因介质在高电压作用下，产生了偶极转移，而引起电能的损耗，则tg δ值会有明显的增加。

故介质损耗因数随电压的升高而增加。

因此在测量时应按规定加到额定电压。

同时与施加电压的频率也有关系，因为介质损耗角正切值（tg δ）的变化是频率的函数，即，tg δ随频率的改变而变化，故一般规定测量tg δ时，采用50Hz 的交流电压，这样规定也符合电气设备的实际使用情况。

tg δ与电压频率的关系，如图4-7所示。

可以看出，一定频率范围内tg δ随频率增高而增大，当绝缘油所需的极化时间与交流半周期的时间相等时，其tg δ最大。

若频率再增高，则因时间太短极化不完全，所以其tg δ又随频率的升高而减小。

（4）杂质
运行中绝缘油的氧化产物或引入的杂质，均会增大绝缘油的各种极化，而使绝缘油的介质损耗增大。

tg δ是评定绝缘油电气性能的一个基本测试项目。

规定新变压器油的tg δ（90℃）不应大于0.005；运行变压器油的tg δ（90℃）不应大于0.020（设备电压等级为500kV 时）；tg δ（90℃）不应大于0.040（设备电压等级≤330kV 时）。

测运行中油的介质损耗因数，可表明油在运行中的老化深度。

因油的介质损耗因数是随油老化产物的增加而增大，故将油的介质损耗因数作为运行监控指标之—。

绝缘油的介质损耗因数值对判断设备绝缘特性的好坏有着重要的意义。

如绝缘油的介质损耗因数增大，会引起变压器本体绝缘特性的恶化。

介质损耗会使绝缘内部产生热量，介质损耗愈大，则在绝缘内部产生的热量愈多，从而又促使介质损耗更为增加。

如此继续下去，就会在绝缘缺陷处形成击穿，影响设备安全运行。

四、击穿电压（绝缘强度）
1．击穿电压
绝缘油的击穿电压是评定其适应电场电压强度的程度，而不会导致电气设备损坏的重要绝缘性能之一。

通常如绝缘油的击穿电压不合格是不允许使用的。

如果将施加于绝缘油的电压逐渐升高，则当电压达到一定数值时，油的电阻几乎突然下降至零，即电流瞬间突增，并伴随有火花或电弧的形式通过介质（油），此时通常称为油被“击穿”，油被击穿时的临界电压，称为击穿电压，此时的电场强度，称为油的绝缘强度（或称介电强度）。

这表明绝缘油抵抗电场的能力。

击穿电压U b （kV ）与绝缘强度E （kV/m ），按下式计算：
d
U E b 式中，d ——电极间距离，m 。

若d 值一定，其它条件相同时，则U b 愈大，E 也愈高。

虽然这两者的含义和单位都不同，
但均可用来相对地表示绝缘油的绝缘性能。

2．绝缘油的击穿理论
（1）电击穿理论
电击穿是油击穿的主要形式，油内总有某些数量的自由离子，加压时由于电离作用，电极表面的离子开始由一电极向另—电极移动。

在电离作用达到发生击穿的程度以前，离子的速度随着电压的升高而增加，离子的数目也迅速增多，它们在强电场的作用下，由于移动的速度快，数量多，会使电流剧增，而导致绝缘油被击穿。

这种击穿一般需较高的电压，故新油的击穿电压一般较高。

（2）气泡击穿理论
运行绝缘油中存在的气泡，在高压电场作用下会首先电离，电离时产生的电子能量较大，碰撞时使部分油品分子离解成气体，从而形成更多的气泡，该过程反复进行，使气泡不断增多、变大，最后气泡在两极间堆积成“气体小桥”时，而导致绝缘油的击穿。

可采用脱气的方法来提高绝缘油的击穿电压。

（3）导电小桥理论
绝缘油虽经过精制处理，但在运输和贮存过程中，不可避免地要吸湿、混入灰尘、纤维或劣化产物等杂质，在强电场作用下，这些杂质（特别是极性杂质）会发生极化，并沿着电场方向排列起来，在电极间形成导电的“小桥”，从而导致油被击穿。

这就是所谓的击穿“小桥”理论。

从上述油被击穿的机理或实践经验说明，油被击穿的主要是外界杂质对油的污染引起的，这和油品本身的化学组成关系不大。

故在工业上如油品（特别是新油）的击穿电压不合格时，只需进行过滤等机械净化处理，去掉油内杂质（当然包括水分），一般油的击穿电压就可达到要求。

3．影响绝缘油击穿电压的因素
影响绝缘油击穿电压的因家比较多
（1）电极的形状和大小；
（2）电极之间的距离；
（3）升压速度和方式；
（4）油杯的形状和容量；
（5）水分、纤维、劣化产物等的污染；
（6）温度。

前4种因素可由试验方法，统一规定测试条件加以解决；而后两方面是客观影响，不稳定的因素。

干燥、纯净的新绝缘油，其击穿电压均在45～50kV以上。

若油中含有微量的水分（特别
是乳状水），其U
b 便急剧下降；水分含量增大至一定值后，其U
b
基本稳定，不再显著下降，
如图4-7（P62，图4-9）。

这是因为过多的水分将沉至油的底部，离开了高压电场区。

此外，因油发生击穿后，过多的水分只不过增加了几条击穿的并联桥路，故U
b
不再继续下降。

另外
击穿电压的大小，不仅取决于含水量，也取决于水在油中处于什么状态，同样的含水量，却能够不同程度地降低击穿电压。

通常乳化水状态的水对击穿电压影响最大，溶解水次之。

油中的水滴，在强电场力的作用下会变成椭圆形，其介电系数较大（20℃，ε
＝80.18），
水
易极化，并会在两极间形成“水桥”，导致油品的击穿。

因此在绝绦油贮运、保管或运行中应特别注意防止水、汽的侵入，若运行油中有水时应及时除去。

当油中有水分存在并伴随有纤维、灰尘等杂质时，则更能加剧击穿电压的下降。

一般油内如不含杂质，水只能降低击穿电压20％左右；有试验表明无水时，纯净的碳降低击穿电压15％，而有水时则降低30％。

空气中的灰尘和水分如同时侵入油中时，能大大降低油的击穿电压约50％左右。

其次是温度对击穿电压的影响，在一定的温度下，油内只能含—定量的水，如果水量增加到超过油溶解水饱和度限度时，则其过多部分即沉落于设备或容器的底部，而对耐压影响不大。

当油中含水量接近或超过饱和限度时，则击穿电压取决于水滴的多少和形态。

温度较高时水滴雾化，颗粒较小，击穿电压较高。

当水量低于饱和限度时，则不生成水滴，故看不出此规律。

油老化后所生成的酸值等产物，是使水保持乳化状态的不利因素。

干燥的油，酸值等老化产物对击穿电压影响不明显，但却能使介质损耗因数急剧增加，这是测定油的击穿电压，不如测定介质损耗因数，更能判断油的老化程度的原因所在。

五、析气性（气稳定性）
绝缘油的析气性（又称气稳定性）是指油品在高电场作用下，烃分子发生物理、化学变化时，吸收气体或放出气体的特性（或称产气速率）。

通常吸收气体以（-）号表示，放出气体以（＋）表示。

油品析气现象的产生，是因为溶解于油中的气泡，在高电场强度作用下，发生游离而形成高能量的电子或离子，这些高能量质子对油分子发生剧烈碰击，使油分子的C-H或部分C-C
链断裂，产生活泼氢及活性烃基基团，通过活泼氢对烃分于的作用就发生吸气或放气现象。

绝缘油在高压电场作用下，是吸收气体还是放出气体，与它的化学组成成分有关。

如芳香烃是吸收气体的，而烷烃和环烷烃是放出气体的。

尤其是烷烃，在强电场作用下，容易发生脱氢反应，产生高分子聚合物，通称为X-蜡。

其反应过程以下式表示：
由以上反应式可知，油品的烃分子在游离产生的高速质子作用下，发牛去氢、加氢、分解、聚合等化学作用，使油吸气、放气、增加了油的不饱和度，同时产生X-蜡。

如提高绝缘油的气稳定性，不难看出，最通常的方法是增加油中芳香烃的含量。

因油品中芳香烃成分可以吸收氢气，其吸收过程以下式表示：
由于对超高压用绝缘油，除了要具有良好的理化、电气性能外，还应具有较好的气稳定性。

即要求油品在高压电场的作用下，不放出气体，还能溶解和吸收气体。

否则，如油为放气性的，会形成气体穴存于油，会发生局部放电或过热，严重的会导致击穿。

故国外某些国家把析气性定为绝缘油的控制指标之一，要求是吸气性的油。

但也有些国家并不强调超高压必须使用吸气性的油。

我国提出的超高压变压器油行业标推（SH0040-91）中，析气性的质量指标为：不大于+5μL/min。

一般生产厂家要根据对油品析气性的指标要求，调剂绝缘油中芳香烃的含量，以使油品的析气性达到标准。