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1、 液体和固体电介质的绝缘特性 第二章1概述固体、液体介质固体、液体介质的绝缘强度比气体大许多；作电气设备的内绝缘可以缩小结构尺寸；截流导体的支撑需要绝缘介质；液体介质可兼作冷却与灭弧介质等。液体与固体电介质与气体的击穿有很大不同； 将讨论电介质极化、电导、损耗和老化等物理 过程2第一节 电介质的极化实验：两个完全相同的实验，一个处于真空状态，另一个处于固体介质中，从实验结果来分析它们发生的过程。3Qo=CoU一. 极化的概念与介质的相对介电系数式中真空的介电系数； 金属极板的面积； 极间距离； 极板间为真空时的电容量；Q=CU第一节 电介质的极化41 电介质的极化各种气体的相对介电常数接近于1
2、，液体、固体的相对介电常数为2 10。C0C+-+-+相对介电常数为了保持电场强度不变5发音一. 极化的概念与介质的相对介电系数第一节 电介质的极化6相对介电系数r表征电介质在电场作用下的极化程度。它的值由电 介质的材料所决定。气体分子间的间距很大，额度很小，因此各种气 体的相对介电系数均接近于1。常用的液体、固体介质的相对介电系数大多在26 之间。一. 极化的概念与介质的相对介电系数第一节 电介质的极化7电子式极化离子式极化偶极式极化空间电荷极化夹层式极化二. 极化基本形式第一节 电介质的极化8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。第一节 电介质的极化电子式极化9+-+-E=0
3、E电子式极化特点： 一是极化所需要的时间极短，约1015S； 即它在各种频 率的交变电场中均能产生；二是这种极化具有弹性，在去掉外电场后，依靠正负电荷 的吸引力，作用中心会立即重合而呈中性。这种极化没有能量 消耗。 三是温度对极化的影响极小。电子式极化10离子式极化+ - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + -E=0+ - + -+ -+ - + - + -+ -+ - + - + -+ -+ - + - + -+ -+ - + - + -+ -+ -E特点： 一是极化所需要的时间极
4、短，约1013S； 即它在各 种频率的交变电场中均能产生；二是这种极化具有弹性。极化没有能量消耗。 三是温度对极化有影响，一般是随温度而增大。离子式极化11离子式极化12E=0+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E偶极式极化偶极子式极化13偶极子式极化其特点a. 极化所需时间较长,因而与频率有关b. 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, 极化均减弱14夹层式极化：由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质，叫做夹层电介质。由于各层的介电系数和电导系数不同，在电场作用下， 各层中的电位，最初按介电系数分布 (即按电容分布)，以后逐渐过渡到
5、按电导系数分布(即按电阻分布)。此时，在各层电介质交界面上的电荷必然移动，以适应电位的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累，称为夹层介质界面板化。特点：其极化的过程特别缓慢，一般在10-1S以 上，甚至数小时，同时伴有介质损耗。详见书上例题 P36页。(4). 夹层式极化15夹层式极化16空间电荷极化： 介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，便在电吸附近形成空间电荷称为空间电荷极化。其极化的过程特别缓慢，所以假使加上交变电场，在低频时有这种现象存在，而在高频时因空间电荷来不及移动，就没有这种极化的现象。 空间电荷极化17第二节.电介质的电导1. 定义介质在电场作用
6、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，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，或 它的倒数电阻率o18电介质中的电流和电导K1合上, i=ic+ia+igic：位移极化电流 ia：吸收电流 ig：泄漏电流断K1合K2 有与吸收 电流具有相同曲线的 电流反向流过。A K1K2it 019(1). 电容电流ic在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极 化过程所引起的电流，无损耗，存在时间极短。20(2). 吸收电流ia有损极化所对应的电流，即夹层极化和偶极 子极化时的电流，它随时间而衰减。21(3)泄漏电流绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电
7、 流,它不随时间而变化.222. 介质中的电流23流过介质的电流i由三个分量组成：243.吸收现象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,最终稳定于某一数值, 称为“吸收现象”。 吸收的解释为，由于电流由大变小，好象电流 被介质吸收了一样，称为“吸收”现象。实验的判断：介质干燥和嘲湿,吸收现象不一样，据 此可判断绝缘性能的好坏.251, 1, d12, 2, d2R1 U1 C1R2 U2 C23.吸收现象26R CrC3.吸收现象272 介质的电阻R=U/I是随时间而变化的。通常以到达稳定的泄 漏电流的电阻作为介质的绝缘电阻。1 电导率电阻率3 固体介质中的泄漏电
8、流本身体积的泄漏电流 沿介质表面的泄漏电流绝缘材料 1081020 半导体 10-4 107 导体 10-8 10-4.m3.吸收现象284 介质的电导与温度的关系电介质中导电的载流子：离子 导体中导电的载流子：电子53.吸收现象29第三节.电介质的损耗1. 损耗的形式(1).电导损耗由泄漏电流引起的损耗.交直流下都存在。(2).极化损耗由偶极子与夹层极化引起,交流电压下极明显。(3).游离损耗指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部 气泡中局部放电所造成的损耗。30电介质的功率损耗简称介质损耗 R CrC电介质的能量损耗电导 极化 游离介质损耗UI介质损耗的基本概念31RP CPUI2.用介质
9、损耗角的正切tg来表示介损(并联电路)32RSCSUI2.用介质损耗角的正切tg来表示介损(串联电路)33tg 是衡量材料本身在电场损耗能量并转变为热能的一 个宏观的物理参数称之为介质损耗角正切。 中性及弱极性介质： tg 较小 极性介质： tg 较大2.用介质损耗角的正切tg来表示介损34由于:(1).P值与试验电压U的高低等因素有关;(2).tg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。(3)tg可以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tg来表示， 而不是用有功损耗P来表示.2.用介质损耗角的正切tg来表示介损353.影响tg的因素（1）温度的影响
10、36（2）频率的影响37（3）电压的影响在电场强度不很高时，tg不变；在电场强度较高时， tg随电场强度升高而迅速增 大。38液体介质击穿机制电击穿 热击穿（气泡或其他悬浮杂质导致） 电化学击穿绝缘媒质 冷却媒质(如在变压器中)灭弧媒质(如在断路器中) 液体介质的三大作用第四节.液体电介质的击穿特性39电击穿理论认为，在电场作用下，阴极上由于强电场发射或热发射 出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致击穿。与气体中自 持放电的形成相类似。纯净的液体中的击穿过程可以用电击穿理论 解释。由于液体密度远较气体的大，电子自由行程很小，所以纯净 液体介质的击穿强度大大超过气体的击穿强度。气泡击穿理论认
11、为，当油中存在或电极上附着有气泡时，在交流电 压下，由于气泡中的场强与油中的场强按各自的介电常数成反比分 配，从而汽泡中承受着较大的场强。但汽体的击穿场强又比油的低 得多，所以总是气体先发生电离。这又使气泡温度升高，体积膨胀 ，电离将进一步发展。而带电粒子撞击油分子，使油又分解出气体 ，扩大气体通道。电离的气泡在电场作用下容易排列成连通两极的 “小桥”，这时击穿就可能在此通道中发生。四.液体电介质的击穿特性40四.液体电介质的击穿特性1.“小桥”理论(即 :“气泡”击穿理论)变压器油的击穿主要原因,在于杂质的影响，而 杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成 ，它们在电场的作用下，在电极间
12、逐渐排列成为小 桥，从而导致击穿。412. 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（含水量、纤维量、 气量）通过标准油杯中变 压器油的工频击穿 电压来衡量油的品 质42（2）温度43（3）电压作用时间加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击穿电 压很高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44（4）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 也愈大，击穿电压也愈高455.提高液体电介质击穿电压的措施（1）过滤 （2）防潮 （3）脱气 （4）覆盖层 （5）绝缘层 （6）屏障46第五节.固体电介质的击穿1.击穿形式(1).电击穿(2)
13、.热击穿(3).电化学击穿47热击穿的机制热击穿是由电介质内部的热不稳定所造成的。 在介质内部耗散的热量使介质温度升高， 从而增大 介质的电导和tg，这反过来又使温度进一步升高。 若到达某一温度后发热等于 散热温度即终止上 升。介质处于热稳定状态，不会导致绝缘强度的破坏 。然而这一稳定状态不是在任何电压下都可能建立的 。 当达到某一临界电压时，在所有温度下，发热 量总是大于散热量。这时介质的温度将持续上升(电 流增大)，直到产生热破坏(烧成导电通道)， 并永远 丧失其绝缘性能，这就是热击穿。 48热击穿的机制在交流电压作用下介质的功率损耗 P 随温 度的升高而增大；单位时间产生的热量与介质损耗
14、 P 成正比 ；单位时间内散出的热量（热量只能从电极 两边散出）491)当电压为较低值U1时，Q1与 Q2相交于A点，对应的温度为 tA。一旦温度上升 t tA，则 Q2 Q1，温度将下降到tA。一 旦温度 t Q2，温 度将回升到 tA2)当电压为U2，Q1与Q2相交于 K点，只有在 t=tk时, Q1=Q2; 当 t tk, Q1Q2, 温度上升直 到热击穿。3)当电压大于U2， 在任何温度 Q1 Q2Qt tA tKQ1(U3)Q1(U2)Q1(U1)Q2热击穿的机制50电击穿的机制关于电击穿的机理有各种理论和假设，归纳起来 为，在强电场下，电介质内部带电粒子剧烈运动，发 生碰撞电离，破
15、坏了固体介质的晶体结构，使电导增 大而导致击穿。51电击穿的主要特征1.与环境温度无关；2.介质发热不显著；3.电场的均匀程度对击 穿电压有显著影响； 电击穿场强 106 107 V/cm1.热击穿电压随环境温度的升高成指数 率下降； 2. 热击穿电压直接与试样的散热条件 有关； 3.当电压频率增大时，热击穿电压将下 降； 4.热积累需要时间。当电压上升快，或 加热时间短，热击穿电压将增高； 热击穿场强 104105 V/cm热击穿的主要特征两种击穿的特征比较522.影响因素(1).电压作用时间(2).电场均匀程度与介质厚度(3).电压种类(4).电压作用的累积效应(5).受潮533.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,可以通过 精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍等方法。(2).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，加强散热冷却54变压器排风散热55绝缘的老化：固体和液体介质在长期运行过程中会发 生一些物理和化学变化，导致其机械和电气性能的劣 化。绝缘老化的原因1)
