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1、第一篇 高电压绝缘及试验唐小波 2010.9电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是电介质。电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷 极少，因此导电性能差。电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：气体介质液体介质固体介质在电气设备中：外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子 ）联合构成内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两类：弱电场电场强度比击穿场强小得多极化、电导、介质损耗等强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿 场强放电、闪络、击穿等高电压绝缘及试验电介质的基本电气特性气体放电的基本理论
2、气体电介质的击穿特性固体电介质和液体电介质的击穿特性电气设备绝缘特性的测试电气设备绝缘的耐压试验及高电压测量第一章 电介质的基本电气特性电介质的极化电介质的电导电介质的损耗电介质的击穿一、介质的极化构成电介质分子的分类（1）中性分子（原子）：分子（或原子）中正负电 荷的作用重心是重合的，对外不显电性。（如固体无机 化合物云母、陶瓷、玻璃等）（2）极性分子：分子中正、负电荷的作用重心不重 合，而保持一定的距离，单个分子对外显电性，由于热 运动的原因，各分子的排列杂乱无章，不同分子对外电 性相互抵消，故对外不显电性。（偶极分子）（如变压 器油、松香、橡胶、胶木、 聚氯乙烯、纤维素等）一、介质的极化
3、u电子位移极化u离子位移极化u转向极化u空间电荷极化电子位移极化弹性的，不引起能量损耗；完成时间极短，约10-1410-15s；单元粒子的电子位移极化与温度无关离子位移极化完成时间约10-1210-13s；极微量的能量损耗；离子位移极化率随温度的 升高略有增加+-+-+-+-E=0E 离子式极化转向极化n固有偶极矩：极性电介质中，即使没 有外加电场，由于分子中正、负电荷 的作用中心不重合，就单个分子而言 ，就已具有偶极矩。n由于分子不规则热运动，分子偶极矩 的排列无序，不能体现合成电矩。n转向极化：电场作用下，定向排列。伴有能量损耗；需要较长时间，约10-610-2s，甚至更长；外电场越强，极
4、性分子的转向定向就越充分，转向极化就越强+-+-+-+-+ - - +-+-+-+-+ - +-+-+-+-+-+-+-+-E=0E空间电荷极化极化机理电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化转向极化转向极化空间电荷极化空间电荷极化带电质点的弹性位移或转向带电质点的弹性位移或转向带电质点的移动带电质点的移动空间电荷极化设C1=1,C2=2,G1=2,G2=1,U=3注意：夹层界面上电荷的 堆积是通过介质电导G来完 成的。由于高压绝缘介质的电导 通常都很小，所以极化过 程缓慢，几十分之一秒 几分钟。伴有能量损耗。这种极化只有在 低频时才有意义空间电荷极化注意1当两层不同电介质串联构成的复
5、合绝缘时，刚开始加压时，各层介质的极化程度不一样，各层电介质中极化产生的 电荷量也不一样，于是分界面显示出电的极性来，称为夹层 极化。极化结束后，电荷要重新分配，就在两层介质的交界 面形成一定的吸收电流。这种过程非常缓慢，那么在去掉电 压后介质内部的吸收电荷要释放出来也非常缓慢。因此对于 使用过的大电容设备，应将两极短接，彻底放电，以免过一 定时间后吸收电荷陆续释放出来危及人生安全。注意2（1）是束缚电荷而不是自由电子。 （2）是有限位移而不是电荷流通，不产生电流 。（3）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用 对外显现电场力 。二、 电介质的介电常数介电常数的物理意义气体介质的相对介电常数
6、液体介质的相对介电常数固体介质的相对介电常数介电常数的物理意义真空-+- - - -+ + + + + + +- - - -+- - - -+ + + +-插入电介质后介电常数的物理意义相对介电常数以该物质为介质的电容器的电容与以真空中为介质的同样 大小电容器电容量的比值，称为相对介电常数，简称介电 系数。它表征电介质在电场的作用下极化程度的物理量。相对介电常数的物理意义：相对真空时感应电荷（电容 量）变化的倍数。介电常数在工程应用中的意义（1） 越大，电介质极化作用越强，其绝缘性能越差。故要 合理选用。例如电容器：要求 大些，这样电容器单位容量的体积和质量就会减小。电力电缆：要求 小些，则工
7、作时的充电 电流和极化损耗就会降低。（2）几种串联电介质组合在一起使用时，有如下公式介电常数在工程应用中的意义即串联电介质的场强分布与 成反比。 越小其介质中的场强越大， 越大其介质中的场强 越小。故在串联介质中要合理考虑电场的分布，尽量使电 场分布均匀。（3）通过测量 可以判断电介质是否受潮或所含气体的多少。当电介质受潮及老化分解气体时， 会明显增大。气体介质的相对介电常数气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的 增大而增大，但影响程度都很小。气体物质分子气体物质分子 距离相对很大，距离相对很大， 即气体密度很小即气体密度很小气体极化率很小气体极化率很小一切气体的一切气体的 相对介电
8、常数相对介电常数 都接近于都接近于1 1液体介质的相对介电常数1.中性液体介质相对介电常数一般在1.82.8之间。相对介电常数与温度的关系与介质分子密度与温 度的关系接近一致。举例：石油、苯、四氯化碳、硅油液体介质的相对介电常数2.极性液体介质(1)介电常数与温度的关系低温时，分子间的黏附力 强，转向较难，转向极化 对 的贡献较小；温度升高，分子间的黏附 力减弱，转向极化对 的贡献较大， 随之增 大；温度进一步升高，分子热 运动加强，对极性分子定 向排列的干扰也随之增强 ，阻碍转向极化的完成， 反而减小。液体介质的相对介电常数(2)介电常数与电场频率的关系 电场频率对极性液体介电常数的影响很大
9、频率相当低时，偶极分子来 得及跟随电场交变转向，介 电常数较大，接近于直流电 压下的 ；频率超过f0时，极性分子转 向跟不上电场的变化，介电 常数开始减小；随着频率的增高，介电常数 最终接近于仅有电子位移极 化所引起的介电常数值 。固体介质的相对介电常数2.极性固体介质由于分子具有极性，相对介电常数都较大，一般为3-6。极性固体介质的相对介电常数与温度和频率的关系类似极 性液体所呈现的规律。举例：树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃等固体介质的相对介电常数1.中性或弱极性固体介质只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较 小。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度 的关系很接近。举例：石蜡、硫
10、磺、聚乙烯云母、石棉、无机玻璃等三、电介质的电导 电介质中的电流介质加直流电压后测得电流为 Ia 夹层极化的吸收电流 Ig 泄漏电流 Ic 位移极化电流 吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用。 三、电介质的电导电介质的电导与金属的电导的本质区别电介质电导是离子式，即电解式电导气体介质：电离出来的自由电子、正离子和负离 子在电场作用下移动而造成的；液体和固体：介质的基本物质（包括杂质）分子 发生化学分解或热离解的带电质点沿电场方向移 动造成的。电介质的电导与金属的电导的本质区别（2）数量级不同：电介质的电导率小，泄漏电流小；金属电导的电流很大。 （3）电导电流的受影响因素不同：电介质中由离子
11、数 目决定，对所含杂质、温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。 三、电介质的电导气体介质的电导液体介质的电导固体介质的电导气体介质的电导l无电场时，离子的产生与复合达到平衡；l存在电场时，离子在电场力作用下，克服与气体 介质分子碰撞的阻力而移动，得到速度vl离子的迁移率b=v/EE电场强度气体介质的电导 电场强度很小时，b接近于 常数，即电流密度与电场强 度几乎成正比 电场强度增大，外界因素造 成的离子全部趋向于电极时 ，电流密度饱和，但其值仍 很小 场强超过E2时，气体介质中 将发生撞击电离，从而使电 流密度迅速增大液体介质的电导n中性液体介质的电导主要由离解性的杂质
12、和悬浮 于液体介质中的荷电粒子所引起的n极性液体介质的电导不仅由杂质引起，而且与本 身分子的离解度有关。极性液体介质的介电常数 越大，则其电导也越大。液体介质的电导1.温度 u温度升高，液体介质的黏度降低，离子移动所受阻力 减小，离子迁移率增大，电导增大 u温度升高，液体介质分子的离解度增大，电导增大液体介质的电导率与温度的关系可以近似地以下式表示液体介质的电导率与温度的关系可以近似地以下式表示式中式中 A A、BB常数常数TT绝对温度绝对温度电导率电导率液体介质的电导当温度变化不大时，液体介质的 电导与温度的关系也可以写成式中 常数液体介质的温度， 时的电导率液体介质的电导2.电场强度在极纯
13、净的液体介质中，电导与电 场强度的关系与气体介质相近一般工业用纯净液体介质l饱和电流这一段通常是观察不到的l电场强度小于某定值时，电导接近 一常数；l电场强度超过某定值时，电场将使 离解出来的离子数量迅速增加，电导 也就迅速增加，电流密度随场强呈指 数规律增长固体介质的电导l中性分子的固体介质的电导主要是由杂质离子引 起的l离子式结构的固体介质的电导主要是由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的，杂质在离子 式结构的固体介质中也是造成电导的原因之一固体介质的电导1.温度与液体介质相似 2.电场强度与液体介质相似，可以近似地以下式表示式中式中 电导率与电场强度尚无关范围内的电导率电导率与电场强度
14、尚无关范围内的电导率电导率与电场强度尚无关范围时的最大电场强度电导率与电场强度尚无关范围时的最大电场强度b b 常数，由材料特性所决定常数，由材料特性所决定固体介质的电导3.杂质 表面电导：由于介质表面吸附一些水分、尘埃或导 电性的化学沉淀物而形成的，其中水分起着特别重 要的作用。因此，亲水性介质的表面电导要比憎水性介质的表 面电导大得多。一般，中性介质的表面电导最小，极性介质次之， 离子性介质最大。相当于固体介质中相当于固体介质中 加入了强极性的杂加入了强极性的杂 质质电介质电导在工程上的意义1、电介质电导的倒数即为介质的绝缘电阻。通过测量绝 缘电阻可以判断绝缘是否受潮或有其它劣化现象。2、
15、多层介质串联时在直流电压下各层的稳态电压分布与 各层的电导成反比，故对直流设备应注意电导率的合理配合。3、电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导产 生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升高，有时必须 降低设备的工作电流。在一定的条件下，电导损耗还可能导致 介质发生热击穿。四、 电介质中的能量损耗介质损耗的基本概念气体介质中的损耗液体和固体介质中的损耗介质损耗的基本概念u电场的交变速度远低于极化建立速度时，介电常 数可视为一实数，接近于静态介电常数。u电场的交变速度与极化建立速度相近时，极化就跟不上电场的变化，电通量密度 就滞后于电 场强度 一个相位角 。介质损耗的基本概念介电常数将是
16、一个复数介质中的电流密度（不计漏导）电容性电流密度，超前场强电容性电流密度，超前场强9090有功电流密度，与有功电流密度，与 场强同相位，形成场强同相位，形成 有功损耗有功损耗实际上，还存在漏导，在 电场作用下，形成与交变 电场同相位的漏导电流密 度 ，它是纯有功损耗 电流密度。介质损耗的基本概念有损极化所引起的电流密度有损极化所引起的电流密度真空和无损极化引起的电流密度， 纯容性漏感引起的电 流密度，纯阻性通常用 来表 征介质中损耗的大小直流电压下的介质损耗ic：无损极化造成的电流（电子式极化+离子式极化）衰减时 间短。ia：有损极化所造成的电流（偶极式极化+夹层式极化）衰减 时间较长。ig：电导电流。（恒定电流即泄露电流）iiiaicig吸收现
