第2章液體、固體介質的電氣特性液體、固體在電場下的四個行為特征參數液體、固體的擊穿特性組合絕緣的性能延緩絕緣衰老的方法固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第1頁!第1節電介質的極化、電導和損耗主要內容：一、介質的極化二、電介質的電導三、介質的損耗在電場強度比介質的擊穿場強小得多的電場下，各類電介質都有極化、電導、損耗等電氣物理現象,主要注意液體和固體介質在這些方面的特性。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第2頁!一、電介質的極化介電常數（εr）：反映電介質的極化特性。1.極化類型固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第3頁!2、

ε

r與f、T的關系電子式極化：εr與f、T幾乎無關離子式極化：εr與f無關，具有正的溫度系數偶極子式極化：極性氣體介質εr具有負的溫度系數；液體、固體介質εr—T、f：先上升，后下降夾層介質界面極化：其各層電位最初按介電常數εr分布，逐步過渡到穩態按電導率分布空間電荷：極化緩慢，當f很高時沒有極化現象對具體介質而言，必須說明其相對介電常數εr對應的極化條件：頻率和溫度。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第4頁!二、電介質的電導1.電導的概念2.電導的形式（1）離子電導：在電場或外界因素影響下（紫外線輻射）本身產生電離，正負離子沿電場方向移動，形成電導電流——即離子電導。（2）電子電導：在高電場作用下，離子與電介質分子碰撞電離，激發出電子。這些電子在電場作用下移動形成電子電導電流。當電子電導電流出現→電介質已被擊穿（電介質的電導一般指離子電導）。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第5頁!液體介質的電導率γ

：A：常數，與介質性質有關T：絕對溫度，單位為Kφ

：導電率的活性化能量，對礦物油、硅油

φ≈0.41eVk：玻爾茲曼常數在測量電介質的電導或絕緣電阻時，必須記錄環境溫度，以便對測量結果進行分析。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第6頁!（2）固體電介質的表面電導固體電介質的表面電導，主要決定于它表面吸附導電雜質(水、污染物等)的能力及其分布狀態。在實際測試中，有時表面電導遠大于體積電導。（3）電介質電導的意義電壓穩態分布與電導成反比→絕緣配合問題在預防性實驗中→測試介質的絕緣電阻（電導）、泄漏電流→以判斷絕緣是否受潮或劣化固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第7頁!介質在交流電壓下的向量圖和功角特性不能用介質損耗P作為比較各種介質品質好壞的依據。為什么？介質損耗角的正切tgδ

：作為綜合反映電介質損耗特性優劣的依據。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第8頁!施加直流電，極化過程結束后，僅存電導過程，此時流過介質的電流就是泄漏電流，相應電阻就是絕緣電阻；泄漏電流、絕緣電阻可以來判斷絕緣的好壞，絕緣電阻越大，泄漏電流越小，電介質的絕緣越好；吸收曲線也可用來判斷電介質絕緣的好壞，絕緣越好，吸收曲線衰減越慢；絕緣越差，吸收曲線衰減越快。電介質的損耗，包括電導損耗、極化損耗，還有介質氣隙中氣體電離引起的損耗。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第9頁!3.液體介質的損耗中性或弱極性液體介質主要為電導損耗，因此tgδ較小，損耗與溫度的關系和電導相似，有正溫度系數。極性液體介質（蓖麻油、氯化聯苯、松香油）除電導損耗外，還有極化損耗，因此tgδ較大，而且和T、f有關。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第10頁!4.固體介質的損耗有機絕緣材料極性介質：聚氯乙烯、纖維素、酚醛樹脂、膠木、絕緣紙tgδ=0.1%～1.0%，與T、f的變化關系與極性液體介質相似非極性介質：聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯只有電子式極化，損耗由電導引起，與f幾乎無關，如聚乙烯tgδ=0.01%～0.02%。無機絕緣材料云母、陶瓷、玻璃，離子式結構電介質，主要是電導損耗。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第11頁!第2節液體介質的擊穿主要內容：一、液體介質擊穿的概念二、影響液體介質擊穿電壓的因素三、減小雜質影響的辦法礦物絕緣油：變壓器油、電纜油、電容器油植物油：蓖麻油合成液體絕緣材料：硅油液體介質絕緣媒質冷卻媒質（變壓器）滅弧媒質（斷路器）儲能媒質（電容器）作用固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第12頁!2.纖維橋接擊穿液體介質中含有固體雜質（纖維）→受潮→介電常數增加→極化→移動到E較高區域形成導電橋→電導率高、電流密度大→發熱→液體蒸發→氣泡擊穿→在缺陷處的局部熱擊穿尚未形成導電橋→雜質與油串聯→纖維素的介電常數大、電導大→端部油中E增大→油電離→分解氣體→產生氣泡→被掩蓋的氣體放電纖維橋接擊穿和被掩蓋的氣體放電有什么關系？固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第13頁!固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第14頁!2.電壓作用時間的影響液體電介質的擊穿過程存在發熱、伴有溫度的升高，而溫度的升高需要一定的時間。電壓非常高→幾微秒便擊穿→電擊穿→擊穿電壓很高電壓作用時間大于毫秒→熱擊穿→一般都是熱擊穿擊穿電壓隨作用時間增加而降低，但是在油不太臟的情況下，1min的擊穿電壓與長時間的擊穿電壓相差不大，因此變壓器油的耐壓試驗通常加壓1min。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第15頁!不同含水量變壓器油的擊穿場強與溫度的關系4.溫度的影響對于潮濕的油，當溫度發生變化時，擊穿電壓發生波動；對于干燥的油，當溫度升高時，擊穿電壓略有下降。5.含氣量的影響含氣量在溶解范圍內→Eb與含氣量無關在溶解范圍外→Eb將下降固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第16頁!8.油量的影響擊穿電壓和極間距離關系1—半球電極2—尖尖電極均勻電場中沖擊擊穿場強與油體積之間的關系油的擊穿場強隨浸沒電極的油量的增加而明顯下降，這是因為油隙中缺陷（及雜質）出現的概率隨油量增加而增大的緣故。不可將小體積油的檢測結果直接用于高壓電氣設備的絕緣設計。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第17頁!2.采用油—屏蔽式絕緣覆蓋層：限制泄漏電流，阻止纖維小橋發展絕緣層：減少油中雜質，降低電極表面Emax，提高擊穿電壓隔板（屏蔽）：阻止纖維小橋形成，又能改善電場均勻度。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第18頁!一、固體介質擊穿的特點Eb（固體）>Eb（液體）>Eb（氣體）固體介質的擊穿形式電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿固體介質擊穿的特點擊穿場強與電壓作用時間有很大關系固體介質的擊穿為永久性破壞，如分解、融化、燒擊穿場強與電壓作用時間關系焦，屬于非自恢復絕緣。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第19頁!2.熱擊穿理論（1）原因熱擊穿是由于固體介質內熱不穩定過程造成的。（2）過程固體介質長期承受電壓→電導電流、介質極化→介質損耗→介質發熱→發熱>散熱→T↑→電導率↑→發熱增加→溫度不斷升高→材料熱破壞，導致擊穿（3）發熱與散熱的配合關系介質的發熱和散熱與溫度的關系A1(A2)—穩定平衡態B1(B2)—不穩定平衡態U2>U1固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第20頁!（4）熱擊穿與頻率關系未受潮的良好絕緣在直流電壓下很少發生熱擊穿當交流電壓頻率增高時，熱擊穿的可能性比工頻時大很多。3.電化學擊穿理論現象：固體介質受到電、熱、化學和機械的長期作用，其絕緣性能會發生劣化，最終導致熱擊穿或電擊穿，稱為電化學擊穿。原因：此類擊穿可能是絕緣材料內部的層間、裂紋處、空穴或雜質上的局部放電所引起的。過程：E超過Eb→出現不可逆破壞（局部放電、電樹枝——非完全擊穿）→樹枝狀通道→樹枝生長→電介質擊穿（局部放電、腐蝕擊穿、電老化）固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第21頁!固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第22頁!三、影響固體電介質擊穿電壓的因素1.電壓作用時間對于多數固體電介質，其擊穿電壓隨電壓作用時間的延長而顯著下降，明顯存在臨界點。2.電場均勻程度與介質厚度（1）均勻電場在電擊穿區，擊穿場強與介質厚度無關；在熱擊穿區，擊穿場強隨介質厚度增加而減小。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第23頁!四.提高局部放電電壓措施盡量消除氣隙或者盡量減小氣隙尺寸，因氣隙的擊穿場強隨氣隙厚度的減小而明顯提高；設法提高空穴的擊穿場強，即用液體介質或者壓縮氣體填充空穴。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第24頁!3.交流電壓下在交流和沖擊電壓下，絕緣等效為電容，各層絕緣分擔的電壓與其成電容反比，應當將電氣強度高、介電常數大的材料用在電場最強的地方。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第25頁!1.電介質的電老化定義：在外加高壓電或強電場作用下發生的老化。原因：介質中出現局部放電放電產生的帶電粒子不斷撞擊絕緣，引起破壞；由于發熱使絕緣內部溫度升高或引起熱崩潰，或使氣隙體積膨脹從而使材料開裂、分層；在局部放電區，由于強烈的離子復合產生高能輻射線，引起材料分解；氣隙中含有氧和氮，放電產生臭氧和硝酸，從而使絕緣產生化學破壞。無機絕緣材料具有很好的耐局部放電能力，有機絕緣材料性能較差。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第26頁!3.固體介質的機械應力老化機械應力過大會使固體介質內產生裂痕或氣隙導致氣體局部放電陶瓷絕緣子的老化通常是由于機械應力的影響造成的。4.固體介質的環境老化定義：大氣老化，包括光氧老化、臭氧老化、鹽霧酸堿等污染性化學老化。5.延緩絕緣老化的措施改進制造工藝，盡可能消除雜質改進絕緣設計，采用合理絕緣結構，改善電極形狀改善運行條件，防潮、防腐蝕、加強散熱固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第27頁!相對介電常數εr的定義：極板間為真空時：當極板間充滿一塊電介質，極板上的電荷增加為Q0+ΔQ。相對介電常數的定義為：固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第28頁!3.常用電介質的介電常數在20℃時工頻下，氣體介電常數接近1，液體和固體的介電常數大多在2～6之間。了解電介質的介電常數在工程上具有很大的意義。電纜可選擇較小介電常數材料，電容器可選擇較大的介電常數材料。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第29頁!3.液體介質中性極性強極性分子的離解度小，電導率小電導率較大固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第30頁!4.固體介質（1）J-E關系（電導電流密度-電場強度關系）Ⅰ區：離子電導區，J-E成正比Ⅱ區：離子電導區，J-E成指數關系Ⅲ區：電子電導區：J-E成指數關系固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第31頁!二、電介質的損耗1.電介質的損耗種類電導引起的損耗某些有損極化引起的損耗（偶極子極化、夾層極化）直流電壓作用下的損耗用體積電阻率和表面電阻率描述，只有電導損耗交流電壓下的損耗電導損耗周期性極化引起的能量損耗固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第32頁!用三個并聯支路等效有損介質的電導損耗和極化損耗。等值電路交流電壓下特性直流電壓下特性C1：介質的無損極化（電子式和離子式極化）電容電流C2-R2：各種有損極化，吸收電流R3：代表絕緣電阻，反映電導損耗i-t曲線：吸收曲線固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第33頁!2.氣體介質的損耗損耗角正切值與場強關系E<E0：只存在很小的電導損耗，tgδ<10-8E>=E0：氣體局部放電，損耗急劇增加，常發生在固體或液體介質中含有氣泡的場合。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第34頁!（1）溫度的影響t<t1：隨溫度升高，電導損耗增加；t1<t<t2：隨溫度升高，極化損耗減??；t>t2：隨溫度升高，電導損耗增加。（2）頻率的影響當f在一定范圍內，隨f的增加，損耗增加；當f超過一定的范圍后，損耗減小。（3）電壓的影響

E<E0：當U增大，tgδ幾乎不變；

E>=E0：由于存在弱點或氣泡發生局部放電，tgδ急劇增加。采用較高的電壓測量損耗角正切值，可以發現介質中夾雜的氣隙、龜裂等缺陷。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第35頁!固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第36頁!一、液體介質擊穿的概念按照某些因素占主導地位來分析液體介質的擊穿，可提出下述概念以統一和完善其放電機理。1.被掩蓋的氣體放電在短時交流電壓、脈沖電壓作用下，可以認為絕緣液體的擊穿是由電子碰撞電離造成的。液體分子間存在空穴（自身蒸發、外來氣體、氣穴）→油分解、碰撞游離→離子濃度上升，電流增大→發熱→氣泡形成→氣泡電離→電導率增加→油中電場分布畸變→氣泡電離形成電子崩→絕緣液體將直接電離或分級電離→電、熱作用下油隙完全擊穿。因此將油隙擊穿稱為被掩蓋的氣體放電。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第37頁!二、影響液體介質擊穿電壓的因素因素：電壓形式，電極形狀，油中水、氣、雜質含量，油量，溫度實驗項目：用標準油杯測量油的工頻擊穿電壓。電極的邊緣為半圓形，以減弱邊緣效應，使極間電場基本均勻。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第38頁!1.電壓形式的影響Ub(油間隙)>>Ub(空氣間隙)施加時間↑→Ub↓升壓速度↑→Ub↑液體的沖擊擊穿場強>液體的工頻擊穿場強液體沖擊系數>空氣沖擊系數變壓器油擊穿電壓與極間距離關系1—-1.2/50us波2—+1.2/50us波3—工頻電壓固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第39頁!3.水分的影響溶解狀態：對擊穿強度無影響懸浮狀態：少量水份，也會使擊穿強度急劇下降沉淀狀態：即使沉淀水分增加，擊穿強度也不會下降，但是對于油的絕緣性能非常有害。

25℃時，水在油中的溶解度為十萬分之五，多余水分以懸浮狀態存在。當含水量超過0.02%時，多余的水分將沉淀到容器底部，以沉淀狀態存在。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第40頁!6.雜質的影響

纖維雜質對Ub影響較大，碳粒影響不大。1—純油2—含1.76mg碳3—含0.21mg纖維4—含1.12mg纖維7.電場均勻度的影響（1）穩態電壓作用下當油純度較高時，改善電場均勻度可提高擊穿電壓，但當油品質較差時，改善電場均勻度效果不明顯。（2）沖擊電壓改善電場可提高油隙的沖擊擊穿電壓，與油品質無關。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第41頁!三、減小雜質影響的辦法1.提高油的品質過濾：將油在壓力下連續通過濾油機中的濾紙層，油中的纖維等雜質會被濾紙阻擋，油中大部分的水分和有機酸也被濾紙纖維吸附。防潮：浸油前，采用烘干、抽真空等方法去除絕緣件中的水分，有些電氣設備，如變壓器，如不能完全密封，則可在呼吸器的入口處放置干燥劑，以防止潮氣進入。怯氣：先將油加熱，在真空中噴成霧狀，油中所含氣體和水分即揮發并被抽走。對于電壓等級高的電氣設備，要求在真空條件下將油注入電氣設備。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第42頁!第3節固體介質的擊穿主要內容：一、固體介質擊穿的特點二、固體介質的擊穿理論三、提高固體介質強度的措施固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第43頁!二、固體介質的擊穿理論1.電擊穿理論純電擊穿理論（自由電子）集體電子擊穿理論（電子的活化）空間電荷理論（空間電荷作用增強的結果）（1）場合固體介質的電導很小、又有良好的散熱條件及介質內部不存在局部放電情況，Eb一般達105～106kV/m，作用時間很短。（2）特征擊穿電壓幾乎與周圍環境溫度無關除時間很短的情況外，Ub與作用時間關系不大介質發熱不顯著電場的均勻程度對擊穿電壓有顯著影響固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第44頁!改善曲線2與曲線α12配合關系的措施：在不改變發熱的前提下，改善散熱條件，使散熱曲線的斜率增大，即α>α12；在不改變散熱的前提下，降低發熱，減小施加在介質上的電壓，即U<U2，最終使發熱線與散熱線的配合有兩個交點，并且兩個交點對應的溫差至少要大于某一特定的溫升。特定溫升：在實際使用中，固體介質可能遇到沖擊電壓作用而引起溫度升高時都不會進入熱擊穿區。固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第45頁!固體液體的放電特性共52頁，您現在瀏覽的是第46頁!電樹枝：具有清晰的分支，樹枝管道是連續的水樹枝：常呈現絨毛狀一片或多片，扇狀、羽毛狀、蝴蝶狀產生和發展水樹枝所需的場強，比產生和發展電樹枝所需場強低得多。電老化：如果絕緣材料在發生局部放電，隨著加壓時間