高電壓技術中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院第二章液體、固體介質的電氣特性各類電介質都有極化、電導和損耗等電氣物理現(xiàn)象氣體介質的極化、電導和損耗都很微弱，一般均可忽略不計所以真正需要注意的只有液體和固體介質在這些方面的特性。第一節(jié) 電介質的極化、電導和損耗（1）電介質的極化

電介質的極化是電介質在電場作用下，其束縛電荷相應于電場方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。這時電荷的偏移大都是在原子或分子的范圍內作微觀位移，并產(chǎn)生電矩（即偶極矩）。電介質極化的強弱可用介電常數(shù)ε的大小來表示，它與該電介質分子的極性強弱有關，還受溫度外加電場頻率等因素的影響。

具有極性分子的電介質稱為極性電介質，而由中性分子構成的電介質稱為中性電介質。前者是即使沒有外電場的作用其分子本身也具有電矩的電介質。介質的相對介電常數(shù)

εr

綜合反映電介質極化的一個物理量。在20℃時工頻電壓下氣體介質εr

接近于1，液體和固體介質的大多在2～6之間。最基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子式極化等三種，另外還有夾層介質界面極化和空間電荷極化等。

現(xiàn)簡要介紹如下在外電場的作用下，介質原子中的電子運動軌道將相對與原子核發(fā)生彈性位移，如右圖。正負電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應偶極矩。這種極化稱為電子式極化或電子位移極化。電子式極化存在于一切電介質中，它有兩個特點：

①完成極化所需的時間極短約10-15s，故其εr不受外電場頻率影響；(在所有的極化類型中，電子式極化時間最短)

②它是一種彈性位移，一旦外電場消失，正負電荷作用中心立即重合，整體恢復中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會使電介質發(fā)熱。溫度對這種極化影響不大，只是在溫度升高時，電介質略有膨脹，單位體積內的分子數(shù)減少，引起εr稍有減小。（一）電子式極化（二）離子式極化

固體化合物大多數(shù)屬離子式結構，如云母、陶瓷等。無外電場時，各個離子對的偶極矩互相抵消，平均偶極矩為零。出現(xiàn)外電場后正、負離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈極化，這就是離子式極化或稱離子位移極化在離子間束縛較強的情況下離子的相對位移是有限的，沒有離開晶格，外電場消失后立即還原，所以它也屬于彈性位移極化，幾乎不引起損耗。所需時間很短，約10-13s，所以其εr

也幾乎與外電場的頻率無關。溫度對離子式極化有兩種相反的影響，即離子間的結合力會隨著溫度的升高而減小，從而使極化程度增強；另一方面，離子的密度將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一些，所以其εr

一般具有正的溫度系數(shù)。有些電介質具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質稱為極性電介質，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當不存在外電場時，這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列著，宏觀電矩等于零，整個介質對外并不表現(xiàn)出極性出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉動，作較有規(guī)則的排列，因而顯出極性，這種極化稱為偶極子極化或轉向極化。UU電極電介質E（三）偶極子極化它是非彈性的，極化過程需要消耗一定的能量，極化所需時間也較長在10-10～10-2s范圍內。

由此可知，極性電介質的εr與電源頻率有較大的關系，頻率太高時偶極子將來不及轉動，因而其εr值變小。

溫度對極性電介質εr值也有很大的影響。因為溫度較低時分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉動困難。所以εr很小。溫度升高后分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱。所以液體固體的εr在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動變的較強烈時，εr又開始隨溫度的上升而減小。為便于比較，將上述各種極化列為下表極化種類產(chǎn)生場合所需時間能量損耗產(chǎn)生原因電子式極化任何電介質10-15s無束縛電子運行軌道偏移離子式極化離子式結構電介質10-13s幾乎沒有離子的相對偏移偶極子極化極性電介質10-10～10-2s有偶極子的定向排列夾層極化多層介質的交界面10-1s～數(shù)小時有自由電荷的移動任何電介質都不同程度地具有一定的導電性，只不過其電導率很小而已，表征電介質導電性能的主要物理量即為電導率γ或其倒數(shù)——電阻率ρ。按載流子的不同，電介質的電導可分為兩種：

離子電導：在電場或外界因素影響下，電介質本身會產(chǎn)生電離，電介質中的正負離子沿電場方向移動，形成電導電流

電子電導：電介質中的自由電子是在高電場作用下，離子與電介質分子碰撞電離激發(fā)出來的，這些電子在電場作用下移動形成電子電導電流（此時表明電介質已被擊穿）

前者以離子為載流子，而后者以自由電子為載流子。在正常情況下，電介質的電導主要是離子電導，這同金屬導體的電導主要依靠自由電子有本質的區(qū)別。二、電介質的電導理論與實踐都已證明：液體和固體的介質電導率γ與溫度間有以下關系:

即γ=Ae-Φ/KTA為常數(shù)，與介質性質有關；T為絕對溫度，單位為K；Φ為導電率的活性化能量對礦物油、硅油，Φ=0.41eV；k為波爾茲曼常數(shù)由以上分析得出：在測量電介質的電導或絕緣電阻時，必須記錄環(huán)境溫度，以便對測量結果進行分析二、電介質的損耗損耗極化損耗（DC下無）電導損耗（DC、AC都有）在直流電壓的作用下，電介質中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒到達引起局部放電的數(shù)值，介質中的損耗將僅由電導所引起，所以用體積電導和表面電導率兩個物理量就已能充分說明問題，不必在引入介質損耗這個概念了。（一）電介質損耗的基本概念在交流電壓下，流過電介質的電流包含有功分量和無功分量，即UU～IRCPUδφI

在下圖中畫出了此時的電壓、電流相量圖，可以看出，此時的介質功率損耗

P=UIcosφ=UIR=UICtgδ=U2ωCptgδ(2-2)式中ω——電源角頻率；

φ——功率因數(shù)角；

δ——介質損耗角。介質損耗角δ

為功率因數(shù)角φ的余角，其正切tgδ

又可稱為介質損耗因數(shù)，常用百分數(shù)（%）來表示。通常均采用介質損耗角正切tgδ

作為綜合反映電介質損耗特性優(yōu)劣的一個指標，測量和監(jiān)控各種電力設備絕緣的tgδ

值已成為電力系統(tǒng)中絕緣預防性試驗的最重要的項目之一。討論介質損耗的意義：1.在進行絕緣結構設計時，必須注意絕緣材料的tgδ值，如果過大而引起嚴重發(fā)熱，將使材料容易劣化，故盡可能選擇tgδ較小的材料。2.當絕緣受潮或惡化時，tgδ會急劇增大，因此經(jīng)常監(jiān)測tgδ值并進行對比，可判斷絕緣的狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題。3.通過測量tgδ－U的關系曲線，可判斷絕緣內部是否發(fā)生了局部放電。介質損耗引起的介質發(fā)熱有時也可以利用，例如利用介質損耗發(fā)熱來加速干燥過程。

第二節(jié)液體介質的擊穿目前最常用的液體介質主要是礦物絕緣油，它廣泛用于變壓器、斷路器、套管、電纜及電容器等設備中，分別稱為變壓器油、電纜油和電容器油液體介質在強電場（高電壓）作用下，將出現(xiàn)由介質轉變?yōu)閷w的擊穿過程一、純凈液體介質的擊穿理論關于純凈液體介質的擊穿機理有各種理論，主要可分為兩大類，即電子碰撞電離理論和氣泡擊穿理論，前者亦稱電擊穿理論。（一）電子碰撞電離理論當外電場足夠強時，在陰極產(chǎn)生的強場發(fā)射的電子將被電場加速而具有足夠的動能，在碰撞液體分子是可引起電離，使電子數(shù)加倍，形成電子崩。與此同時由碰撞電離產(chǎn)生的正離子將在陰極附近集結詞性成空間電荷層，增強了陰極附近的電場，使陰極發(fā)生的電子數(shù)增多；當外加電壓增大到一定程度時，電子崩電流會急劇增大，從而導致液體介質的擊穿。純凈液體介質的電擊穿理論與氣體放電的湯遜理論中α、γ的作用有些相似。但純凈液體的擊穿場強要比氣體介質高得多（約高一個數(shù)量級）。由電擊穿理論知：純凈液體的密度增加時，擊穿場強會增大；溫度升高時液體膨脹擊穿場強會下降；由于電子崩的產(chǎn)生和空間電荷層的形成需要一定時間，當電壓作用時間很短時，擊穿場強將提高，因此液體介質的沖擊擊穿場強高于共頻擊穿場強（沖擊系數(shù)β>1)。在交流電壓下，串聯(lián)介質中的電場分布是與介質的εr

成反比的。由于氣泡的εr

最小（≈1），其電氣強度又比液體介質低得多，所以氣泡先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離近一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電離子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導致氣體通道擴大。如果許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。如果液體介質的擊穿因氣體小橋而引起，那么增加液體的壓力，就可使其擊穿場強有所提高。因此在高壓充油電纜中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場強（二）氣泡擊穿理論

第三節(jié)固體介質的擊穿一、概述（1）氣體、固體、液體三種電介質中，固體的密度最大，耐電強度最高空氣的耐電強度一般在3~4kV/mm液體的耐電強度一般在10~20kV/mm固體的耐電強度一般在十幾~幾百kV/mm（2）固體電介質的擊穿過程最復雜，且擊穿后是唯一不可恢復的絕緣，屬非自恢復絕緣（3）實驗研究表明：固體介質擊穿場強與電壓作用時間有關外，主要由介質本身的微觀結構，幾何形狀，電場均勻化程度，外加電壓波形以及環(huán)境溫度共同確定。因此，它不具備度量絕緣材料的材料常數(shù)的意義，而只具有比較參考的意義。（4）固體介質的擊穿與電壓作用時間有很大關系，并且隨著電壓作用時間的不同，有電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿三種不同的形式固體介質的擊穿場強與電壓作用時間的關系

二、固體介質的擊穿理論（一）電擊穿理論固體介質的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。純電擊穿理論從絕緣材料內有自由移動的電子這一前提出發(fā)，在直流電壓作用下，來自固體介質陰極區(qū)的自由電子得到加速，在其向陽極行進的途中發(fā)生多次碰撞，同時產(chǎn)生一些新的自由電子，這些二次電子又參與隨后的電離過程，引起電子崩；而碰撞產(chǎn)生的正離子，在到達陰極前形成正的空間電荷，它使至陰極區(qū)的場強明顯提高，碰撞電離越來越強，必將加速擊穿過程集體電子擊穿理論固體介質中存在少量處于導電能級的電子（傳導電子），它們在強電場作用下加速，并與晶格接點上的原子（或離子）不斷碰撞。當單位時間內傳導電子從電場獲得的能量大于碰撞時失去的能量，則在電子的能量達到了能使晶格原子（或離子）發(fā)生電離的水平時，傳導電子數(shù)將迅速增多，引起電子崩，破壞了固體介質的晶格結構，使電導大增而導致?lián)舸??？臻g電荷理論在某些絕緣材料內發(fā)生擊穿是空間電荷的作用增強的結果。前提是一些導電性很弱的如高聚合物絕緣材料具有使載流子長期貯存于其內的能力。雜介質電導（或介質損耗）很小，又有良好的散熱條件以及介質內部不存在局部放電的情況下，固體介質的擊穿通常為電擊穿，其擊穿場強一般可達105～106kV/m，比熱擊穿時的擊穿場強高很多，后者僅為103～104kV/m，而作用時間卻短得多電擊穿的主要特征為：擊穿電壓幾乎與周圍環(huán)境溫度無關除擊穿時間很短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時間的關系不大；介質發(fā)熱不顯著；電場的均勻程度對擊穿電壓有顯著影響。

熱擊穿是由于固體介質內熱不穩(wěn)定過程造成的。

當固體介質長期地承受電壓的作用時，會因介質損耗而發(fā)熱，與此同時也向周圍散熱，如果周圍環(huán)境溫度低、散熱條件好，發(fā)熱與散熱將在一定條件下達到平衡。

固體介質處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，介質溫度不會不斷上升而導致絕緣的破壞。

發(fā)熱大于散熱，介質溫度將不斷上升，導致介質分解、熔化、碳化或燒焦，從而發(fā)生熱擊穿。（二）熱擊穿理論如圖所示，在三個電壓下(U1>U2>U3)有發(fā)熱曲線1、2、3，4為散熱曲線。①曲線1，Q1>Q2，介質一定擊穿；②曲線2，與散熱曲線4交于k點，它是不穩(wěn)定的平衡點，t>tk時，介質溫度不斷上升，直至擊穿。③曲線3和曲線4有a、b兩個交點，a為穩(wěn)定的熱平衡點，b為不穩(wěn)定的熱平衡點，t>tb

時，介質發(fā)生擊穿。結論：（1）熱擊穿電壓會隨周圍媒質溫度t0

的上升而下降（2）熱擊穿電壓并不隨介質厚度成正比增加，因厚度越大，介質中心附近的熱量逸出就越困難，所以固體介質的擊穿場強隨厚度的增大而降低。（3）如果介質的導熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升。固體介質在長期工作電壓的作用下，由于介質內部發(fā)生局部放電等原因，是絕緣劣化、電氣強度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學擊穿。在臨近最終擊穿階段，可能因劣化處溫度過高而以熱擊穿形式完成，也可以因劣化后電氣強度下降而以電擊穿形式完成。（三）電化學擊穿電老化的類型：電離性老化、電導性老化和電解性老化。局部放電是介質內部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質的放電。局部放電使介質劣化、損傷、電氣強度下降的主要原因為：1)產(chǎn)生活性氣體對介質氧化、腐蝕；2)溫升使局部介質損耗增加；3)切斷分子結構，導致介質破壞。Tree-like樹枝狀Bush-like灌木叢狀chestnut-like栗子狀樹枝老化的一般形狀電離性放電：這通常發(fā)生在有機絕緣材料的場合。當有機絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質等因素而出現(xiàn)高場強區(qū)時，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機固體介質上留下纖細的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。電導性老化：在兩電極之間的絕緣層中存在液態(tài)導電物質(例如水)，當該處場強超過某定值時，該液體會沿電場方向逐漸深入到絕緣層中，形成近似樹枝狀的痕跡，稱作“水樹枝”。（圖2-17）電壓作用時間：很短——電擊穿；較長—熱擊穿、電熱聯(lián)合；很長時間—電化學擊穿。電場均勻程度：均勻電場擊穿電壓與厚度成正比；不均勻電場中出現(xiàn)熱擊穿后厚度的增加擊穿電壓增加不大。溫度：環(huán)境溫度越高，散熱越差，熱擊穿電壓越低。電壓種類：沖擊擊穿電壓遠大于工頻擊穿電壓。累積效應：局部損傷積累。受潮：易受潮的極性介質受潮后擊穿電壓大幅降低。機械負荷（累積效應）：出現(xiàn)微觀裂縫后擊穿電壓顯著下降。三、影響固體介質擊穿電壓主要因素對高壓電氣設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、機械性能及其他物理—化學性能，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由多種電介質組合而成。

第四節(jié)組合絕緣的電氣強度

一、介質的組合原則不同介電常數(shù)的介質組合在一起構成組合絕緣，組合絕緣的電氣強度不僅取決于所用介質的電氣特性，而且還與介質的互相配合有關。

組合絕緣常見的形式是由多種介質構成的層狀絕緣(層疊絕緣)。

各層最理想的分配原則是：使組合絕緣中各層絕緣所受的電場強度與其電氣強度成正比。因為此時，整個組合絕緣的電氣強度最高，每層絕緣材料得到了最充分、合理地利用。

各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。

在直流電壓下：各層絕緣分擔的電壓與其絕緣電阻成正比，即和電導率成反比,所以應該把電氣強度高、電導率大的材料用在電場最強的地方。

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，亦即各層中的電場強度與其介電常數(shù)成反比，所以應該把電氣強度高、介電常數(shù)大的材料用在電場最強的地方。

在組合絕緣中，同時采用多種電介質，在需要對這一類絕緣結構中的電場作定性分析時，常常采用最簡單的均勻電場雙層介質模型，如右圖。在此模型中，最基本的關系式為

二、組合絕緣中的電場

1、均勻電場雙層介質模型ε2E2

ε1E1Udd1d2

ε1E1=ε2E2

U=E1d1+E2d2由此可得

ε1和E1分別為油的介電常數(shù)和油中電場強度，ε2E2分別為屏障的介電常數(shù)和屏障中的電場強度，即可知ε1<

ε2,E1>E2

。上面第一個式子可改寫成由上式可知，當外加電壓U和極間距離不變的條件下，增大εi，Ei下降，但對于其余介質的E有不同程度增大的趨勢超高壓交流電纜常為單相圓芯結構，由于其絕緣層較厚，一般采用分階結構，以減小纜芯附近的最大電場強度。

2、介質界面是電纜芯線的同心圓筒的情況

分階絕緣是指由介電常數(shù)不同的多層絕緣構成的組合絕緣

分階原則是對越靠近纜芯的內層絕緣選用介電常數(shù)越大的材料，以達到電場均勻化的目的。先討論單相圓芯均勻介質電纜中絕緣的利用系數(shù)。如果施加交流電壓U，則其絕緣層中距電纜軸心r

處的電場E可由下式求得式中r0、R

分別為電纜芯線的半徑和外電極（金屬護套）的半徑。對于單相圓芯均勻介質電纜而言，絕緣層中最大電場強度Emax

位于芯線的表面上而最小電場強度Emin

位于絕緣層的外表面（r=R）。此時的平均電場強度Eav

應為

絕緣中平均場強與最大場強之比成為該絕緣的利用系數(shù)η，則此時

η值越大，則電場分布越均勻，亦即絕緣材料利用的越充分。平板電容器的η值可視為1。第五節(jié)絕緣的老化老化：電氣設備的絕緣在運行過程中，由于受到各種因素的長期作用，會發(fā)生一系列不可逆的變化，從而導致其物理、化學、電和機械等性能的劣化老化的原因有哪些？

熱、電、機械力、水分、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。最主要的是電老化、熱老化、機械應力老化