液体和固体电介质的绝缘性能 电气设备中，除了某些地方采用气体作为绝缘外，广泛采用的是液体和固体电介质作绝缘。固体介质除用作绝缘外，还常作为极间障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。液体介质除用作绝缘外，还常作为载流导体和磁导体的冷却剂，在一些开关电器中，还可用它做灭弧材料。因此，对用作绝缘材料的固体和液体介质，不仅要求其绝缘强度高，而且随其用途的不同，还要求其有电、热、机械、化学和物理等方面的性能。为此必须要研究液体、固体介质的电气性能和击穿机理，以及影响其绝缘强度的各种因素，从而了解判断其绝缘老化和损伤的程度，合理地选择和使用绝缘材料。 电介质的性能一般用相对介电常数εγ、电导率γ或其倒数电阻率ρ、介质损耗角正切值tgδ和击穿场强四个物理量来描述，他们分别反映了电介质的极化、电导、损耗和抗电性能。 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 在密闭容器中加入两平板电极，容器抽真空。在电极上加上外加电压进行充电。静止后电量为Q0，Q0=C0U。 一、问题提出 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 - + - + 在两电极间加入厚度与极间距相同的固体电介质重新完成试验。发现极板上的电量增加了Q’，Q=Q0+Q’。问Q’这些电量是如何来的呢？ 解释：来源于固体电介质的极化。固体介质内部形成一个极性与外加电压方向相反的附加电场，为保持两极板间电压不变，电源需要再提供Q’这些电量来平衡附加电场。在电场的作用下，电介质相对电极两面呈现电性的现象称为极化。 用相对介电常数来描述 εγ =Q/Q0=（Q0+Q’）/Q0 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 二、极化的形式 1、电子式极化 特点： 1）速度快 10-14—10-15S； 2）不消耗能量； 3）弹性的。 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 二、极化的形式 2、离子式极化：固体无机化合物多数属于离子式结构，如云母、玻璃、陶瓷材料等。 其特点是： 1）速度较快，10-12—10-13S； 2）不消耗能量； 3）弹性的。 3、偶极子极化： 特点： 1）速度较慢，10-2—10-10S； 2）弹性的； 3）消耗能量。 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 特点： 1）速度慢； 2）非弹性的； 3）消耗能量。 4、夹层极化： 设：U=3，G1=1，G2=2， C1=2，C2=1。 t=0时，电压按照电容反比例分配，则U1=1，U2=2；介质1上积累的电量Q1=2，介质2上积累的电量Q2=2，所以接触面上没有电荷积累。 特点： 1）速度慢； 2）非弹性的； 3）消耗能量。 t趋近于无穷时，电压按照电导反比例分配，则U1=2，U2=1；介质1上积累的电量Q1=4，介质2上积累的电量Q2=1，所以接触面上有电荷积累。形成内部附加电场 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 极化可以归纳为空间电荷的弹性位移或转向及电荷的重新分配；也可以归纳为快速的无损极化和慢速的有损极化。 研究极化的意义： 1、选择制造电容的绝缘材料时，一方面注意材料的绝缘强度，另一方面希望介电常数要大； 2、在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强分布与介电常数成反比。 问题：用两种介电常数的绝缘纸分别缠电缆芯线，是先缠介电常数大的呢，还是先缠介电常数小的呢？ 3、利用夹层极化可以判断绝缘受潮的情况。 长春工程学院 刘望来

§2.1电介质的极化 常用电介质的介电常数 材料类别 名称 εγ 气体介质 （标准大气压条件下） 中性 极性 空气/氮气 二氧化硫 液体介质 1.00058/1.00060 1.009 液体介质 弱极性 强极性 变压器油/硅有机液体 蓖麻油/氯化联苯 丙酮/酒精/水 2.2/2.2-2.8 4.5/4.6 -5.2 22/33/81 固体介质 离子性 纤维素/胶木/聚氯乙烯 云母/电瓷 6.5/4.5/3.0-3.5 5-7/5.5-6.5 长春工程学院 刘望来

§2.2电介质的电导 一、试验电路 电导：任何电介质都有一定的导电性。 金属电导是电子电导、电介质电导是离子电导。 电介质的电导极小，其电阻率高达108—1022Ω·m，而金属的其电阻率仅为10-6—10-2Ω·m 一、试验电路 长春工程学院 刘望来

§2.2电介质的电导 二、等值电路 1、由电源对电介质等效电容充电建立电场及快速无损极化形成的电流ic称为几何电容电流。由于其是纯容性的，所以可以用一个电容C0来等值。 2、由慢速有损极化形成的电流ia称为吸收电流。由于是由极化形成的，可以等值出电容Ca，又有损耗，可以等值出电阻ra。 3、电介质中的起始带电粒子在电场的作用下定向运动形成电流ig，称为泄漏电流。因为是纯阻性的，可以等值出电阻rg。 长春工程学院 刘望来

§2.2电介质的电导 三、绝缘电阻与吸收现象 在电压作用下流过电介质的电流随加压时间的延长逐渐稳定在泄漏电流上，这种电流随时间逐渐衰减的现象称为吸收现象。与这个稳定电流相对应的电阻值称为设备的绝缘电阻。 由于吸收现象的存在，在对电介质进行高压试验时，电介质表面会有吸收电荷存在，这些电荷在没有外因作用时需很长时间才能泄放掉，可能对人构成危险，所以高压试验结束时必须对试品进行放电。 四、气体电介质的电导是由气体分子本身及气体中杂质离解出来的带电粒子形成的，其值很小。 液体电介质的电导一种是由液体本身的分子和杂质的分子离解的带电粒子形成的离子电导，另一种是由液体中胶体质点吸附电荷后变成带电质点构成的电泳电导。 固体电介质的电导分体积电导和表面电导两部分。 长春工程学院 刘望来

§2.2电介质的电导 五、研究电导的意义： 1）在高压设备绝缘预防性试验中，测量电介质的电导和吸收比可以判断绝缘是否受潮。 2）多层介质在直流电压作用下的稳态电压分布与各层介质的电导成反比。 3）设计绝缘时，要考虑到绝缘的使用条件，特别是湿度的影响。 4）并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘电阻。 长春工程学院 刘望来

§2.3电介质的损耗 电介质损耗包括极化损耗和电导损耗。在直流电压的作用下，由于电介质中没有周期性都极化过程，当外施电压低于发生局部放电的电压时，介质中的损耗仅由电导所引起。 用有功功率P来表示介质损耗是不方便的，因为P值与实验电压、试品尺寸等因素有关，不同试品间难以互相比较，而对一定结构的试品，在外界电压一定的情况下，介质损耗仅决定于tgδ，而如同介电常数和电导率一样， tgδ仅取决于介质本身的特性参数。因此，为了比较不同介质在交变电压作用下的损耗性能， tgδ就成为衡量介质损耗大小的物理量。 长春工程学院 刘望来

§2.3电介质的损耗 研究介质损耗的意义： 1、 在设计绝缘结构时，必须注意到绝缘材料的tgδ ，若tgδ值过大则会引起严重发热，使材料容易劣化，甚至可能导致热击穿。 2、用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的tgδ值必须很小，否则冲击波在电缆中传播时将引起严重畸变，影响测量精确度。 3、预防性试验的一种。 4、作为绝缘材料，希望其tgδ越小越好。 长春工程学院 刘望来

§2.4液体电介质的击穿特性 一、液体分纯净液体和工业上应用的液体，纯净液体的放电理论是电击穿理论，工业上应用的液体的放电理论是“小桥理论”。 二、“小桥理论” 工程上所用的液体介质中总难免会混入一些杂质，如变压器油中常因受潮而含有水分，还有从固体绝缘材料中脱落的纤维或其他杂质，当油中含有水分和纤维时，由于水和纤维的介电常数很大，尤其是纤维吸潮后，很容易沿电场方向极化定向排列，排列成杂质小桥，并在电极间形成电导较大的通道，引起泄漏电流增大，温度升高，促使油和水分汽化，气泡扩大，最后击穿。 长春工程学院 刘望来

§2.4液体电介质的击穿特性 三、标准试油杯为什么要作成均匀电场的？ 在不均匀电场中，间隙中强电场出发生的局部放电使液体介质发生波动，杂质不易搭成小桥，液体的击穿电压受到杂质的影响减小，不能正确判断油的品质，所以必须作成均匀电场。 在标准试油杯中，液体（变压器油）的击穿电压为20—60KV，其平均击穿场强为20—60KV/0.25cm=80—240KV/cm。而均匀电场中空气的击穿场强为30KV/cm，所以气体的击穿场强比液体的低很多。 长春工程学院 刘望来

§2.4液体电介质的击穿特性 四、油的品质对液体击穿电压的影响 1、含水量对液体击穿电压的影响 变压器油在不同的环境中，吸收水分的能力和程度是不同的，因此变压器油中的含水量也不相同。比较干燥的油在潮湿的环境中，经过一段时间后，含水量会逐渐增加，最后达到某一饱和值。 水分在油中以溶解状态、悬浮状态和在容器底部沉积三种状态出现。溶解状态的水分只要不因含水量过大而使油的电导显著增加，对油的击穿电压影响不大。悬浮状态的小水滴能够在电场作用下极化并在极间排成导电的“小桥”，使油的击穿电压显著下降。 从图中可见，变压器油的含水量仅达到十万分之几时，变压器油的击穿电压就显著降低。当含水量超过0.02%时，多余的水分常沉积在容器的底部，故对油的击穿电压进一步降低是有一定限度的。 长春工程学院 刘望来

§2.4液体电介质的击穿特性 四、油的品质对液体击穿电压的影响 2、含纤维量的影响 当变压器油中有纤维存在时，在电场作用下，纤维将沿着电场方向定向排列，形成“小桥”，使变压器油的击穿电压大为降低。 3、含碳量的影响 某些电气设备中的绝缘油在运行中常受到电弧的作用，电弧的高温会使绝缘油分解而产生碳粒。新生的活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力，从而使油的绝缘强度提高，同时碳粒本身是导体，它分散在油中使附近的局部强场增强而使油的绝缘强度降低。总之，细而分散的碳粒对油的绝缘强度影响并不显著，但碳粒吸附水分逐渐沉积到电气设备的固体介质表面，形成油泥，易造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。 长春工程学院 刘望来

§2.4液体电介质的击穿特性 五、温度对液体绝缘强度的影响 温度对液体击穿电压的影响与水分的状态密切相关。 1、当温度由00C开始逐渐上升时，水在油中的溶解度逐渐增大，原来悬浮状态的水分逐渐转化为溶解状态，使油的击穿电影逐渐升高。 2、当温度超过60-800C时，温度再升高，则水分开始汽化，油也开始汽化，产生气泡，使击穿电压降低。 3、在0-50C时，油中水分是悬浮状态的，击穿电压最低。 4、温度再降低，水将结成冰粒，其介电常数与油的相近，对击穿电压影响不大。 长春工程学院 刘望来

§2.4液体电介质的击穿特性 六、提高液体介质击穿电压的措施 途径：提高液体的品质，限制小桥的形成。 措施： 1、提高液体品质（1）过滤。在油中先加入白土、硅胶等吸附剂后用滤油机滤纸阻隔油中的纤维等固态杂物，吸收部分水分等液体杂质；（2）干燥。绝缘及夹件、绕组等浸油前必须烘干，必要时采用真空干燥法去除水分，在油箱呼吸器的空气入口处放干燥剂。（3）祛气。 2、限制小桥的形成（1）覆盖。在电场中曲率半径小的电极上覆盖很薄的电缆纸（或黄蜡布或涂漆膜），组成油—纸绝缘组合。在均匀电场中覆盖能够使击穿电压提高70%—100%，在极不均匀电场中能够提高10%—15%，所以充油设备中很少采用裸导体的。（2）绝缘层（3）屏障 长春工程学院 刘望来

小 结 在电场作用下，电介质中发生的物理现象可用四个特性参数：介电常数、绝缘电阻率、介质损耗角正切及绝缘强度来表征。前三个参数是表征在较弱电场中的性能，绝缘强度是在强电场中表征电介质性能的参数（电场的强弱是以能否使电介质发生放电来区分的）。这四个参数有三个是物理量，而tgδ是一个比值。这四个参数既有联系，又相互独立，不能由一个参数推断另一个参数。评价电介质的电气性能要以四个参数全面衡量，只是在不同的应用场合，对这四个参数的要求主、次和数值有所不同；多数情况是绝缘强度这一参数起主导作用。 在较弱电场作用下，离子的定向运动形成电介质电导。温度升高介质中离子数加多，运动加快，故其电阻温度系数为负。 电介质在直流电压作用下，因偶极子极化、夹层极化等缓慢极化过程形成了电介质的吸收现象。当除去外加电压，将电介质两端的电极短路放电时，因极化的缓慢消失，使极板上电荷完全放掉所需的时间比充电时间要更长。 长春工程学院 刘望来

由于通过介质的泄漏电流和有损极化使电介质在交变电场作用下产生介质损耗，介质损耗的大小用tgδ来表示。 由固、液体电介质构成的电容器，当外加电压作用时，为建立电场、缓慢极化和介质漏电流使电流分三部分：几何充电电流、吸收电流和泄漏电流。三部分电流对应三个支路：纯电容、电容与电阻串联、纯电阻支路。故电介质可用电阻与电容的串联或并联电路来等值。 由于通过介质的泄漏电流和有损极化使电介质在交变电场作用下产生介质损耗，介质损耗的大小用tgδ来表示。 工程上应用的变压器油中总是含有少量的杂质，主要是水分和纤维等。水分和纤维的相对介电常数比油的大，在外加电场作用下很容易极化，因而在极间形成漏电大的通道，即杂质小桥，这漏电大的通道发热使局部温度升高，水分汽化而形成气体通道，气体通道因碰撞游离而击穿，故变压器油的击穿是用小桥理论来解释的。 油中含有杂质多，杂质小桥易于形成，其击穿电压就降低。在均匀电场中油较平稳，油中杂质易于搭成“小桥”，故油品质试验要在均匀电场的标准试油杯中进行。 提高油间隙击穿电压的措施：一方面是提高油的品质，另一方面是限制小桥的形成。 长春工程学院 刘望来