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1、高电压技术高电压技术 液体和固体电介质的液体和固体电介质的 绝缘特性绝缘特性 第二章第二章高电压技术高电压技术第二章第二章 液体和固体电介质的绝缘特性液体和固体电介质的绝缘特性第一节第一节 电介质的极化电介质的极化第二节第二节 电介质的电导电介质的电导第三节第三节 电介质的损耗电介质的损耗第四节第四节 液体电介质的击穿特性液体电介质的击穿特性第五节第五节 固体电介质的击穿特性固体电介质的击穿特性第六节第六节 电介质的老化电介质的老化高电压技术高电压技术一、电介质的极化一、电介质的极化1、定义、定义 ：电介质中的带电质点在电场作用下沿电场电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移。方向作
2、有限位移。Qo=CoU相同情况下不同介质极化的程度不同相同情况下不同介质极化的程度不同Q=CU高电压技术高电压技术Qo=CoUr 相对介电系数相对介电系数Qo=CoU 表征电介质在电场作用表征电介质在电场作用下的极化程度。表下的极化程度。表21高电压技术高电压技术2、极化的基本形式、极化的基本形式(1)电子式极化电子式极化其特点其特点:a、极化所需时间极短。、极化所需时间极短。b、极化时没有能量损极化时没有能量损耗。耗。c、温度对极化影响极小。、温度对极化影响极小。高电压技术高电压技术(2)离子式极化离子式极化其特点其特点:a.极化过程极短。极化过程极短。b.极化过程无能量损耗。极化过程无能量
3、损耗。c.温度对极化有影响温度对极化有影响,极化随温度升高而增强。极化随温度升高而增强。高电压技术高电压技术(3)偶极子式极化偶极子式极化其特点其特点 a、极化所需时间、极化所需时间较长，因而与频率较长，因而与频率有关。有关。b、极化过程有能量损耗。、极化过程有能量损耗。c、温度对极化影响很大，温度很高和很低时，、温度对极化影响很大，温度很高和很低时，极化均减弱。极化均减弱。高电压技术高电压技术(4)夹层式极化夹层式极化其特点其特点 在两层电介质的在两层电介质的界面上发生电荷的界面上发生电荷的移动和积累，极化移动和积累，极化过程缓慢，并有损过程缓慢，并有损耗。耗。交界面积聚的异号电荷不等，在交
4、界处显示出极性。交界面积聚的异号电荷不等，在交界处显示出极性。高电压技术高电压技术(4)夹层式极化夹层式极化 P36举例，举例，初始状态时与稳态时的初始状态时与稳态时的电压分配不同，过度过程电压分配不同，过度过程就是极化过程。就是极化过程。极化使等值电容变大。极化使等值电容变大。交界面积聚的异号电荷交界面积聚的异号电荷不等，在交界处显示出极性。不等，在交界处显示出极性。工程意义，工程意义，P36底底3点。点。高电压技术高电压技术二、电介质的电导二、电介质的电导1、定义、定义 介质在电场作用下，使其内部联系较弱介质在电场作用下，使其内部联系较弱的带电粒子作有规律的运动形成电流，的带电粒子作有规律
5、的运动形成电流，即泄漏电流。这种物理现象称为电导。即泄漏电流。这种物理现象称为电导。表征电导过程强弱程度的物理量为电导率表征电导过程强弱程度的物理量为电导率，或它的倒数，或它的倒数电电阻率阻率o表表21高电压技术高电压技术(1)电容电流电容电流ic 在加压初瞬间介质中的电在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极化过程子式极化和离子式极化过程所引起的电流，无损耗，存所引起的电流，无损耗，存在时间极短。在时间极短。(2)吸收电流吸收电流ia 有损极化所对应的电流，有损极化所对应的电流，即夹层极化和偶极子极化时即夹层极化和偶极子极化时的电流，它随时间而衰减。的电流，它随时间而衰减。绝缘介质中少量离子
6、定向移动所形成的电导电流，它绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电流，它不随时间而变化。不随时间而变化。(3)泄漏电流泄漏电流ig2、介质中的电流介质中的电流高电压技术高电压技术流过介质的电流流过介质的电流i由三个分量组成：由三个分量组成：高电压技术高电压技术3、吸收现象、吸收现象 固体电介质在直流电压作用下，观察到电路中固体电介质在直流电压作用下，观察到电路中的电流从大到小随时间衰减的电流从大到小随时间衰减,，最终稳定于某一数，最终稳定于某一数值，称为值，称为“吸收现象吸收现象”。介质干燥和嘲湿程度不同，吸收现象不一介质干燥和嘲湿程度不同，吸收现象不一样，据此可判断绝缘性能的好坏。样，据此
7、可判断绝缘性能的好坏。4、固体电介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻、固体电介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻表面泄漏电流的影响表面泄漏电流的影响高电压技术高电压技术三、电介质的损耗三、电介质的损耗1 1、损耗的形式损耗的形式(1)(1)电导损耗电导损耗由泄漏电流引起的损耗，交直流下都存在。由泄漏电流引起的损耗，交直流下都存在。(2)(2)极化损耗极化损耗由偶极子与夹层极化引起，交流电压下极明显。由偶极子与夹层极化引起，交流电压下极明显。(3)(3)游离损耗游离损耗 指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡中局部放电所造成的损耗。中局部放电所造成的损耗。高
8、电压技术高电压技术2、介质损耗角、介质损耗角 在交流电压作用下，由于存在三种形式的损耗，需在交流电压作用下，由于存在三种形式的损耗，需引入一个新的物理量来表征介损的特性。引入一个新的物理量来表征介损的特性。用介质损耗角的正切用介质损耗角的正切tg来表示介损的意义来表示介损的意义可推导出介质的有功损耗可推导出介质的有功损耗P 高电压技术高电压技术由于由于:(1)P值与试验电压值与试验电压U的高低等因素有关的高低等因素有关;(2)tg是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，而仅取决于电介质的损耗特性。而仅取决于电介质的损耗特性。(3)tg可以用高压电桥等仪器直接测量可以
9、用高压电桥等仪器直接测量.所以表征介损用介质损失角的正切所以表征介损用介质损失角的正切tg来表示来表示,而不是用有功损耗而不是用有功损耗P来表示来表示.高电压技术高电压技术3、影响、影响tg的因素的因素（1）温度的影响）温度的影响高电压技术高电压技术（2）频率的影响）频率的影响高电压技术高电压技术（3）电压的影响）电压的影响在电场强度不很高时，在电场强度不很高时，tg不不变变；在电场强度较高时，在电场强度较高时，tg随随电场电场强强度升高而迅度升高而迅速增大。速增大。较高电压下较高电压下 测量测量tg可可发现发现介介质质的气泡、分的气泡、分层层和裂痕等缺陷。和裂痕等缺陷。高电压技术高电压技术
10、描写电介质电性能的四个物理量与对应的四个描写电介质电性能的四个物理量与对应的四个物理现象物理现象1.电介质的极化电介质的极化 相对介电系数相对介电系数2.电介质的电导电介质的电导 电导率电导率 3.电介质的损耗电介质的损耗 介质损失角正切介质损失角正切tg4.电介质的击穿电介质的击穿 电场强度电场强度E 高电压技术高电压技术四、液体电介质的击穿特性四、液体电介质的击穿特性1、“小桥小桥”理论（即理论（即“气泡气泡”击穿理论）击穿理论）变压器油的击穿主要原因，在于杂质的影响变压器油的击穿主要原因，在于杂质的影响,，而杂质是，而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成。水分、受潮的纤维和被游离
11、了的气泡等构成。在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 r 成反成反比的。由于气泡的比的。由于气泡的r 最小（最小（1），其电气强度又比液体介质低），其电气强度又比液体介质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、得多，所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离近一步发展。电离产生的带电离子撞击密度减小，这促使电离近一步发展。电离产生的带电离子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。如果许多电油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成离的气泡在电场中排列成气体
12、小桥气体小桥，击穿就可能在此通道中发，击穿就可能在此通道中发生。生。高电压技术高电压技术 如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此在高压充油电缆中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强 气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释气泡理论可推广到其他悬浮物所引起的击穿，用来解释工程用工程用变压器油的击穿过程变压器油的击穿过程。工程用变压器油是有杂质的，。工程用变压器油是有杂质的，这些杂质的介电常数和电导率均与变压器
13、油不同，从而会畸这些杂质的介电常数和电导率均与变压器油不同，从而会畸变油中电场，影响油的击穿。变油中电场，影响油的击穿。由于水和纤维的由于水和纤维的 r 很大，很易沿电场方向极化定向，并很大，很易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。这时会发生两种情况：排列成杂质小桥。这时会发生两种情况：（1）如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串）如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于纤维联，由于纤维r 大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电场显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电离增
14、强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。电离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。高电压技术高电压技术 （2）如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄）如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也漏电流增大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去也会出现气体小桥，使油隙发生击穿。会出现气体小桥，使油隙发生击穿。工程用变压器油的击穿有如下特点：在均匀电场中，当工程用变压器油的击穿有如下特点：在均匀电场中，当工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋工频电压升高到某值时，油中可能出现一个火花放电，但旋即消失，油又恢复其电
15、气强度；电压再增油中又可能出现火即消失，油又恢复其电气强度；电压再增油中又可能出现火花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定花，但可能又旋即消失；这样反复多次，最后才会发生稳定的击穿。的击穿。判断油的质量，重要依靠则量其电气强度、判断油的质量，重要依靠则量其电气强度、tg和含水和含水量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿电压。击穿电压。高电压技术高电压技术2、影响液体电介质击穿电压的因素、影响液体电介质击穿电压的因素（1）自身品质因素：杂质的多少）自身品质因素：杂质的多少（含水量、纤维量、气量）（含水量、纤维量、气量
16、）通过标准油杯中变通过标准油杯中变压器油的工频击穿压器油的工频击穿电压来衡量油的品电压来衡量油的品质质高电压技术高电压技术（2）温度）温度高电压技术高电压技术（3）压力）压力击穿电压随压力增大。击穿电压随压力增大。当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击穿，击穿电压随作用时间增加而降低。穿，击穿电压随作用时间增加而降低。（5）电场均匀程度）电场均匀程度 电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大，击穿电压也愈高。愈大，击穿电压也愈高。（4）电压作用时间）电压作用时间 加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击加压
17、后短至几个微秒时，表现为电击穿，击穿电压很高。穿电压很高。高电压技术高电压技术3、提高液体电介质击穿电压的措施、提高液体电介质击穿电压的措施（1）过滤）过滤（2）防潮）防潮（3）脱气）脱气（4）采用固体电介质）采用固体电介质覆盖层覆盖层电极表面电极表面绝缘层绝缘层屏障屏障油间隙中间油间隙中间高电压技术高电压技术五、固体电介质的击穿五、固体电介质的击穿1、击穿形式、击穿形式(1)电击穿电击穿 固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。破坏并丧失绝缘性能的现象。固体介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子），固体
18、介质中存在少量处于导电能级的电子（传导电子），它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子）它们在强电场作用下加速，并与晶格接点上的原子（或离子）不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子）时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子（或离子）发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩，发生电离的水平时，传导电子数将迅速增多，引起电子崩，破破坏了固体介质的晶格结构坏了固体介质的晶格结构，使电导大增而导致击穿。，使电导大增而导致击穿。高电压技术高电压技术 杂介
19、质电导（或介质损耗）很小，又有良好的散热条件以杂介质电导（或介质损耗）很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，其击穿场强一般可达电击穿，其击穿场强一般可达105106kV/m，比热击穿时的击，比热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为穿场强高很多，后者仅为103104kV/m。电击穿的主要特征为：电击穿的主要特征为：击穿电压几乎与周围环境温度无击穿电压几乎与周围环境温度无关；除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关关；除击穿时间很短的情况外，击穿电压与电压作用时间的关系不大；介质发热不显著
20、；电场的均匀程度对击穿电压有显著系不大；介质发热不显著；电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。影响。高电压技术高电压技术(2)热击穿热击穿 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时质长期地承受电压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散也向周围散热，如果周围环境温度低、散热条件好，发热与散热将在一定条件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质热将在一定条件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但
21、是如果发热大于散温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但是如果发热大于散热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，热，介质温度将不断上升，导致介质分解、熔化、碳化或烧焦，从而发生热击穿。从而发生热击穿。（1）热击穿电压会随周围媒质温度）热击穿电压会随周围媒质温度 t0 的上升而下降。的上升而下降。（2）热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越）热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大，介质中心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿大，介质中心附近的热量逸出就越困难，所以固体介质的击穿场强随厚度的增大而降低。场强随厚度的增大而降低。高电压技术高电压技术 固体介质在长期工
22、作电压的作用下，由于介质内部发生固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，是绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿局部放电等原因，是绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。的现象称为电化学击穿。在临近最终击穿阶段，可能因劣在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成，也可以因劣化后电气强度化处温度过高而以热击穿形式完成，也可以因劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。下降而以电击穿形式完成。（3）如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击）如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升。穿电压上升。（4）f 或或tg 的增大都会造成介质的
23、发热量增大。临的增大都会造成介质的发热量增大。临界击穿电压下降。界击穿电压下降。电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切，但电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。一般来说，无机绝缘材料耐局部放也因介质种类的不同而异。一般来说，无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。电的性能较好。(3)电化学击穿电化学击穿高电压技术高电压技术2、影响、影响固体电介质固体电介质击穿放电的因素击穿放电的因素(1)电压作用时间电压作用时间 如果电压作用时间很短（例如如果电压作用时间很短（例如 以下），固体介质的击穿以下），固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用
24、时间的往往是电击穿，击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长，击穿电压下降，如果在加压后数分钟到数小时才引起增长，击穿电压下降，如果在加压后数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分清，击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时很难分清，例如在工频交流例如在工频交流1min耐压试验中的试品被击穿，常常是电和耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。热双重作用的结果。高电压技术高电压技术(2)电场均匀程度与介质厚度电场均匀程度与介质厚度2、影响因素、影响因素(3)电压种类电压种类 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随处于均匀电场中的固体介质，其
25、击穿电压往往较高，且随厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不在随厚度的增加而线增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不在随厚度的增加而线性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时，增加性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。厚度的意义就更小了。直流时的直流时的击穿电压击穿电压大于交流。大于交流。高电压技术高电压技术(4)电压作用的累积效应电压作用的累积效应(5)受受潮潮 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压、固体介质在不均匀电场中以及在幅值不
26、是很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电压会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电压的下降。的下降。对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介质，对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；但因为电导率和介质损耗大受潮后击穿电压仅下降一半左右；但因为电导率和介质损耗大大增加的缘故，容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸
27、等纤维材料，大增加的缘故，容易吸潮的极性介质，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低。吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之几或更低。高电压技术高电压技术3、提高击穿电压的措施、提高击穿电压的措施 （1）改进制造工艺：尽可能清除介质中的杂质改进制造工艺：尽可能清除介质中的杂质,可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍等方法。等方法。（2）改进绝缘设计：尽可能使电场均匀。）改进绝缘设计：尽可能使电场均匀。（3）改善运行条件：注意防潮、尘污，加强散热）改善运行条件：注意防潮、尘污，加强散热冷却。冷却。高电压技术高电压技术变压器排风散热变压器排风散热高电压技术高电压技术六、电介质的老化六、电介质的老化老化的主要形式：电老化和热老化，老化的主要形式：电老化和热老化，P46绝缘材料的耐热等级绝缘材料的耐热等级高电压技术高电压技术本章结束本章结束