第5章液體和固體介質(zhì)的電氣特性

電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場(chǎng)作用下的導(dǎo)電性能

介電性能

電氣強(qiáng)度液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣，常用的液體和固體介質(zhì)為：液體介質(zhì)：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質(zhì)：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠電導(dǎo)率(絕緣電阻率)介電常數(shù)介質(zhì)損耗角正切擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度描述電介質(zhì)（絕緣材料屬于電介質(zhì)）電氣特性的四大表征參數(shù)：第5章液體和固體介質(zhì)的電氣特性5.1電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗5.2液體介質(zhì)的擊穿5.3固體介質(zhì)的擊穿5.4組合絕緣的特性5.5絕緣的老化5.1液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的損耗放置固體介質(zhì)時(shí),電容量將增大為:相對(duì)介電常數(shù)：ε0---真空的介電常數(shù)ε---介質(zhì)的介電常數(shù)εr---介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)A---極板面積，cm2d---極間距離，cm對(duì)于平行平板電容器，極間為真空時(shí)：

5.1.1、電介質(zhì)的極化

1.各種氣體的εr均接近于l，而常用的液體、固體介質(zhì)的εr大多在2~6之間。2.各種介質(zhì)的εr與溫度、電源頻率的關(guān)系也各不相同，這與極化的形式有關(guān)。最基本的極化型式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化等三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下：電子式極化離子式極化偶極子極化界面極化無損極化有損極化(一)電子式極化在外電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)原子中的電子軌道將相對(duì)于原子核發(fā)生彈性位移。正負(fù)電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應(yīng)偶極矩，這種極化稱為電子式極化或電子位移極化。其極化強(qiáng)度與正、負(fù)電荷作用中心間的距離d成正比，且隨外電場(chǎng)的增強(qiáng)而增大

電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，有兩個(gè)特點(diǎn)：完成極化需要的時(shí)間極短；外場(chǎng)消失，整體恢復(fù)中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會(huì)使介質(zhì)發(fā)熱。電子式極化的特點(diǎn):離子式極化的特點(diǎn)：

1、離子相對(duì)位移有限，外電場(chǎng)消失后即恢復(fù)原狀；2、所需時(shí)間很短，其幾乎與外電場(chǎng)頻率無關(guān)。溫度對(duì)離子式極化的影響：

1、離子間的結(jié)合力會(huì)隨溫度的升高而減小，從而使極化程度增強(qiáng)；

2、離子的密度隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前一種影響較大，故其一般具有正的溫度系數(shù)。(三)偶極子極化極性電介質(zhì)：分子具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中心永不重合，由極性分子組成的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。例如蓖麻油、橡膠、酚醛樹脂和纖維素等都是常用的極性絕緣材料

.當(dāng)沒有外電場(chǎng)時(shí)，單個(gè)的偶極子雖然具有極性，但各個(gè)偶極子均處在不停的熱運(yùn)動(dòng)之中，整個(gè)介質(zhì)對(duì)外并不呈現(xiàn)極性。

出現(xiàn)外電場(chǎng)后，原先排列雜亂的偶極子將沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有規(guī)則的排列，如圖所示，因而顯示出極性。這種極化稱為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。偶極子極化與溫度t的關(guān)系：

溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質(zhì)有負(fù)的溫度系數(shù)。對(duì)液體和固體介質(zhì)，溫度很低時(shí)，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)比較困難，所以很小。液體、固體介質(zhì)的在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱，又開始隨著溫度的上升而減小。如圖為極性液體、固體介質(zhì)的與溫度的關(guān)系。(四)夾層極化凡是由不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結(jié)構(gòu)，在加上外電場(chǎng)后，各層電壓將從開始時(shí)按介電常數(shù)分布逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)按電導(dǎo)率分布。在電壓重新分配的過程中，夾層界面上會(huì)積聚起一些電荷，使整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質(zhì)界面極化，簡(jiǎn)稱夾層極化?？梢?，隨著時(shí)間t的增加，U1下降而U2增高，總的電壓U保持不變。這就意味著C1要通過G1放掉一部分電荷，而C2要通過G1從電源再補(bǔ)充一部分電荷。

于是分界面上將積聚起一批多余的空間電荷，這就是夾層極化引起的吸收電荷，電荷積聚過程所形成的電流稱為吸收電流。由于這種極化涉及電荷的移動(dòng)和積聚，必然伴隨能量損耗，而且過程較慢，一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時(shí)，所以這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來?？梢姡瑲怏wεr接近于1，液體和固體大多在2～6之間。材料類別名稱相對(duì)介電常數(shù)εr（工頻，20℃）氣體介質(zhì)空氣（大氣壓）1.00059液體介質(zhì)弱極性變壓器油硅有機(jī)液體2.2~2.52.2~2.8極性蓖麻油4.5強(qiáng)極性丙酮酒精水223381固體介質(zhì)中性或弱極性石蠟聚乙烯聚四氟乙烯松香2.0~2.52.25~2.352.0~2.22.5~2.6極性纖維素酚醛樹脂聚氯乙稀6.54~4.53.2~4離子性云母電瓷5~75.5~6.5表5-1幾種常見電介質(zhì)的介電常數(shù)

相對(duì)介電常數(shù)及其物理意義:相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量(五)電介質(zhì)的介電常數(shù)氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近1氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)：非極性和弱極性電介質(zhì)：如石油、苯、四氯化碳、硅油等

r數(shù)值不大，在1.82.5范圍內(nèi)。介電常數(shù)和溫度的關(guān)系和單位體積中的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相似極性電介質(zhì)：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等

r數(shù)值在26范圍內(nèi)。還能用作絕緣介質(zhì)強(qiáng)極性電介質(zhì)：如酒精、水等

r>10，此類液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大

液體電介質(zhì)的介電常數(shù)：非極性和弱極性固體電介質(zhì)：

聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機(jī)玻璃等都屬此類電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化，r不大，通常在2.02.7范圍介電常數(shù)與溫度的關(guān)系也與單位體積內(nèi)的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相近極性固體電介質(zhì)：樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等

r較大，一般為3~6，還可能更大。r和T及f的關(guān)系和極性液體的相似離子性電介質(zhì)：如陶瓷，云母等，相對(duì)介電常數(shù)r

一般在5~8左右固體電介質(zhì)的介電常數(shù)：討論極化的意義：選擇絕緣在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除了考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r

對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r較大的介質(zhì)對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇r

較小的介質(zhì)5.1.2、電介質(zhì)的電導(dǎo)電導(dǎo)率表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量，其倒數(shù)為電阻率，來表征介質(zhì)的絕緣電阻

。按載流子的不同，電介質(zhì)的電導(dǎo)又可分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩種。γ=1／ρ1、電子電導(dǎo)：以電子為載流體，一般很微弱，因?yàn)榻橘|(zhì)中自由電子數(shù)極少；如果電子電流較大，則介質(zhì)已被擊穿。2、離子電導(dǎo)：工程上所用的電介質(zhì)或多或少地含有一些帶電質(zhì)點(diǎn)（主要是雜質(zhì)離子），另外有些電介質(zhì)在電場(chǎng)或外界因素影響下（如紫外線輻射），本身會(huì)離解成正負(fù)離子。在電場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成了電導(dǎo)電流，這就是離子電導(dǎo)。

3、表面電導(dǎo)：對(duì)于固體介質(zhì)，由于表面吸附水分和污穢存在表面電導(dǎo)，受外界因素的影響很大。所以，在測(cè)量體積電阻率時(shí)，應(yīng)盡量排除表面電導(dǎo)的影響，應(yīng)清除表面污穢、烘干水分、并在測(cè)量電極上采取一定的措施。固體、液體介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度T的關(guān)系：A－常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)；T－熱力學(xué)溫度，單位為K；ф－電導(dǎo)活化能；k－波爾茲曼常數(shù)。在測(cè)絕緣電阻時(shí)，必須注意溫度，最好在同一溫度下進(jìn)行測(cè)量，以便比較。1.固體電介質(zhì)除了通過電介質(zhì)內(nèi)部的電導(dǎo)電流Iv外，還有沿介質(zhì)表面流過的電導(dǎo)電流Is。2.由電介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)電流Iv所決定的電阻稱為體積電阻Rv，其電阻率為ρv。3.由表面電導(dǎo)電流Is決定的電阻稱為表面電阻

Rs，電阻率為ρs。4.氣體和液體電介質(zhì)只有體積電阻。

體積電阻率，是在單位長(zhǎng)度的正方體的電介質(zhì)中，所測(cè)得其兩相對(duì)面上的電阻。體積電阻測(cè)量如圖5-1所示

Ω·cm

電介質(zhì)的厚度為d，電極表面積為S，3為屏蔽電極，利用它可除去表面電流Is，以準(zhǔn)確測(cè)得電介質(zhì)內(nèi)部的電流Iv

Ω-1·cm-1

式中Gv－體積電導(dǎo)體積電阻率，是指在單位長(zhǎng)度的正方形表面積上，相對(duì)兩邊之間測(cè)得的電阻。表面電阻的測(cè)量見圖5-2設(shè)電介質(zhì)表面兩電極間距離為d,電極長(zhǎng)度為l,測(cè)得的表面電阻為Rs（Ω），則表面電阻率為式中Gv－表面電導(dǎo)S

絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的理論依據(jù):預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣狀況直流電壓下分層絕緣時(shí)，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率，實(shí)現(xiàn)各層之間的合理分壓注意環(huán)境濕度對(duì)固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理

討論電導(dǎo)的意義：三、電介質(zhì)的損耗(一)電介質(zhì)的損耗的基本概念介質(zhì)損耗：在電場(chǎng)作用下電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化（例如偶極子、夾層極化）引起的損耗，總稱介質(zhì)損耗。直流下：電介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達(dá)到引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將僅由電導(dǎo)組成，所以可用體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率說明問題，不必再引入介質(zhì)損耗這個(gè)概念了。式中：—電源角頻率；－功率因數(shù)角；－介質(zhì)損耗角。交流時(shí)：流過電介質(zhì)的電流此時(shí)介質(zhì)的功率損耗：（3-7）1.用介質(zhì)損耗P表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的，因?yàn)镻值和試驗(yàn)電壓、試品電容量等因素有關(guān)，不同試品間難于互相比較，所以改用介質(zhì)損失角的正切tanδ來判斷介質(zhì)的品質(zhì)。2.介質(zhì)損耗角δ為功率因數(shù)角ω的余角，其正切tgδ又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（％）來表示3.tanδ同εr一樣，是僅取決于材料的特性而與材料尺寸無關(guān)的物理量。對(duì)于有損介質(zhì)，電導(dǎo)損耗和極化損耗都是存在的，可用三個(gè)并聯(lián)支路的等值回路來表示。

有損介質(zhì)可用電阻、電容的串聯(lián)或并聯(lián)等值電路來表示。主要損耗是電導(dǎo)損耗，常用并聯(lián)等值電路；主要損耗由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻等引起，常用串聯(lián)等值電路。

R反映電導(dǎo)損耗

C0反映電子式和離子式極化C′，r支路反映吸收電流(二)氣體、液體和固體介質(zhì)的損耗1.氣體介質(zhì)損耗當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于使氣體分子電離所需的值時(shí)，氣體介質(zhì)中的損耗極?。╰g<10-8），工程中可以略去不計(jì)。所以常用氣體（如空氣，N2；CO2，SF6等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)當(dāng)外施電壓U超過起始放電電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加

中性或弱極性液體介質(zhì)的損耗主要起因于電導(dǎo)，所以損耗較小。它們與溫度的關(guān)系也和電導(dǎo)相似

2.液體介質(zhì)損耗（1）中性和弱極性液體介質(zhì)中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與溫度的關(guān)系示意圖中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與電場(chǎng)的關(guān)系示意圖極性液體（如蓖麻油）以及極性和中性液體的混合油都具有電導(dǎo)和極化兩種損耗，所以損耗較大，而且和溫度、頻率都有關(guān)系。

（2）極性液體介質(zhì)電導(dǎo)損耗占主要部分，tanδ重新隨溫度上升而增加

T升高，液體粘度減小，偶極子極化增強(qiáng)，極化損耗增加

分子熱運(yùn)動(dòng)加快，極化強(qiáng)度減弱，極化損耗減小

3.固體介質(zhì)損耗固體介質(zhì)通常分為分子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)、離子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)、不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)和強(qiáng)極性電介質(zhì)四大類，但強(qiáng)極性電介質(zhì)在高壓設(shè)備中極少使用；

分子結(jié)構(gòu)中的中性介質(zhì)如石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等，以及離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，如云母等，其損耗主要是由電導(dǎo)引起的。而這些介質(zhì)的電導(dǎo)極小，所以介質(zhì)損耗也非常小。

；分子結(jié)構(gòu)中的極性介質(zhì)如紙、纖維板和含有極性基的有機(jī)材料如聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂等，其tanδ與溫度、頻率的關(guān)系和極性液體相似，且tanδ值較大，高頻下更為嚴(yán)重。

不均勻結(jié)構(gòu)的介質(zhì)在電氣設(shè)備中經(jīng)常使用，如云母制品、油浸紙、膠紙絕緣等，損耗取決于其中各成分的性能和數(shù)量間的比例。

討論介質(zhì)損耗的意義：

設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意到絕緣材料的tg

值。若tg

過大會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱，使材料劣化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿用于沖擊測(cè)量的連接電纜，其tg

必須要小，否則沖擊電壓波在其中傳播時(shí)將發(fā)生畸變，影響測(cè)量精度在絕緣試驗(yàn)中，tg

的測(cè)量是一項(xiàng)基本測(cè)試項(xiàng)目。當(dāng)絕緣受潮劣化或含有雜質(zhì)時(shí)，tg

將顯著增加，絕緣內(nèi)部是否存在局部放電，可通過測(cè)tg—U的關(guān)系曲線加以判斷用做絕緣材料的介質(zhì)，希望tg

小。在其他場(chǎng)合，可利用tg

引起的介質(zhì)發(fā)熱，如電瓷泥坯的陰干需較長(zhǎng)時(shí)間，在泥坯上加適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，則可利用介質(zhì)損耗發(fā)熱，加速干燥過程5.2液體介質(zhì)的擊穿液體介質(zhì)的擊穿理論影響液體介質(zhì)擊穿電壓的因素減小雜質(zhì)影響的措施液體電介質(zhì)分類：

液體電介質(zhì)：純凈的液體電介質(zhì)

工程用液體電介質(zhì)

擊穿機(jī)理不同：電擊穿理論、氣泡擊穿理論、

小橋擊穿理論液體介質(zhì)主要有天然的礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它們對(duì)液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響。一旦作用于固體和液體介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，在介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象就不再限于前面介紹的極化、電導(dǎo)和介質(zhì)損耗了。與氣體介質(zhì)相似，液體和固體介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)(高電壓)的作用下，也會(huì)出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的擊穿過程。一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論(一)電子碰撞電離理論（電擊穿理論）在外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，電子在碰撞液體分子可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時(shí)正離子在陰極附近形成空間電荷層增強(qiáng)了陰極附近的電場(chǎng)，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導(dǎo)致液體介質(zhì)擊穿。純凈液體介質(zhì)的擊穿理論與氣體放電湯遜理論中有些相似。但液體密度比氣體密度大得多，電子的平均自由行程很小，必須大大提高場(chǎng)強(qiáng)才開始碰撞電離。(二)氣泡擊穿理論（小橋理論）液體中出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度的分布與介質(zhì)的εr

成反比。由于氣泡的εr

最小，其電氣強(qiáng)度又比液體介質(zhì)低很多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進(jìn)一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大。許多電離的氣泡在電場(chǎng)中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。其擊穿場(chǎng)強(qiáng)比氣體高得多，在很小的均勻場(chǎng)間隙中可達(dá)到1MV/cm

二、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點(diǎn)工程用的液體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很少超過300kV/cm，一般在200kV/cm~250kV/cm

的范圍內(nèi)。研究表明，工程液體介質(zhì)的擊穿是由液體中的氣泡或雜質(zhì)如水分、懸浮的固體纖維等引起的，即氣泡或雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下在電極間排成“小橋”，引起擊穿。

可用氣泡擊穿理論來解釋擊穿過程，它依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣泡通道擴(kuò)大并積聚成小橋，有熱的過程，屬于熱擊穿的范疇。由于水和纖維的εr很大，易沿電場(chǎng)方向極化定向，并排列成雜質(zhì)小橋。

(a)形成“小橋”(b)未形成“小橋”受潮纖維在電極間定向示意圖

非純凈液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論液體中的雜質(zhì)在電場(chǎng)力的作用下，在電場(chǎng)方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質(zhì)的“小橋”水分及纖維等的氣泡擴(kuò)大電導(dǎo)大，引起泄漏電流增大、發(fā)熱增多，促使水分汽化、液體電介質(zhì)最后在氣體通道中發(fā)生擊穿

判斷變壓器油的質(zhì)量，主要依靠測(cè)量其電氣強(qiáng)度、和含水量。其中最重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是測(cè)量油的工頻擊穿電壓。三、影響液體介質(zhì)擊穿的因素用標(biāo)準(zhǔn)油杯來檢查油質(zhì)量平板電極間電場(chǎng)均勻，油中稍有受潮、含雜，擊穿電壓就明顯下降規(guī)程規(guī)定用來灌注高壓電力變壓器等的變壓器油，在此油杯中的工頻擊穿電壓要求在2540kV以上絕緣外殼黃銅電極標(biāo)準(zhǔn)試油杯（圖中尺寸均為mm）油間隙距離2.5mm三、影響液體介質(zhì)擊穿的因素(一)雜質(zhì)的影響油中最主要的雜質(zhì)是水分極微量的水分可溶于油中，對(duì)油的擊穿強(qiáng)度沒有多大影響影響油擊穿的是呈懸浮狀態(tài)的水分

含水量再增大時(shí)，對(duì)油的擊穿強(qiáng)度不會(huì)有更大的影響，因?yàn)檫@種情況下，大部分水分將沉降到油杯的底部而不再影響油的擊穿。

W為1×10-4時(shí)已使油的擊穿強(qiáng)度降得很低。含水量再增大時(shí)，影響不大

標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓Ub和含水量W的關(guān)系(二)溫度的影響擊穿電壓與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，隨電場(chǎng)的均勻度、油的品質(zhì)以及電壓類型的不同而異,和油的含水量有很大的關(guān)系

。圖5-9標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系1－干燥的油2－受潮的油干燥的油受潮的油干燥油的擊穿強(qiáng)度與溫度沒有多大關(guān)系

0～80℃，Ub提高（水分溶解度增加）溫度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0℃，Ub提高（水滴凍結(jié)成冰粒）

(三)油體積的影響規(guī)律：油的擊穿強(qiáng)度隨油體積的增加而明顯下降。原因：間隙中缺陷(即雜質(zhì))出現(xiàn)的概率隨油體積的增加而增大。不能將實(shí)驗(yàn)室中對(duì)小體積油的測(cè)試結(jié)果，直接用于高壓電氣設(shè)備絕緣的設(shè)計(jì)

(四)電壓形式的影響油間隙的沖擊擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度要高得多

。雜質(zhì)形成小橋所需的時(shí)間，比氣體放電所需的時(shí)間要長(zhǎng)，因此油間隙的沖擊擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度要高得多極不均勻電場(chǎng)中沖擊系數(shù)約為1.4~l.5，均勻電場(chǎng)中可達(dá)2或更高-1.2/50μs波

+1.2/50μs波

工頻電壓

稍不均勻電場(chǎng)中變壓器油的擊穿電壓與間距的關(guān)系

(五)油壓的影響不論電場(chǎng)均勻度如何，工業(yè)純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因?yàn)橛椭袣馀莸碾婋x電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故。從以上討論中可以看出，油中雜質(zhì)對(duì)油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響，所以對(duì)于工程用油來說：一方面要設(shè)法提高油的品質(zhì)，即去除油中固態(tài)雜質(zhì)、水分和氣泡，另一方面在絕緣設(shè)計(jì)中采取措施以減小雜質(zhì)的影響，如采用覆蓋層、絕緣層或屏障等。5.2.2減小雜質(zhì)影響的措施過濾：用濾紙將纖維、碳粒等固態(tài)雜質(zhì)除去，常用此法來恢復(fù)變壓器油的絕緣性能。

防潮：絕緣件在浸油前必須烘干電器設(shè)備如變壓器在呼吸器的空氣入口處放置干燥劑，以防止潮氣進(jìn)入。祛氣：將油加熱，噴成霧狀，并抽真空，可以達(dá)到去除油中水分和氣體的目的。對(duì)于電壓等級(jí)較高的電器設(shè)備，常要求在真空下灌油。用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響：常用措施為覆蓋層、絕緣層和屏障，這些措施都能減少雜質(zhì)的影響，顯著提高油隙的擊穿電壓。5.2.2減小雜質(zhì)影響的措施覆蓋層：其材料可以是電纜紙、黃蠟布或漆膜。其主要作用在于限制泄漏電流，阻止雜質(zhì)“小橋”的發(fā)展

絕緣層：為較厚的絕緣層，它不但像覆蓋層那樣可減小油中雜質(zhì)的有害影響，而且這幾毫米厚的絕緣層承擔(dān)一定電壓，使油中最大場(chǎng)強(qiáng)降低，因而可大大提高工頻和沖擊擊穿電壓屏障：是指在油間隙中放置尺寸較大的隔板，它既能阻止雜質(zhì)“小橋”的形成，又能如氣體間隙中的屏障那樣改善間隙中電場(chǎng)均勻度

（本節(jié)完）小結(jié)純凈液體介質(zhì)的擊穿可用以下理論來解釋：電子碰撞電離理論氣體小橋理論用氣泡擊穿理論來解釋工程用變壓器油擊穿過程變壓器油擊穿電壓的影響因素水分和其他雜質(zhì)油溫電場(chǎng)均勻度電壓作用時(shí)間油壓的影響5.3固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)擊穿電壓的特點(diǎn)與電壓作用時(shí)間有關(guān)與擊穿場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)為非自恢復(fù)絕緣固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿理論熱擊穿理論電化學(xué)擊穿圖5-13擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系耐電強(qiáng)度空氣：一般在2.5～3kV/mm液體：一般在10～20kV/mm固體：一般在十幾～幾百kV/mm電擊穿理論:固體介質(zhì)的電擊穿過程與氣體中相似，由碰撞電離形成電子崩，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時(shí)破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?、固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場(chǎng)的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。2、在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)大于氣體和液體電介質(zhì)。5.3.1電擊穿電擊穿的主要特征：

①體積效應(yīng)

；1.固體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)分散性很大，這與材料不均勻性有關(guān)。2.加大試樣的面積或體積，使材料弱點(diǎn)出現(xiàn)的概率增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低，3.在小試樣上得到的試驗(yàn)結(jié)果，不可直接用于大尺寸的絕緣結(jié)構(gòu)

②累積效應(yīng)；

1.固體介質(zhì)在沖擊電壓多次作用下，其擊穿電壓Un有可能低于單次沖擊作用時(shí)的擊穿電壓U1。2.是因?yàn)楣腆w介質(zhì)為非自恢復(fù)絕緣，如每次沖擊電壓下介質(zhì)發(fā)生部分損傷，則多次沖擊電壓作用下這種部分損傷會(huì)擴(kuò)大而導(dǎo)致?lián)舸＿@種現(xiàn)象稱為累積效應(yīng)。

5.3.2熱擊穿熱擊穿的概念：由于介質(zhì)損耗的存在，固體電介質(zhì)在電場(chǎng)中會(huì)逐漸發(fā)熱升溫，溫度升高導(dǎo)致固體電介質(zhì)電阻下降，電流進(jìn)一步增大，損耗發(fā)熱也隨之增大。在電介質(zhì)不斷發(fā)熱升溫的同時(shí)，也存在一個(gè)通過電極及其它介質(zhì)向外不斷散熱的過程。如果同一時(shí)間內(nèi)發(fā)熱超過散熱，則介質(zhì)溫度會(huì)不斷上升，以致引起電介質(zhì)分解炭化，最終擊穿，這一過程稱為電介質(zhì)的熱擊穿過程。

①曲線1，Q1>Q2，介質(zhì)一定擊穿；②曲線2，與散熱曲線4交于k點(diǎn)，它是不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，t>Tb時(shí)，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。③曲線3和曲線4有a、b兩個(gè)交點(diǎn)，a為穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，b為不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，t>tb時(shí)，介質(zhì)發(fā)生擊穿。熱擊穿的特點(diǎn)：①由于熱擊穿是一個(gè)熱不平衡的過程，擊穿所需時(shí)間較長(zhǎng)，常常需要幾個(gè)小時(shí)，即使在提高試驗(yàn)電壓時(shí)也常需要好幾分鐘

；

②直流電壓下，正常未受潮的絕緣很少有可能發(fā)生熱擊穿。這是因?yàn)橹绷麟妷合陆橘|(zhì)中沒有極化損耗而只有很小的電導(dǎo)電流，所以介質(zhì)發(fā)熱遠(yuǎn)比交流電壓下要??；

③有時(shí)要采取專門的冷卻措施，以充分利用介質(zhì)的電氣絕緣強(qiáng)度。例如用于中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的電容器，一般需要在夾層中通冷卻水加以冷卻。

電化學(xué)擊穿：固體介質(zhì)在長(zhǎng)期工作電壓作用下（幾個(gè)月甚至幾年），由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象。絕緣劣化的主要原因往往是介質(zhì)內(nèi)氣隙的局部放電造成的。固體絕緣內(nèi)部有氣泡，氣泡中發(fā)生放電局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強(qiáng)度下降的主要原因?yàn)椋?)產(chǎn)生活性氣體（O3，NO，NO2

）對(duì)介質(zhì)氧化、腐蝕；

2)局部溫升使局部介質(zhì)損耗增加；

3)帶電粒子對(duì)介質(zhì)表面的撞擊，切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。5.3.3電化學(xué)擊穿絕緣內(nèi)部氣隙局部放電的等值電路如圖５-18所示。電極間加上瞬時(shí)值為u的交流電壓時(shí)，Cg上的電壓瞬時(shí)值ug為：Cg為空氣隙的電容Cb是與空氣隙串聯(lián)的介質(zhì)電容Cm為除Cb與Cg以外的絕緣完好部分的電容

空氣隙的電容

與氣隙串聯(lián)的介質(zhì)電容絕緣完好部分的電容Cm>>Cg>>Cb

2.氣隙中放電熄滅后，Cg又開始充電，直到Cg上電壓再次達(dá)到Ug發(fā)生第二次放電3.外施電壓過峰值后，Cg上電壓也隨外施電壓的瞬時(shí)值變化并改變極性，直至達(dá)到-Ug時(shí)再發(fā)生放電

4.氣隙每次放電時(shí)，試品兩端的電壓會(huì)有一很微小的電壓突降，因此電源通過電源阻抗Zs向試品充電1.當(dāng)ug隨u增加達(dá)到氣隙的放電電壓Ug時(shí)，氣隙內(nèi)發(fā)生放電，使氣隙上電壓急劇下降，Cg上電壓降至Ur時(shí)氣隙中放電熄滅

5.在回路中形成電流脈沖。通過對(duì)回路中電流脈沖的檢測(cè)，即可判斷試品中有無局部放電和放電的強(qiáng)弱。氣隙的放電電壓

氣隙的放電熄滅電壓圖5-19中間隙g兩端的電壓變化為（Ug－Ur），而對(duì)間隙g放電的電容量為：據(jù)此可算得放電的電荷量Δqr為：

Δqr稱為真實(shí)放電量，但因Cg，Cb，Ug，Ur無法測(cè)得，因此，Δqr也無法通過測(cè)量求得

視在放電量Δq

：由于ΔU和試品電容是可以測(cè)量的，因此視在放電量是可以測(cè)得的。

指一次局部放電所消耗的能量。

（5－20）放電重復(fù)率（）

在選定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的每秒發(fā)生放電脈沖的平均次數(shù)放電能量（）其中為視在放電量，為局部放電起始電壓。表征局部放電的參數(shù)其他參數(shù)

平均放電電流放電的均方率 放電功率局部放電起始電壓局部放電熄滅電壓交流電壓下每半周至少發(fā)生兩次局部放電。所以電壓頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)局部放電次數(shù)越多，即局部放電對(duì)絕緣的危害越嚴(yán)重

直流電壓作用下局部放電的危害性較交流時(shí)小

各種材料耐受局部放電的性能是不同的。陶瓷、云母等無機(jī)材料有較強(qiáng)的耐局部放電的性能，而塑料等有機(jī)材料耐局部放電的性能較差。

提高絕緣局部放電電壓的措施：1.一是盡量消除氣隙或設(shè)法減小氣隙的尺寸。鋼管油壓電纜中用高油壓來消除電纜絕緣層中可能出現(xiàn)的氣隙，就是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。2.第二類措施是設(shè)法提高空穴的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，即用液體介質(zhì)或高電氣強(qiáng)度的壓縮氣體充填空穴。用于電容器、電纜、互感器及電容套管中的油紙絕緣，就是一個(gè)例子。局部放電的特點(diǎn):對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣的要求是多方面的，除了必須有優(yōu)異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機(jī)械性能及其他物理-化學(xué)性能，單一品質(zhì)電介質(zhì)往往難以同時(shí)滿足這些要求，所以實(shí)際絕緣一般采用多種電介質(zhì)的組合：例如變壓器的外絕緣由套管的外瓷套和周圍的空氣組成，而其內(nèi)絕緣更是由紙、布、膠木筒、聚合物、變壓器油等固體和液體介質(zhì)聯(lián)合組成。5.4組合絕緣的特性絕緣常見形式：多種介質(zhì)構(gòu)成的層疊絕緣。理想情況下，組合絕緣中各層絕緣承受的電場(chǎng)強(qiáng)度與其電氣強(qiáng)度成正比。直流電壓下：各層絕緣分擔(dān)的電壓與其絕緣電阻成正比，亦即各層中的電場(chǎng)強(qiáng)度與其電導(dǎo)率成反比。工頻交流和沖擊電壓下：各層所承擔(dān)的電壓和各層電容成反比，亦即各層中的電場(chǎng)強(qiáng)度與其介電常數(shù)成反比。油－屏障絕緣：油浸電力變壓器主絕緣采用的是油-屏障絕緣結(jié)構(gòu)，在這種組合絕緣中以變壓器油作為主要的電介質(zhì)，在油隙中放置若干個(gè)屏障是為了改善油隙中的電場(chǎng)分布和阻止貫通性雜質(zhì)小橋的形成。一般能將電氣強(qiáng)度提高30％～50％。常用多個(gè)屏障將油間隙分隔成多個(gè)較短的油隙，但細(xì)而長(zhǎng)的油間隙中油的對(duì)流較困難，因而對(duì)散熱不利

屏障的總厚度不宜取得過大。因?yàn)楣腆w介質(zhì)的介電常數(shù)比油高，所以固體介質(zhì)的總厚度增加會(huì)引起液體介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)的提高

5.4.1油-屏障絕緣和油紙絕緣的特點(diǎn)油紙絕緣：液體介質(zhì)只是用作充填空氣隙的浸漬劑，因此這種組合絕緣的擊穿強(qiáng)度很高，但散熱比較困難。

油紙絕緣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)比交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)高得多。直流電壓下短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為交流的二倍以上，其長(zhǎng)時(shí)間擊穿場(chǎng)強(qiáng)則為交流時(shí)的三倍以上。

因?yàn)橹绷麟妷鹤饔孟掠团c紙中的場(chǎng)強(qiáng)分配比交流時(shí)合理。交流電壓下油與紙中場(chǎng)強(qiáng)與它們的介電常數(shù)成反比。因?yàn)橛偷慕殡姵?shù)比紙小，所以油中場(chǎng)強(qiáng)比紙中高。由于油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比紙的低，因此場(chǎng)強(qiáng)分配是不合理的。直流電壓下，兩種介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)分配與它們的體積電阻率成正比。油的體積電阻率比紙小，因此油中場(chǎng)強(qiáng)比紙中低，即此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)分配是合理的。為用于直流而設(shè)計(jì)的油紙絕緣（如電纜或電容器）不一定能用于交流，即使能用也要大幅度降低工作電壓；但為工頻電壓設(shè)計(jì)的油紙絕緣則一定能用于直流，且可大幅度提高其工作電壓。

由此可得：ε1E

1＝ε2E

2

U=E

1d1+E

2d2最基本的關(guān)系式為：在極間絕緣距離d=d1+d2不變的情況下，增大ε2

時(shí)使E2減小，但卻使E1增大。因此在電場(chǎng)比較均勻的油間隙中放置多個(gè)屏障，會(huì)使油中場(chǎng)強(qiáng)明顯增大，反而對(duì)絕緣不利。

5.4.２多介質(zhì)系統(tǒng)中的電場(chǎng)超高壓交流電纜常為單相圓芯結(jié)構(gòu)，由于其絕緣層較厚，一般采用分階結(jié)構(gòu)，以減小纜芯附近的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。所謂分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層絕緣構(gòu)成的組合絕緣。分階原則是對(duì)越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越