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1、第二章 液体、固体介质的电气特性 中国石油大学信控学院 薛永端 主要内容 第一节 电介质的极化、电导和损耗 介电常数、电导率、介质损耗角正切、击穿场强 第二节 液体介质的击穿 液体介质击穿的概念 影响液体介质击穿电压的因素 减少杂质影响的办法 第三节 固体介质的击穿 固体介质的电击穿理论 固体介质的热击穿理论 固体介质的电化学击穿理论 第四节 组合绝缘的电气强度 介质的组合原则 组合绝缘中电场 绝缘的老化 2.1 电介质的极化、电导和损耗 关于介质极化、电导、损耗 电场强度远小于击穿场强时，各类介质均有极化、 电导和损耗现象。 气体介质很微弱，可忽略。 可只考虑液体和固体。 电介质极化的概念和
2、分类 电介质极化的概念： 在电场力作用下，介质原子正负电荷中心沿电场方向产 生有限位移的现象。 电介质极化的分类： 电子式极化 离子式极化 偶极子式极化 夹层介质界面极化 空间电荷极化 电子式极化 原子由带正电荷的原子核和带负电荷 的电子云组成 不存在外电场时，电子云的中心与原 子核重合，感应电矩为零 电子式位移极化的过程 外加电场时，电场力将使原子核向电场方 向位移，电子云向电场反方向位移 当电场力与原子核对电子云的引力平衡时 ，达到稳定 外电场消失时，恢复正常 所有电介质内均存在电子位移极化 电子式极化是弹性的，不损耗能量 完成时间极短，10-1410-15S，和可见 光周期接近 离子式极
3、化 针对由离子组成的介质。 没有外电场时，各正负离子对构成 的偶极矩彼此抵消，合成电矩为零 外电场的作用首先促使离子内部产 生电子位移极化 离子式极化过程 外电场作用下，正离子朝电场方向位 移、负离子反向位移 电场力和离子引力平衡时稳定 形成一定的合成电矩 有极微量的能量损耗 完成时间短，10-1210-13S，和红 外光周期接近 极化率随温度升高而增加 升温后，离子间距增大，作用力减弱 偶极子式极化 针对于极性电介质 没有外加电场时，分子中的正、负电荷中心也不重合 对于单个分子而言，具有偶极矩 大量分子不规则热运动，宏观上不呈现合成电矩 偶极子式极化过程 外电场作用下，每个分子的固有偶极矩就
4、转向电场方 向，顺电场方向作定向排列，呈现宏观电矩。 受分子热运动的干扰，定向排列只能达到某种程度 定向排列的程度，随场强和温度变化。 外电场越强，定向排列越充分，极化越强。 外电场消失，分子热运动使排列重回无序状态 完成时间较长，10-610-2S。 频率提高时，转向跟不上电场变化，极化率减小 有能量损耗 空间电荷极化 电子式、离子式、偶极子式极化的机理：都是由带 电质点的弹性位移或转向形成 空间电荷极化的机理：由带电质点（电子或正负离 子）的位移形成的。 空间电荷极化的过程： 多数绝缘结构中，电介质往往呈层式结构 电场作用下，带电质点位移时，可能被晶格缺陷捕获， 或在两层介质界面上堆积 形
5、成电荷在介质空间的新分布，从而产生电矩。 夹层介质界面极化 一种典型的空间电荷极化 电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大 电荷的堆积是通过介质电导完成的 完成时间很长，几十秒几分钟。 只有在低频下才有意义 有能量损耗 介电常数（1） 真空中的介电常数 E为场强矢量，V/m D为电位移矢量，即电通量密度矢量，C/m2 介质中的介电常数： 极化电矩产生的反向场强，减弱了合成场强E。 若要保持合成场强E不变，则D值要增加到原来的 倍 为相对介电常数： 特性：与温度、电源频率有关，具体关系取决于极 化形式 介电常数（2） U U r的物理意义：电极间加入电介质后，电极化引起的电容量 比真空时的电容量加
6、大的倍数。可用来表征介质极化的强弱。 综合反映电介质极性特性的一个物理量 极化 类类型 产产生场场合 极化时时 间间/S 极化原因能耗 介电电常数和 频频率关系 介电电常数和 温度关系 电电子式 任何 电电介质质 10-15 束缚电缚电 荷 的位移 无无不大 离子式 离子式结结 构电电介质质 10-13 离子的 相对对偏移 几乎 无 无 有 正温度系数 偶极子 式 极性 电电介质质 10-10 10-2 偶极子的 定向排列 有 有 倒U型 很大 气体：负负温度系数 液体固体：倒U型 夹层夹层 介 质质界面 多层层介质质 交界面 10-1 数小时时 自由电电荷 的移动动 有 有 频频率高时时，
7、无极化 空间间 电电荷 电电极附近 各种极化类型的比较 常用介质的介电常数 温度变化对r的影响，主要是通过介质体积变化体现的 r和频率无关的相对性：电源周期极化时间 多层介质动态电位分布：先按介电常数分布，再过渡到按电导分布 因此，必须说明r对应的极化条件：电源频率、温度 常用电介质的介电常数值，见P39表2-2 环境条件：20oC，工频电压 气体r很小，接近于1 液体和固体介质的r大多在26之间 介电常数在工程上的意义 几种绝缘材料组合使用时，应注意配合，使电场分 布较为合理 对于直流或低频交流电压，最初的电场强度分布与介电 常数成反比 应注意：电场分布还与电导有关 有些绝缘结构设计中希望小
8、 如电缆，可减小分布电容电流 有些绝缘结构设计中希望大 如电容器，可减小体积和重量 预防性实验中，利用材料的极化性质有助于判断电 气设备的绝缘状态。 电介质的电导 电介质电导的分类：离子电导和电子电导 离子电导：电介质在电场或外界因素影响下（紫外线辐 射）本身产生电离，正负离子沿电场方向移动，形成电 导电流即离子电导。 电子电导：在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电 离激发出来自由电子，电子在电场作用下移动形成电子 电导电流即电子电导。 当电子电导电流出现时电介质已被击穿。 原因？ 电介质的电导一般指离子电导。 液体介质的电导（1） 按电离程度，可分为中 性、弱极性、强极性。 中性和弱极性介
9、质，分 子电离度小，电导率小 工程上常用的有：变压器 油、漆、树脂等 纯净状况下，电导率很小 工程用液体中难免有杂质 ，则电导率增加。 强极性介质，则分子电 离度大，电导率大 水、醇类（乙醇）等，一 般不能用作绝缘材料 常用液体介质的电导率 液体介质的电导（2） 液体介质电导率 与温度T的关系为： A 为与介质有关的常数； 为导电率的活性化能量 对矿物油、硅油等0.41eV K 为玻尔兹曼常数 温度越高，电导率越大 推论：测量电介质电导或绝缘电阻时，必须记录环 境温度，以便分析、比较 固体介质的电导 固体电导率与温度的关系和液体相同 固体电导电流密度J与电场强度E的关系 图中I，II区为离子电
10、导区。 I区中成线性，II区中成指数关系 很大程度上取决于介质中所含杂质离子 对中性和弱极性介质，杂质离子起主要作用 III区为电子电导，J-E指数关系： I II III E J 机理：E更高，碰撞电离、阴极发射产生大量自由电子 固体介质的表面电导：取决于表面吸附电杂质（水、污染 物等）的能力和分布状态 对应概念：体积电导 有时，表面电导远大于体积电导：表面的杂质膜电导很大 推论：测量泄漏电流和绝缘电阻时，须排除表面电导影响 介质电导在工程上的意义 多层介质中，需注意其绝缘配合，使电场分布合理 电压的稳态分布与电导成反比 暂态过程与介电常数有关 对于能量小的电源，要减少表面电导（表面泄漏）
11、保证高电压， 如静电发生器 有些情况下需要增大电导，改善电场、消除电晕 如高压套管法兰附近涂半导体釉， 预防性试验中，测试介质的绝缘电阻（电导）、泄 漏电流，以判断绝缘是否受潮或劣化 电介质的损耗 电介质的损耗包括：电导损耗、极化损耗。 电导损耗：直流电压、交流电压均存在 极化损耗：由有损极化引起， 如极性介质中周期性的偶极子极化、夹层极化 仅交流电压存在。 施加直流电压：仅有电导损耗 可用体积电导率和表面电导率描述 施加交流电压：电导损耗和极化损耗同时存在。 电介质损耗的测量 测量电路和交流电流的相量图 介质损耗公式： 介质损耗P不适合作为评价介质品 质好坏的标准。 P和电压U、频率，以及试
12、品电容量（ 除试品品质，还取决于结构）有关 而介质损耗角的正切 ，适合 仅取决于材料的损耗特性，与电压U、 频率，以及试品电容量等外因无关 介质损耗的等值电路（1） 三个并联支路等值电路 C1代表无损极化 C2-R2代表有损极化 R3代表电导损耗 适用三个因素均有作用，或损耗主要由电导引起的场合 交流电压时电压和电流相量如图施 介质损耗的等值电路（2） 三个并联支路等值电路（续） 加直流电压时， C1中的电容电流迅速衰减为0； C2-R2中的吸收电流衰减较慢； R3中的传导电流恒流。 介质损耗的串联支路等值电路 适用于损耗主要由极化和连接导线 引起的场合 气体介质的损耗 电场较小、未发生碰撞电
13、离时，仅存 在很小的电导损耗 常用气体作为标准电容器的介质 空气，N2，CO2，SF6等 电场超过放电起始电场后，发生局部 放电，损耗急剧增加 一般发生在固体、液体介质中有气泡的 场合 固体、液体介电常数大于气体，气体电 场高导致局部放电 电晕放电位于棒极附近，气泡局放可能 远离电极 E0 O E 液体介质的损耗 中性、弱极性液体介质： 主要是电导损耗 损耗较小 损耗和温度关系和电导相似 损耗和频率无关 强极性液体介质：电导损 耗+极化损耗 损耗较大 和温度、电源频率关系复杂 （非线性、非单调） 电导损耗随温度升高而增加 极化损耗随温度升高先增加 再减小 固体介质的损耗 （1） 固体介质的分类
14、：有机绝缘材料（极性、非极性）、无机 绝缘材料 极性有机固体介质： tg与温度、频率的关系和极性液体 介质相似。 如：聚氯乙烯、纤维素等，从0.1%1.0%或更大 非极性有机固体介质：损耗主要为电导损耗。 如聚乙烯（ 0.01%0.02% ）、聚苯乙烯 无极性杂质时，极化只有电子式，无损耗 tg与温度关系由电导决定，和频率无关 无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃，均为离子式结构 云母不含杂质时，没有明显极化过程，主要为电导损耗，在高温下 也很低 电工陶瓷：电导损耗+极化损耗，常温下电导率很小 玻璃：电导损耗+极化损耗， tg 和成分有关 固体介质的损耗 （2） 常用液体和固体电介质的 值 2.2
15、液体介质的击穿 矿物绝缘油-最常用的液体介质 最常用的液体介质：矿物绝缘油 作用： 变压器油 矿物绝缘油 电缆油 电容器油 冷却媒质（变压器中） 绝缘媒质+ 灭弧（油断路器中） 贮能（电容器中） 液体介质击穿的概念 (1) 液体击穿的因素： 外部因素：电压类型、持续时间、幅值，电极形状、材料、表面特性 内部因素：油中的水、气、其它杂质的含量 油的击穿，实质上是杂质的击穿。 缺乏统一的击穿机理。可按某因素占主导或诱导地位进行分类分析 被掩盖的气体放电 液体分子间存在“空穴” 油中易挥发的成分（自身蒸气）+溶于油中外来气体+碰撞分解物空穴（ 气穴） 油分解和碰撞电离离子浓度上升离子电导电流上升发热形成 气泡 气泡电场强度大气泡电离电导率电场分布畸变 气泡电子崩崩头场强大电、热作用下使油隙击穿 本质：油中气泡诱发，液体自身很难直接电离击穿 液体介质击穿的概念 (2) 纤维桥接击穿 绝缘液体事先经过过滤、干燥和脱气处理 运行中，设备分离出固体杂质（纤维或其它不溶物）， 或水分进入 纤维受潮，介电常数，发生极化，游动到E较高区域 纤维相互连接达成导电桥 纤维桥导电率高发热较大附近的潮气或液体蒸发 气泡 气泡击穿
