液體和固體介質的電氣特性第三章液體和固體介質的電氣特性

液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣，常見的有變壓器油、絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠等。

電介質的電氣特性，主要表現為它們在電場作用下的導電性能、介電性能和電氣強度，它們分別以四個主要參數，即電導率（或絕緣電阻率）、介電常數、介質損耗角正切和擊穿電場強度（簡稱擊穿場強）來表示。

一切電介質在電場作用下都會出現極化、電導和損耗等電氣物理現象。第一節液體和固體介質的極化、電導和損耗一、電介質的極化

極化-----介質在電場的作用下，其束縛電荷相應于電場方向產生了彈性位移或偶極子轉向，對外顯示出極性。

電介質極化的強弱可用介電常數的大小來表示，它與該介質分子的極性強弱有關，還受到溫度、外加電場頻率等因素的影響。

(a)真空(b)充以介質

：真空的介電常數；A：極板的面積：介質的介電常數；d：極間距離：相對介電常數各種氣體：液體、固體：選擇大的絕緣材料可使電容器單位容量的體積減小。其它電氣設備一般希望小些，這樣可減小損耗。采用小的絕緣材料還可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓。極化的基本形式：①電子式極化特點：極化時間短、有彈性（不耗能）②離子式極化正、負離子偏離平衡位置。特點：基本同上。③偶極子極化偶極子轉向電場方向。特點：極化時間稍長，耗能。④夾層極化復合絕緣中，各層介質電場的大小不同，交界面上有電荷的積聚。特點：極化時間較長，耗能。二、電介質的電導

任何介質都不是理想的絕緣體，都不同程度地具有一定的導電性。金屬導電和介質導電的區別：電介質的電導率隨溫度的升高而增大。三、電介質的損耗電介質的損耗包括：電導損耗、極化損耗。電導損耗：直流電壓、交流電壓均存在極化損耗：由有損極化引起，如極性介質中周期性的偶極子極化、夾層極化僅交流電壓存在。施加直流電壓：僅有電導損耗可用體積電導率和表面電導率描述施加交流電壓：電導損耗和極化損耗同時存在。

電介質損耗的測量測量電路和交流電流的相量圖介質損耗公式：介質損耗P不適合作為評價介質品質好壞的標準。P和電壓U、頻率，以及試品電容量（除試品品質，還取決于結構）有關而介質損耗角的正切，適合僅取決于材料的損耗特性，與電壓U、頻率，以及試品電容量等外因無關介質損耗的等值電路（1）三個并聯支路等值電路C1代表無損極化C2-R2代表有損極化R3代表電導損耗適用三個因素均有作用，或損耗主要由電導引起的場合交流電壓時電壓和電流相量如圖施介質損耗的等值電路（2）三個并聯支路等值電路（續）加直流電壓時，C1中的電容電流迅速衰減為0；C2-R2中的吸收電流衰減較慢；R3中的傳導電流恒流。

介質損耗的串聯支路等值電路適用于損耗主要由極化和連接導線引起的場合氣體介質的損耗電場較小、未發生碰撞電離時，僅存在很小的電導損耗常用氣體作為標準電容器的介質空氣，N2，CO2，SF6等電場超過放電起始電場后，發生局部放電，損耗急劇增加一般發生在固體、液體介質中有氣泡的場合固體、液體介電常數大于氣體，氣體電場高導致局部放電電暈放電位于棒極附近，氣泡局放可能遠離電極E0OE液體介質的損耗中性、弱極性液體介質：主要是電導損耗損耗較小損耗和溫度關系和電導相似損耗和頻率無關強極性液體介質：電導損耗+極化損耗損耗較大和溫度、電源頻率關系復雜（非線性、非單調）電導損耗隨溫度升高而增加極化損耗隨溫度升高先增加再減小固體介質的損耗（1）固體介質的分類：有機絕緣材料（極性、非極性）、無機絕緣材料極性有機固體介質：tgδ與溫度、頻率的關系和極性液體介質相似。如：聚氯乙烯、纖維素等，從0.1%~1.0%或更大非極性有機固體介質：損耗主要為電導損耗。如聚乙烯（0.01%~0.02%）、聚苯乙烯無極性雜質時，極化只有電子式，無損耗tgδ與溫度關系由電導決定，和頻率無關無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃，均為離子式結構云母不含雜質時，沒有明顯極化過程，主要為電導損耗，在高溫下也很低電工陶瓷：電導損耗+極化損耗，常溫下電導率很小玻璃：電導損耗+極化損耗，tgδ和成分有關

固體介質的損耗（2）常用液體和固體電介質的值第二節液體介質的擊穿

液體介質多為從石油中提煉出來的礦物絕緣油，按精煉的程度不同，可分為變壓器油、電纜油和電容器油。一、純凈液體介質擊穿理論1、電子碰撞電離理論擊穿的機理與氣體介質的擊穿類似。由于液體的密度比氣體大得多，自由行程很小，所以擊穿場強比氣體高得多。2、氣泡擊穿理論認為在擊穿的臨界階段，液體出現了氣泡，由于氣泡的介電常數小，而電場強度與介電常數成反比，所以氣泡首先發生電離，氣泡進一步擴大，氣泡在電場中排列成氣體小橋，最終導致擊穿。

二、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點

工程用變壓器油含有雜質①完全清除雜質有困難②油氧化分解液體中氣泡局部放電發熱分解氣體小橋或雜質小橋擊穿三、變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高方法1、水分和其他雜質2、油溫3、電場的均勻度改善電場均勻度，可使優質油的工頻擊穿電壓顯著提高。（但對品質差的油效果差）對于沖擊電壓，改善電場均勻度總能提高沖擊擊穿電壓，而與油的品質幾乎無關。（因為雜質來不及形成小橋）4、電壓作用時間擊穿電壓隨電壓作用時間的增加而下降。5、油壓的影響工頻擊穿電壓隨油壓的增加而提高。①氣泡的電離電壓提高；②氣體在油中的溶解度提高。

油壓的大小不影響沖擊擊穿電壓。（因為油中的氣泡等雜質不影響沖擊擊穿電壓）第三節固體介質的擊穿固體是非自恢復絕緣-----固體介質擊穿后，會留下放電痕跡，如燒穿、熔化、裂縫等，從而永遠喪失其絕緣性能。一、固體介質的擊穿理論㈠電擊穿理論在較高的電場強度下發生，在強電場下，碰撞破壞了固體介質的晶格結構，使電導加大而導致擊穿。㈡熱擊穿理論熱擊穿的特點：①溫度上升，擊穿電壓下降；②與散熱條件有關；③電壓的頻率增大，擊穿電壓下降；④熱擊穿需要時間。介質發熱介質溫升電導和tgδ增大㈢電化學擊穿固體介質在長期工作電壓的作用下，由于介質內部發生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強度逐步降低并引起擊穿的現象。

最終擊穿可以是電擊穿，也可以是熱擊穿。二、影響固體介質擊穿電壓的主要因素1、電壓作用時間電壓作用時間越長，擊穿電壓越低。2、電場均勻度電場越均勻，擊穿電壓越高。3、溫度環境溫度越高，擊穿電壓越低。◆局部溫度過高，可能在工作電壓下發生熱擊穿。4、受潮固體介質受潮后，擊穿電壓大大下降。5、累積效應一系列不完全擊穿的積累，可以導致完全的擊穿。第四節組合絕緣的電氣強度

對高壓電氣設備的絕緣要求是多方面的，除了必須有優異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機械性能及其他物理-化學特性，單一品種的電介質往往難以同時滿足這些要求，所以實際的絕緣結構一般不是采用某種單一的絕緣材料，而是由多種電介質組合而成。組合絕緣結構的電氣強度不僅僅取決于所用的各種介質的電氣特性，而且還與各種介質的特性相互之間的配合是否得當大有關系。組合結構的常見形式是由多種介質構成的層疊絕緣。隔層電壓最理想的分配原則是：使組合絕緣中隔層絕緣所承受的電氣強度與其電氣強度成正比。隔層絕緣所承受的電壓與絕緣材料的特性和作用電壓的類型有關，直流電壓下，隔層絕緣分擔的電壓與其絕緣電阻成正比，即各層中的電場強度與其電導率成反比；但在工頻交流和沖擊電壓的作用下，各層所分擔的電壓與各層的電容成反比，即各層中的電場強度與其電介質成反比。將多種介質進行組合應用時，還應注意一個重要原則：使它們各自的優缺點進行互補，揚長避短，相輔相成。還應指出，在組合絕緣結構中各部分的溫度可能有較大的差異，所以必須考慮溫度差異對各種絕緣材料電氣特性和電壓分布的影響。

常見的組合絕緣結構一、“油-屏障”式絕緣這種組合絕緣中以變壓器油為主要的電介質，在油隙中放置若干個屏障是為了改善油隙中的電場分布和阻止貫通性雜質小橋的形成。主要應用于油浸電力變壓器。“油-屏障”式絕緣中應用的固體雜質有三種不同的形式：1、覆蓋：緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層。電場越均勻雜質小橋對油隙擊穿電壓的影響越大，采用覆蓋的效果也越顯著。2、絕緣層：當覆蓋的厚度增大到能分擔一定電壓時，即成為絕緣層，一般厚度為數毫米到數十毫米。3、屏障：如果在油隙中放置尺寸較大、形狀與電極相適應、厚度為1~5mm的層壓紙板（筒）或層壓布板（筒）屏障，那么他既能阻礙雜質小橋的形成，又能像氣體介質中的屏障那樣攔住一部分帶電粒子，使原有電場變得比較均勻，從而達到提高油隙電氣強度的目的。