第三章液體和固體介質的電氣特性液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣，常用的液體和固體介質為：液體介質：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠電介質的電氣特性表現在電場作用下的

導電性能介電性能（介電常數和介質損耗正切）

電氣強度第三章液體和固體介質的電氣特性液體和固體介質廣泛用作電氣1第一節液體和固體介質的極化、電導和損耗電介質的極化電介質的電導電介質的損耗第一節液體和固體介質的極化、電導和損耗2一、電介質的極化電介質的極化是電介質在電場作用下，其束縛電荷相應于電場方向產生彈性位移現象和偶極子的取向現象。極化概念：電場中有電介質時，由于電場的作用電介質內部發生形變，結果導致電介質內部電荷分布的變化。這個過程稱作極化。一、電介質的極化3介電常數來表示極化強弱。對于平行平板電容器，極間為真空時：放置固體介質時,電容量將增大為：相對介電常數：ε0--真空的介電常數ε---介質的介電常數εr---介質的相對介電常數A---極板面積，cm2

d---極間距離，cm介電常數來表示極化強弱。對于平行平板電容器，極間為真空時：4電容量增大的原因在于電介質的極化現象。是由電介質極化引起的束縛電荷。εr是反映電介質極化特性的一個物理量。氣體εr接近于1，液體和固體大多在2～6之間。液體和固體介質的電氣特性課件5電介質的極化有五種基本形式：電子式極化離子式極化偶極子（轉向)極化夾層極化空間電荷極化

電介質的極化有五種基本形式：6（一）電子式極化在外電場的作用下介質原子中的電子運動軌跡將相對于原子核發生彈性位移，正負電荷作用中心不再重合而出現感應偶極矩極化機理：電子運動軌道偏離原子核介質類型：所有介質建立極化時間：極短，約10-15s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（無關）極化彈性：彈性；消耗能量：無 （一）電子式極化7

（二）離子式極化

固體無機化合物大多屬離子式結構，無外電場時，晶體的正、負離子對稱排列，各個離子對的偶極矩互相抵消，故平衡極矩為零。

在出現外電場后，正、負離子將發生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈現極化。

極化機理：正負離子的相對偏移介質類型：離子式結構電介質建立極化時間：極短，約10-13s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（隨溫度升高而增加）離子的結合力隨溫度升高而減小，使極化程度增強；離子的密度隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱極化彈性：彈性；消耗能量：無液體和固體介質的電氣特性課件8（三）偶極子極化（轉向極化）極性電介質：分子具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，由極性分子組成的電介質稱為極性電介質。極性分子不存在外電場時，極性分子的偶極子因熱運動而雜亂無序的排列著，如圖所示，宏觀電矩等于零，因而整個介質對外并不表現出極性。出現外電場后，原先排列雜亂的偶極子將沿電場方向轉動，作較有規則的排列，如圖所示，因而顯示出極性。這種極化稱為偶極子極化或轉向極化。

（三）偶極子極化（轉向極化）9極化機理：偶極子的定向排列介質類型：極性電介質建立極化時間：需時較長，10-10~10-2s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（有關） 溫度（溫度較高時降低，低溫段隨溫 度增加，即先增后降）極化彈性：非彈性；消耗能量：有極化機理：偶極子的定向排列10偶極子極化與電源頻率f的關系：

頻率太高時，偶極子將來不及轉動，因而其值變小，如圖所示。其中相當于直流電場下的相對介電常數。f>f1以后偶極子將越來越跟不上電場的交變，值不斷下降；當f＝f2時，偶極子已完全不跟著電場轉動了，這時只存在電子式極化，減小到。偶極子極化與電源頻率f的關系：11偶極子極化與溫度t的關系：

溫度升高時，分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質有負的溫度系數。對液體和固體介質，溫度很低時，分子間聯系緊密，偶極子轉動比較困難，所以很小。液體、固體介質的在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動變得較強烈時，分子熱運動阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，又開始隨著溫度的上升而減小。液體和固體介質的電氣特性課件12（四）夾層極化夾層介質界面極化概念：合閘瞬間兩層介質的電壓比由電容決定。穩態時分壓比由電導決定。在電壓重新分配的過程中，夾層界面上會積聚起一些電荷，使整個介質的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質界面極化。當t=0: 當t∞:（四）夾層極化13

如果則雙層介質的表面電荷不重新分配。但實際上很難滿足上述條件，電荷要重新分配，這樣在兩層介介質的交界面處會積累電荷，這種極化形式稱夾層介質界面極化。極化機理：自由電荷的移動。夾層極化所引起的電荷積聚過程中所形成的電流稱為吸收電流。這種極化形式存在于不均勻夾層介質中，伴隨有能量損失，夾層界面上電荷的堆積是通過介質電導G完成的，高壓絕緣介質的電導通常都很小，極化建立需時很長，一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時，這種性質的極化只有在直流和低頻時才有意義。

14各種極化類型的比較極化類型產生場合極化時間(s)極化原因能量損耗電子式任何電介質10-15束縛電荷的位移無離子式離子式結構電介質10-13離子的相對偏移幾乎無偶極子式極性電介質10-10～10-2偶極子的定向排列有夾層介質界面多層介質交界面10-1～數小時自由電荷的移動有空間電荷電極附近各種極化類型的比較極化類型產生場合極化時間(s)極化原因能量15二．電介質的電導電導率表征電介質導電性能的主要物理量，其倒數為電阻率。按載流子的不同，電介質的電導又可分為離子電導和電子電導兩種。

1、電子電導：一般很微弱，因為介質中自由電子數極少；如果電子電流較大，則介質已被擊穿。2、離子電導：本征離子電導：極性電介質有較大的本征離子電導，電阻率1010～1014

雜質離子電導：在中性和弱極性電介質中，主要是雜質離子電導，電阻率1017～1019空穴又稱電洞（Electronhole），在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位的現像。

二．電介質的電導163、電泳電導：在液體介質中載流子為帶電的分子團，通常是乳化狀態的膠體粒子（例如絕緣油中的懸浮膠粒）或細小水珠，他們吸附電荷后變成了帶電粒子。4、表面電導：對于固體介質，由于表面吸附水分和污穢存在表面電導，受外界因素的影響很大。所以，在測量體積電阻率時，應盡量排除表面電導的影響，應清除表面污穢、烘干水分、并在測量電極上采取一定的措施。固體、液體介質的電導率與溫度的關系可近似地用下式表示式中：A、B為與介質有關的常數，其中固體介質的常數B通常比液體介質的B值大的多。T為絕對溫度，單位為K。該式表明,隨溫度T按指數規律上升。絕對零度，也就是-273.15℃（攝氏度）。熱力學溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關系是T＝t＋273.15。3、電泳電導：在液體介質中載流子為帶電的分子團，通常是乳化狀17三、電介質中的損耗

（一）電介質的損耗的基本概念介質損耗：在電場作用下電介質中總有一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化（例如偶極子、夾層極化）引起的損耗，總稱介質損耗。直流下：電介質中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數值，介質中的損耗將僅由電導組成，所以可用體積電導率和表面電導率說明問題，不必再引入介質損耗這個概念了。

/22三、電介質中的損耗 （一）電介質的損耗的基本概念/2218交流時：流過電介質的電流包含有功分量和無功分量即

交流時：流過電介質的電流包含有功分量和無功分19此時介質的功率損耗：

介質損耗角δ為功率因數角的余角，其正切tgδ又可稱為介質損耗因數，常用百分數（％）來表示。通常采用tgδ作為綜合反映介質損耗特性的一個指標。（為什么不采用介質損耗P？）此時介質的功率損耗：20

介質損失角正切的概念：由于存在損耗，U和I之間的夾角不再是90o的關系，IC代表流過介質總的無功電流，IR代表流過介質的總有功電流，IR包括了漏導損失和極化損失。從直觀看，IR大則損失大，定義一個新的物理量，即介質損失角正切值tgδ來代表介質在交流電壓下的損耗

tgδ僅反映介質本身的性能，和介質的幾何尺寸無關介質的電壓電流向量圖/22 介質損失角正切的概念：由于存在損耗，U和I之間的夾角不再是21有損介質等值電路如圖所示，電介質中流過的是電容電流，吸收電流和傳導電流三個分量疊加在一起為總電流有損介質等值電路如圖所示，電介質中流過的是電容電流22在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間變化的曲線，稱為吸收曲線。電容電流在加壓瞬間數值很大，但迅速下降到零，是一極短暫的充電電流；吸收電流隨著電壓時間增長而逐漸減小，比充電電流的下降要慢得多，約經數十分鐘才衰減到零，具體時間長短取決于絕緣的種類、不均勻程度和結構；傳導電流是唯一長期存在的電流分量。（交流電壓？）在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間變化的曲線，稱為吸收23上述三支路等值電路可采用并聯等值電路或串聯等值電路來分析。并聯－－電導損耗串聯－－極化損耗1、并聯等值電路

上述三支路等值電路可采用并聯等值電路或串聯等值電路來分析。242、串聯等值電路

有損電介質可用一只理想的無損耗電容Cs和一個電阻r相串聯的等值電路來代替，如圖所示。2、串聯等值電路25由向量圖有：由于：所以：介質損耗角值一般很小，所以：由向量圖有：26并聯等值回路中：tg=IR/IC=1/CpRP=U2/R=CpU2tg

串聯等值回路中：tg=Ur/Uc=CsrP=I2r=/22介質損耗因數：并聯等效電路：阻性有功電流與容性無功電流的比值。串聯等效電路：阻性有功電壓與容性無功電壓的比值。并聯等值回路中：串聯等值回路中：/22介質損耗因數：271.氣體介質損耗氣體分子間的距離很大，相互間的作用力很弱，所以極化過程中不會引起損耗。如外加電場不足以引起電離，則氣體中只存在很小的電導損耗。氣體中的電場強度達到放電起始場強E0時，氣體中發生局部放電，這時損耗將急劇增大。/22(二)氣體、液體和固體介質的損耗1.氣體介質損耗/22(二)氣體、液體和固體介質的損耗282.液體介質損耗（1）中性和弱極性液體介質損耗主要由電導引起，其損耗率（單位體積電介質的功率損耗）為(W/cm3)

式中——電介質的電導率，S/cm——電場強度，V/cm由于與溫度有指數關系（3-6），故P0也以指數規律隨溫度的升高而增大。2.液體介質損耗29（2）極性液體介質除了電導損耗外，還存在極化損耗。在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小，隨著溫度的升高，液體的粘度減小，偶極子轉向極化增加，電導損耗也在增大，所以總的亦上升，并在t＝t1時達到極大值；在t1<t<t2的范圍內，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導損耗的增加，所以總的曲線隨t的升高而下降，并在t=t2時達到極小值（2）極性液體介質除了電導損耗外，還存在極化損耗。30在t>t2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而就隨時間t的上升而持續增大。

在t>t2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小31極性液體介質的和與電源角頻率的關系如右圖所示。當較小時，偶極子的轉向極化完全跟得上電場的交變，極化得以充分發展，此時的最大；但此時偶極子單位時間的轉向次數不多，因而極化損耗很小，也小，且主要由電導損耗引起。如減至很小，反而又稍有增大，這是因為電容電流減小的結果。

極性液體介質的和與電源角頻率32隨增大，轉向極化逐漸跟不上電場交變，開始下降，但由于轉向頻率增大仍會使極化損耗增加、增大。一旦大到偶極子完全來不及轉向時，值變得最小而趨于某一定值，也變得很小，因為這時只剩下電子式極化了。在這樣的變化過程中，一定有一個的極大值，其對應的角頻率為液體和固體介質的電氣特性課件333.固體介質損耗(1)無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由電導引起損耗，電導率小，介質損耗小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷（電瓷）：既有電導損耗，又有極化損耗；常溫下電導很小。20oC和50Hz時電瓷的＝2％～5％；玻璃：電導損耗＋極化損耗，損耗與玻璃成分有關。(2)有機絕緣材料可分為非極性和極性非極性有機電介質：只有電子式極化，損耗取決于電導；極性有機電介質：極化損耗使總損耗較大。3.固體介質損耗34討論損耗的意義(1)選擇絕緣。tg過大會引起絕緣介質嚴重發熱，甚至導致熱擊穿。例如用蓖麻油制造的電容器就因為tg大，而僅限于直流或脈沖電壓下使用，不能用于交流(2)預防性試驗中判斷絕緣狀況。如果絕緣受潮或劣化，tg將急劇上升，在預防試驗中可通過tg～U的關系曲線來判斷是否發生局部放電(3)當tg大的材料需加熱時，可對材料加交流電壓，利用材料本身介質損的發熱。該方法加熱非常均勻，如電瓷生產中對泥坯加熱即用這種方法/22討論損耗的意義/2235第二節液體介質的擊穿純凈液體介質的擊穿理論工程用變壓器油的擊穿過程及其特點變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法第二節液體介質的擊穿36一旦作用于固體和液體介質的電場強度增大到一定程度時，在介質中出現的電氣現象就不再限于前面介紹的極化、電導和介質損耗了。與氣體介質相似，液體和固體介質在強電場(高電壓)的作用下，也會出現由介質轉變為導體的擊穿過程。液體介質主要有天然的礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質，它們對液體介質的擊穿有很大的影響。一旦作用于固體和液體介質的電場強度增大到一定程度時，在介質中37 一、純凈液體電介質的電擊穿理論（一）電子碰撞電離理論

液體中因強場發射等原因產生的電子，在電場中被加速，與液體分子發生碰撞電離，形成電子崩。與此同時，由碰撞產生的正離子在陰極附近集結成空間電荷層，增強了陰極附近的電場，使陰極發射的電子數增多；當外加電壓增大到一定程度時，電子崩電流會急劇增大，從而導致液體介質的擊穿。液體的密度比氣體大得多，電子的平均自由行程很小，積累能量比較困難，必須大大提高電場強度才能開始碰撞電離，所以純凈液體介質的擊穿場強比氣體介質高得多（約高一個數量級）。/22 一、純凈液體電介質的電擊穿理論/2238純凈液體電介質的氣泡擊穿理論（二）氣泡擊穿理論

當外加電場較高時，液體介質內會由于各種原因產生氣泡，如： ①電子電流加熱液體，分解出氣體； ②電子碰撞液體分子，使之解離產出氣體； ③靜電斥力，電極表面吸附的氣泡表面積累電荷，當靜電斥力大于液體表面張力時，氣泡體積變大； ④電極凸起處的電暈引起液體氣化。 由于串聯介質中，場強的分布與介質的介電常數成反比，氣泡r=1，小于液體的r，因而氣泡承擔比液體更高的場強，偏偏氣體耐電強度又低，所以氣泡先行電離，一旦電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內發生

/22純凈液體電介質的氣泡擊穿理論/2239二、非純凈液體電介質的小橋擊穿理論(a)形成“小橋”(b)未形成“小橋”

受潮纖維在電極間定向示意圖 液體中的雜質在電場力的作用下，在電場方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質的“小橋，由于水和纖維的介電常數分別為81和6-7，比油的介電常數1.8-2.8大得多，從而這些雜質容易極化并在電場方向定向排列成小橋/22二、非純凈液體電介質的小橋擊穿理論(a)形成“小橋”40“小橋理論”工程上所用的液體介質中總難免會混入一些雜質，如變壓器油中常因受潮而含有水分，還有從固體絕緣材料中脫落的纖維或其他雜質，當油中含有水分和纖維時，由于水和纖維的介電常數很大，尤其是纖維吸潮后，很容易沿電場方向極化定向排列，排列成雜質小橋，并在電極間形成電導較大的通道，引起泄漏電流增大，溫度升高，促使油和水分汽化，氣泡擴大，最后擊穿。“小橋理論”41判斷變壓器油的質量，主要依靠測其電氣強度、和含水量等。在不均勻電場中，間隙中強電場出發生的局部放電使液體介質發生波動，雜質不易搭成小橋，液體的擊穿電壓受到雜質的影響減小，不能正確判斷油的品質，所以必須作成均勻電場。在標準試油杯中，液體（變壓器油）的擊穿電壓為20-60KV，其平均擊穿場強為20-60KV/0.25cm=80-240KV/cm。而均勻電場中空氣的擊穿場強30KV/cm，所以氣體的擊穿場強比液體的低很多。判斷變壓器油的質量，主要依靠測其電氣強度、和含水量42三、變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法(一)水分和其他雜質水在變壓器油中有兩種狀態：①溶解狀態:高度分散、且分布非常均勻；②懸浮狀態:呈水珠狀一滴一滴懸浮在油中。溶解狀態的水分只要不因含水量過大而使油的電導顯著增加，對油的擊穿電壓影響不大。懸浮狀態的小水滴能夠在電場作用下極化并在極間排成導電的“小橋”，使油的擊穿電壓顯著下降。三、變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法43從圖中可見，變壓器油的含水量僅達到十萬分之幾時，變壓器油的擊穿電壓就顯著降低。當含水量超過0.02%時，多余的水分常沉積在容器的底部，故對油的擊穿電壓進一步降低是有一定限度的。液體和固體介質的電氣特性課件44(二)油溫溫度對液體擊穿電壓的影響與水分的狀態密切相關。1、當溫度由00C開始逐漸上升時，水在油中的溶解度逐漸增大，原來懸浮狀態的水分逐漸轉化為溶解狀態，使油的擊穿電壓逐漸升高。2、當溫度超過800C時，溫度再升高，則水分開始汽化，油也開始汽化，產生氣泡，使擊穿電壓降低，從而在60-800C的范圍內出現最大值。3、在0-50C時，油中水分是懸浮狀態的，擊穿電壓最低。4、溫度再降低，水將結成冰粒，油也將逐漸凝固，使擊穿電壓提高。(二)油溫45(三)電場均勻度優質油：保持油不變，而改善電場均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質差的油：改善電場對于提高其工頻擊穿電壓的效果較差。在沖擊電壓下，由于雜質來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質好壞幾乎無關。(三)電場均勻度46(四)電壓作用時間

油隙的擊穿電壓會隨電壓作用時間的增加而下降，加電壓時間還會影響油的擊穿性質。從圖3—20的兩條曲線可以看出：在電壓作用時間短至幾個微秒時擊穿電壓很高，擊穿有時延特性，屬電擊穿；電壓作用時間為數十到數百微秒時，雜質的影響還不能顯示出來，仍為電擊穿，這時影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度；電壓作用時間更長時，雜質開始聚集，油隙的擊穿開始出現熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。(四)電壓作用時間47（五）油壓的影響不論電場均勻度如何，工業純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因為油中氣泡的電離電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故。

（五）油壓的影響48六、提高液體介質擊穿電壓的措施措施：1、提高液體品質（1）過濾。在油中先加入白土、硅膠等吸附劑后用濾油機濾紙阻隔油中的纖維等固態雜物，吸收部分水分等液體雜質；（2）干燥。絕緣及夾件、繞組等浸油前必須烘干，必要時采用真空干燥法去除水分，在油箱呼吸器的空氣入口處放干燥劑。2、限制小橋的形成（1）覆蓋。在電場中曲率半徑小的電極上覆蓋很薄的電纜紙（或黃蠟布或涂漆膜），組成油—紙絕緣組合。在均勻電場中覆蓋能夠使擊穿電壓提高70%—100%，在極不均勻電場中能夠提高10%—15%，所以充油設備中很少采用裸導體的。（2）絕緣層。（3）屏障。途徑：提高液體的品質，限制小橋的形成。六、提高液體介質擊穿電壓的措施措施：2、限制小橋的形成（1）49第三節固體介質的擊穿固體介質的擊穿理論電擊穿理論熱擊穿理論電化學擊穿影響固體介質擊穿電壓的主要因素電壓作用時間電場均勻程度溫度受潮累積效應第三節固體介質的擊穿50在電場作用下，固體介質可能因以下過程而被擊穿：電過程（電擊穿）熱過程（熱擊穿）電化學過程（電化學擊穿）

實際電氣設備中的固體擊穿過程是錯綜復雜的，常取決于下列多種因素：介質本身的特性絕緣結構型式電場均勻度外加電壓波形加壓時間工作環境

在電場作用下，固體介質可能因以下過程而被擊穿：51常用的有機絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時電氣強度很高，但在工作電壓的長期作用下，會產生電離、老化等過程，從而使其電氣強度大幅度下降。

所以，對這類絕緣材料或絕緣結構，不僅要注意其短時耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓下的耐電性能。常用的有機絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑52一、固體介質的擊穿理論(一)電擊穿理論1、固體介質的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現象。2、在介質的電導很小，又有良好的散熱條件以及介質內部不存在局部放電的情況下，固體介質的擊穿通常為電擊穿，擊穿場強可達105-106kV/m。3、電擊穿的主要特征：①與周圍環境溫度有關；②除時間很短的情況，與電壓作用時間關系不大；③介質發熱不顯著；④電場均勻程度對擊穿有顯著影響。一、固體介質的擊穿理論53(二)熱擊穿理論熱擊穿的概念：由于介質損耗的存在，固體電介質在電場中會逐漸發熱升溫，溫度的升高又會導致固體電介質電阻的下降，使電流進一步增大，損耗發熱也隨之增大。在電介質不斷發熱升溫的同時，也存在一個通過電極及其它介質向外不斷散熱的過程。如果同一時間內發熱超過散熱，則介質溫度會不斷上升，以致引起電介質分解炭化，最終擊穿，這一過程稱電介質的熱擊穿過程。(二)熱擊穿理論54

熱擊穿的理論分析

電壓：U1＞U2＞U3

曲線1,2,3：電介質發熱量Q與介質中最高溫度tm的關系

直線4：表示固體介質中最高溫度大于周圍環境溫度t0 時，散出的熱量Q與介質中最高溫度tm的關系不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 熱擊穿的理論分析不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系55

曲線1：發熱永遠大于散熱，介質溫度將不斷升 高，在電壓U1下最終必定發生熱擊穿不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 曲線1：發熱永遠大于散熱，介質溫度將不斷升 高，在電56

曲線3：

tta時：曲線在直線4之上，不發生熱擊穿，介質溫度逐漸升高并穩定在ta，稱ta為穩定熱平衡點

t>tb時：情況類似曲線1，最終發生熱擊穿

t=tb時：發熱等于散熱，但因擾動使t大于tb，則介質溫度上升，回不到tb，直至熱擊穿。稱tb為不穩定熱平衡點

ta<t<tb：不會發生熱擊穿，介質溫度將穩定在ta不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 曲線3：不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系57

曲線2：

與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓；tK為臨界熱擊穿溫度不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 曲線2：不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系58

(三)電化學擊穿

固體介質在長期工作電壓作用下，由于介質內部發生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強度逐步下降并引起擊穿的現象稱為電化學擊穿。局部放電是介質內部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質的放電。局部放電使介質劣化、損傷、電氣強度下降的主要原因為：1)產生活性氣體對介質氧化、腐蝕；2)溫升使局部介質損耗增加；3)切斷分子結構，導致介質破壞。 (三)電化學擊穿59Tree-like樹枝狀Bush-like灌木叢狀chestnut-like栗子狀樹枝老化的一般形狀Tree-likeBush-likechestnut-lik60電介質中的樹枝老化電介質中的樹枝老化61電化學擊穿電壓的大小與施加電壓時間的關系非常密切，但也因介質種類的不同而異。圖3-23是三種固體介質的擊穿場強隨施加電壓的時間而變化的情況：

曲線l、2下降較快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放電的性能差；曲線3接近水平，表示硅有機玻璃云母帶的擊穿場強隨加電壓時間的增加下降很少。可見無機絕緣材料耐局部放電的性能較好。

電化學擊穿電壓的大小與施加電壓時間的關系非常密切，但也因介質62二、影響固體介質擊穿電壓主要因素（一）電壓作用時間 （二）電場均勻程度 （三）溫度 （四）受潮 （五）累積效應

二、影響固體介質擊穿電壓主要因素（一）電壓作用時間63第四節組合絕緣的電氣強度

對高壓電氣設備絕緣的要求是多方面的，除了必須有優異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機械性能及其他物理-化學性能，單一品質電介質往往難以同時滿足這些要求，所以實際絕緣一般采用多種電介質的組合：例如變壓器的外絕緣由套管的外瓷套和周圍的空氣組成，而其內絕緣更是由紙、布、膠木筒、聚合物、變壓器油等固體和液體介質聯合組成。第四節組合絕緣的電氣強度64絕緣常見形式：多種介質構成的層疊絕緣。理想情況下，組合絕緣中各層絕緣承受的電場強度與其電氣強度成正比。直流電壓下：各層絕緣分擔的電壓與其絕緣電阻成正比，亦即各層中的電場強度與其電導率成反比。工頻交流和沖擊電壓下：各層所承擔的電壓和各層電容成反比，亦即各層中的電場強度與其介電常數成反比。絕緣常見形式：多種介質構成的層疊絕緣。理想情況下，組合絕緣中65一、“油－屏障”式絕緣

油浸電力變壓器主絕緣采用的是“油-屏障’’式絕緣結構，在這種組合絕緣中以變壓器油作為主要的電介質，在油隙中放置若干個屏障是為了改善油隙中的電場分布和阻止貫通性雜質小橋的形成。一般能將電氣強度提高30％～50％。1、覆蓋緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層。能顯著提高油隙的工頻擊穿電壓，并減小其分散性，其厚度一般只有零點幾毫米。2、絕緣層當覆蓋的厚度增大到能分擔一定的電壓，即成為絕緣層，一般為數毫米到數十毫米，它能降低最大電場強度，提高油隙的工頻擊穿電壓和沖擊擊穿電壓。一、“油－屏障”式絕緣663.屏障放置層壓紙板或壓布板做屏障。在極不均勻電場中采用屏障可使油隙的工頻擊穿電壓提高到無屏障時的2倍或更高。二、油紙絕緣電氣設備中使用的絕緣紙(包括紙板)纖維間含有大量的空隙，因而干紙的電氣強度是不高的，用絕緣油浸漬后，整體絕緣性能可大大提高。前面介紹的“油—屏障”式絕緣是以液體介質為主體的組合絕緣，采用覆蓋、絕緣層和屏障都是為了提高油隙的電氣強度，而油紙絕緣則是以固體介質為主體的組合絕緣，液體介質只是用作充填空隙的浸漬劑，因此這種組合絕緣的擊穿場強很高，但散熱條件較差.

3.屏障67絕緣紙和絕緣油的配合互補，使油紙組合絕緣的擊穿場強可達500～600kV／cm，大大超過了各組成成分的電氣強度(油的擊穿場強約為200kV／cm，而干紙只有100～150kV／cm)。各種各樣的油紙絕緣目前廣泛應用于電纜、電容器、電容式套管等電力設備中。油紙絕緣的最大缺點:易受污染(包括受潮)因為纖維素是多孔性的極性介質，很易吸收水分。即使經過細致的真空干燥、浸漬處理并浸在油中，它仍將逐漸吸潮和劣化。絕緣紙和絕緣油的配合互補，使油紙組合絕緣的擊穿場強可達50068三、組合絕緣中的電場1.均勻電場雙層介質模型在組合絕緣中，同時采用多種電介質，在需要對這一類絕緣結構中電場作定性分析時，常常采用最簡單的均勻電場雙層介質模型，如圖3-25所示：三、組合絕緣中的電場69在這一模型中，最基本的關系式為：

由此可得：

在這一模型中，最基本的關系式為：702.分階絕緣超高壓交流電纜常為單相圓芯結構，由于其絕緣層較厚，一般采用分階結構，以減小纜芯附近的最大電場強度。所謂分階絕緣是指由介電常數不同的多層絕緣構成的組合絕緣。

分階原則是對越靠近纜芯的內層絕緣選用介電常數越大的材料，以達到電場均勻化的目的。如：內層絕緣采用高密度的薄紙(紙的纖維含量高，質地致密)，其介電常數較大，擊穿場強也較大;外層絕緣則采用密度較低、厚度較大的紙，其介電常數較小、擊穿場強也較小。2.分階絕緣71先討論單相圓芯均勻介質電纜中絕緣的利用系數。如果施加交流電壓U，則其絕緣層中距電纜軸心r處的電場E可由下式求得：式中r0、R分別為電纜芯線的半徑和外電極(金屬護套)的半徑。先討論單相圓芯均勻介質電纜中絕緣的利用系數。如果施加交流電壓72絕緣層中最大電場強度Emax位于芯線的表面上

而最小電場強度Emin位于絕緣層的外表面(r＝R)處。此時的平均電場強度Eav應為:絕緣層中最大電場強度Emax位于芯線的表面上73絕緣中平均場強與最大場強之比稱為該絕緣的利用系數，則此時:值越大，則電場分布越均勻，亦即絕緣材料利用得越充分。平板電容器絕緣的值可視為1。但對超高壓電纜來說，因絕緣層較厚，(R-r0)值較大，如采用一種單一的介質、則值將較小;為提高利用系數應采用分階絕緣。絕緣中平均場強與最大場強之比稱為該絕緣的利用系數，則此時74第三章液體和固體介質的電氣特性液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣，常用的液體和固體介質為：液體介質：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠電介質的電氣特性表現在電場作用下的

導電性能介電性能（介電常數和介質損耗正切）

電氣強度第三章液體和固體介質的電氣特性液體和固體介質廣泛用作電氣75第一節液體和固體介質的極化、電導和損耗電介質的極化電介質的電導電介質的損耗第一節液體和固體介質的極化、電導和損耗76一、電介質的極化電介質的極化是電介質在電場作用下，其束縛電荷相應于電場方向產生彈性位移現象和偶極子的取向現象。極化概念：電場中有電介質時，由于電場的作用電介質內部發生形變，結果導致電介質內部電荷分布的變化。這個過程稱作極化。一、電介質的極化77介電常數來表示極化強弱。對于平行平板電容器，極間為真空時：放置固體介質時,電容量將增大為：相對介電常數：ε0--真空的介電常數ε---介質的介電常數εr---介質的相對介電常數A---極板面積，cm2

d---極間距離，cm介電常數來表示極化強弱。對于平行平板電容器，極間為真空時：78電容量增大的原因在于電介質的極化現象。是由電介質極化引起的束縛電荷。εr是反映電介質極化特性的一個物理量。氣體εr接近于1，液體和固體大多在2～6之間。液體和固體介質的電氣特性課件79電介質的極化有五種基本形式：電子式極化離子式極化偶極子（轉向)極化夾層極化空間電荷極化

電介質的極化有五種基本形式：80（一）電子式極化在外電場的作用下介質原子中的電子運動軌跡將相對于原子核發生彈性位移，正負電荷作用中心不再重合而出現感應偶極矩極化機理：電子運動軌道偏離原子核介質類型：所有介質建立極化時間：極短，約10-15s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（無關）極化彈性：彈性；消耗能量：無 （一）電子式極化81

（二）離子式極化

固體無機化合物大多屬離子式結構，無外電場時，晶體的正、負離子對稱排列，各個離子對的偶極矩互相抵消，故平衡極矩為零。

在出現外電場后，正、負離子將發生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈現極化。

極化機理：正負離子的相對偏移介質類型：離子式結構電介質建立極化時間：極短，約10-13s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（隨溫度升高而增加）離子的結合力隨溫度升高而減小，使極化程度增強；離子的密度隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱極化彈性：彈性；消耗能量：無液體和固體介質的電氣特性課件82（三）偶極子極化（轉向極化）極性電介質：分子具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，由極性分子組成的電介質稱為極性電介質。極性分子不存在外電場時，極性分子的偶極子因熱運動而雜亂無序的排列著，如圖所示，宏觀電矩等于零，因而整個介質對外并不表現出極性。出現外電場后，原先排列雜亂的偶極子將沿電場方向轉動，作較有規則的排列，如圖所示，因而顯示出極性。這種極化稱為偶極子極化或轉向極化。

（三）偶極子極化（轉向極化）83極化機理：偶極子的定向排列介質類型：極性電介質建立極化時間：需時較長，10-10~10-2s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（有關） 溫度（溫度較高時降低，低溫段隨溫 度增加，即先增后降）極化彈性：非彈性；消耗能量：有極化機理：偶極子的定向排列84偶極子極化與電源頻率f的關系：

頻率太高時，偶極子將來不及轉動，因而其值變小，如圖所示。其中相當于直流電場下的相對介電常數。f>f1以后偶極子將越來越跟不上電場的交變，值不斷下降；當f＝f2時，偶極子已完全不跟著電場轉動了，這時只存在電子式極化，減小到。偶極子極化與電源頻率f的關系：85偶極子極化與溫度t的關系：

溫度升高時，分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質有負的溫度系數。對液體和固體介質，溫度很低時，分子間聯系緊密，偶極子轉動比較困難，所以很小。液體、固體介質的在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動變得較強烈時，分子熱運動阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，又開始隨著溫度的上升而減小。液體和固體介質的電氣特性課件86（四）夾層極化夾層介質界面極化概念：合閘瞬間兩層介質的電壓比由電容決定。穩態時分壓比由電導決定。在電壓重新分配的過程中，夾層界面上會積聚起一些電荷，使整個介質的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質界面極化。當t=0: 當t∞:（四）夾層極化87

如果則雙層介質的表面電荷不重新分配。但實際上很難滿足上述條件，電荷要重新分配，這樣在兩層介介質的交界面處會積累電荷，這種極化形式稱夾層介質界面極化。極化機理：自由電荷的移動。夾層極化所引起的電荷積聚過程中所形成的電流稱為吸收電流。這種極化形式存在于不均勻夾層介質中，伴隨有能量損失，夾層界面上電荷的堆積是通過介質電導G完成的，高壓絕緣介質的電導通常都很小，極化建立需時很長，一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時，這種性質的極化只有在直流和低頻時才有意義。

88各種極化類型的比較極化類型產生場合極化時間(s)極化原因能量損耗電子式任何電介質10-15束縛電荷的位移無離子式離子式結構電介質10-13離子的相對偏移幾乎無偶極子式極性電介質10-10～10-2偶極子的定向排列有夾層介質界面多層介質交界面10-1～數小時自由電荷的移動有空間電荷電極附近各種極化類型的比較極化類型產生場合極化時間(s)極化原因能量89二．電介質的電導電導率表征電介質導電性能的主要物理量，其倒數為電阻率。按載流子的不同，電介質的電導又可分為離子電導和電子電導兩種。

1、電子電導：一般很微弱，因為介質中自由電子數極少；如果電子電流較大，則介質已被擊穿。2、離子電導：本征離子電導：極性電介質有較大的本征離子電導，電阻率1010～1014

雜質離子電導：在中性和弱極性電介質中，主要是雜質離子電導，電阻率1017～1019空穴又稱電洞（Electronhole），在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位的現像。

二．電介質的電導903、電泳電導：在液體介質中載流子為帶電的分子團，通常是乳化狀態的膠體粒子（例如絕緣油中的懸浮膠粒）或細小水珠，他們吸附電荷后變成了帶電粒子。4、表面電導：對于固體介質，由于表面吸附水分和污穢存在表面電導，受外界因素的影響很大。所以，在測量體積電阻率時，應盡量排除表面電導的影響，應清除表面污穢、烘干水分、并在測量電極上采取一定的措施。固體、液體介質的電導率與溫度的關系可近似地用下式表示式中：A、B為與介質有關的常數，其中固體介質的常數B通常比液體介質的B值大的多。T為絕對溫度，單位為K。該式表明,隨溫度T按指數規律上升。絕對零度，也就是-273.15℃（攝氏度）。熱力學溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關系是T＝t＋273.15。3、電泳電導：在液體介質中載流子為帶電的分子團，通常是乳化狀91三、電介質中的損耗

（一）電介質的損耗的基本概念介質損耗：在電場作用下電介質中總有一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化（例如偶極子、夾層極化）引起的損耗，總稱介質損耗。直流下：電介質中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數值，介質中的損耗將僅由電導組成，所以可用體積電導率和表面電導率說明問題，不必再引入介質損耗這個概念了。

/22三、電介質中的損耗 （一）電介質的損耗的基本概念/2292交流時：流過電介質的電流包含有功分量和無功分量即

交流時：流過電介質的電流包含有功分量和無功分93此時介質的功率損耗：

介質損耗角δ為功率因數角的余角，其正切tgδ又可稱為介質損耗因數，常用百分數（％）來表示。通常采用tgδ作為綜合反映介質損耗特性的一個指標。（為什么不采用介質損耗P？）此時介質的功率損耗：94

介質損失角正切的概念：由于存在損耗，U和I之間的夾角不再是90o的關系，IC代表流過介質總的無功電流，IR代表流過介質的總有功電流，IR包括了漏導損失和極化損失。從直觀看，IR大則損失大，定義一個新的物理量，即介質損失角正切值tgδ來代表介質在交流電壓下的損耗

tgδ僅反映介質本身的性能，和介質的幾何尺寸無關介質的電壓電流向量圖/22 介質損失角正切的概念：由于存在損耗，U和I之間的夾角不再是95有損介質等值電路如圖所示，電介質中流過的是電容電流，吸收電流和傳導電流三個分量疊加在一起為總電流有損介質等值電路如圖所示，電介質中流過的是電容電流96在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間變化的曲線，稱為吸收曲線。電容電流在加壓瞬間數值很大，但迅速下降到零，是一極短暫的充電電流；吸收電流隨著電壓時間增長而逐漸減小，比充電電流的下降要慢得多，約經數十分鐘才衰減到零，具體時間長短取決于絕緣的種類、不均勻程度和結構；傳導電流是唯一長期存在的電流分量。（交流電壓？）在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間變化的曲線，稱為吸收97上述三支路等值電路可采用并聯等值電路或串聯等值電路來分析。并聯－－電導損耗串聯－－極化損耗1、并聯等值電路

上述三支路等值電路可采用并聯等值電路或串聯等值電路來分析。982、串聯等值電路

有損電介質可用一只理想的無損耗電容Cs和一個電阻r相串聯的等值電路來代替，如圖所示。2、串聯等值電路99由向量圖有：由于：所以：介質損耗角值一般很小，所以：由向量圖有：100并聯等值回路中：tg=IR/IC=1/CpRP=U2/R=CpU2tg

串聯等值回路中：tg=Ur/Uc=CsrP=I2r=/22介質損耗因數：并聯等效電路：阻性有功電流與容性無功電流的比值。串聯等效電路：阻性有功電壓與容性無功電壓的比值。并聯等值回路中：串聯等值回路中：/22介質損耗因數：1011.氣體介質損耗氣體分子間的距離很大，相互間的作用力很弱，所以極化過程中不會引起損耗。如外加電場不足以引起電離，則氣體中只存在很小的電導損耗。氣體中的電場強度達到放電起始場強E0時，氣體中發生局部放電，這時損耗將急劇增大。/22(二)氣體、液體和固體介質的損耗1.氣體介質損耗/22(二)氣體、液體和固體介質的損耗1022.液體介質損耗（1）中性和弱極性液體介質損耗主要由電導引起，其損耗率（單位體積電介質的功率損耗）為(W/cm3)

式中——電介質的電導率，S/cm——電場強度，V/cm由于與溫度有指數關系（3-6），故P0也以指數規律隨溫度的升高而增大。2.液體介質損耗103（2）極性液體介質除了電導損耗外，還存在極化損耗。在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小，隨著溫度的升高，液體的粘度減小，偶極子轉向極化增加，電導損耗也在增大，所以總的亦上升，并在t＝t1時達到極大值；在t1<t<t2的范圍內，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導損耗的增加，所以總的曲線隨t的升高而下降，并在t=t2時達到極小值（2）極性液體介質除了電導損耗外，還存在極化損耗。104在t>t2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而就隨時間t的上升而持續增大。

在t>t2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小105極性液體介質的和與電源角頻率的關系如右圖所示。當較小時，偶極子的轉向極化完全跟得上電場的交變，極化得以充分發展，此時的最大；但此時偶極子單位時間的轉向次數不多，因而極化損耗很小，也小，且主要由電導損耗引起。如減至很小，反而又稍有增大，這是因為電容電流減小的結果。

極性液體介質的和與電源角頻率106隨增大，轉向極化逐漸跟不上電場交變，開始下降，但由于轉向頻率增大仍會使極化損耗增加、增大。一旦大到偶極子完全來不及轉向時，值變得最小而趨于某一定值，也變得很小，因為這時只剩下電子式極化了。在這樣的變化過程中，一定有一個的極大值，其對應的角頻率為液體和固體介質的電氣特性課件1073.固體介質損耗(1)無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由電導引起損耗，電導率小，介質損耗小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷（電瓷）：既有電導損耗，又有極化損耗；常溫下電導很小。20oC和50Hz時電瓷的＝2％～5％；玻璃：電導損耗＋極化損耗，損耗與玻璃成分有關。(2)有機絕緣材料可分為非極性和極性非極性有機電介質：只有電子式極化，損耗取決于電導；極性有機電介質：極化損耗使總損耗較大。3.固體介質損耗108討論損耗的意義(1)選擇絕緣。tg過大會引起絕緣介質嚴重發熱，甚至導致熱擊穿。例如用蓖麻油制造的電容器就因為tg大，而僅限于直流或脈沖電壓下使用，不能用于交流(2)預防性試驗中判斷絕緣狀況。如果絕緣受潮或劣化，tg將急劇上升，在預防試驗中可通過tg～U的關系曲線來判斷是否發生局部放電(3)當tg大的材料需加熱時，可對材料加交流電壓，利用材料本身介質損的發熱。該方法加熱非常均勻，如電瓷生產中對泥坯加熱即用這種方法/22討論損耗的意義/22109第二節液體介質的擊穿純凈液體介質的擊穿理論工程用變壓器油的擊穿過程及其特點變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法第二節液體介質的擊穿110一旦作用于固體和液體介質的電場強度增大到一定程度時，在介質中出現的電氣現象就不再限于前面介紹的極化、電導和介質損耗了。與氣體介質相似，液體和固體介質在強電場(高電壓)的作用下，也會出現由介質轉變為導體的擊穿過程。液體介質主要有天然的礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質，它們對液體介質的擊穿有很大的影響。一旦作用于固體和液體介質的電場強度增大到一定程度時，在介質中111 一、純凈液體電介質的電擊穿理論（一）電子碰撞電離理論

液體中因強場發射等原因產生的電子，在電場中被加速，與液體分子發生碰撞電離，形成電子崩。與此同時，由碰撞產生的正離子在陰極附近集結成空間電荷層，增強了陰極附近的電場，使陰極發射的電子數增多；當外加電壓增大到一定程度時，電子崩電流會急劇增大，從而導致液體介質的擊穿。液體的密度比氣體大得多，電子的平均自由行程很小，積累能量比較困難，必須大大提高電場強度才能開始碰撞電離，所以純凈液體介質的擊穿場強比氣體介質高得多（約高一個數量級）。/22 一、純凈液體電介質的電擊穿理論/22112純凈液體電介質的氣泡擊穿理論（二）氣泡擊穿理論

當外加電場較高時，液體介質內會由于各種原因產生氣泡，如： ①電子電流加熱液體，分解出氣體； ②電子碰撞液體分子，使之解離產出氣體； ③靜電斥力，電極表面吸附的氣泡表面積累電荷，當靜電斥力大于液體表面張力時，氣泡體積變大； ④電極凸起處的電暈引起液體氣化。 由于串聯介質中，場強的分布與介質的介電常數成反比，氣泡r=1，小于液體的r，因而氣泡承擔比液體更高的場強，偏偏氣體耐電強度又低，所以氣泡先行電離，一旦電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內發生

/22純凈液體電介質的氣泡擊穿理論/22113二、非純凈液體電介質的小橋擊穿理論(a)形成“小橋”(b)未形成“小橋”

受潮纖維在電極間定向示意圖 液體中的雜質在電場力的作用下，在電場方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質的“小橋，由于水和纖維的介電常數分別為81和6-7，比油的介電常數1.8-2.8大得多，從而這些雜質容易極化并在電場方向定向排列成小橋/22二、非純凈液體電介質的小橋擊穿理論(a)形成“小橋”114“小橋理論”工程上所用的液體介質中總難免會混入一些雜質，如變壓器油中常因受潮而含有水分，還有從固體絕緣材料中脫落的纖維或其他雜質，當油中含有水分和纖維時，由于水和纖維的介電常數很大，尤其是纖維吸潮后，很容易沿電場方向極化定向排列，排列成雜質小橋，并在電極間形成電導較大的通道，引起泄漏電流增大，溫度升高，促使油和水分汽化，氣泡擴大，最后擊穿。“小橋理論”115判斷變壓器油的質量，主要依靠測其電氣強度、和含水量等。在不均勻電場中，間隙中強電場出發生的局部放電使液體介質發生波動，雜質不易搭成小橋，液體的擊穿電壓受到雜質的影響減小，不能正確判斷油的品質，所以必須作成均勻電場。在標準試油杯中，液體（變壓器油）的擊穿電壓為20-60KV，其平均擊穿場強為20-60KV/0.25cm=80-240KV/cm。而均勻電場中空氣的擊穿場強30KV/cm，所以氣體的擊穿場強比液體的低很多。判斷變壓器油的質量，主要依靠測其電氣強度、和含水量116三、變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法(一)水分和其他雜質水在變壓器油中有兩種狀態：①溶解狀態:高度分散、且分布非常均勻；②懸浮狀態:呈水珠狀一滴一滴懸浮在油中。溶解狀態的水分只要不因含水量過大而使油的電導顯著增加，對油的擊穿電壓影響不大。懸浮狀態的小水滴能夠在電場作用下極化并在極間排成導電的“小橋”，使油的擊穿電壓顯著下降。三、變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法117從圖中可見，變壓器油的含水量僅達到十萬分之幾時，變壓器油的擊穿電壓就顯著降低。當含水量超過0.02%時，多余的水分常沉積在容器的底部，故對油的擊穿電壓進一步降低是有一定限度的。液體和固體介質的電氣特性課件118(二)油溫溫度對液體擊穿電壓的影響與水分的狀態密切相關。1、當溫度由00C開始逐漸上升時，水在油中的溶解度逐漸增大，原來懸浮狀態的水分逐漸轉化為溶解狀態，使油的擊穿電壓逐漸升高。2、當溫度超過800C時，溫度再升高，則水分開始汽化，油也開始汽化，產生氣泡，使擊穿電壓降低，從而在60-800C的范圍內出現最大值。3、在0-50C時，油中水分是懸浮狀態的，擊穿電壓最低。4、溫度再降低，水將結成冰粒，油也將逐漸凝固，使擊穿電壓提高。(二)油溫119(三)電場均勻度優質油：保持油不變，而改善電場均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質差的油：改善電場對于提高其工頻擊穿電壓的效果較差。在沖擊電壓下，由于雜質來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質好壞幾乎無關。(三)電場均勻度120(四)電壓作用時間

油隙的擊穿電壓會隨電壓作用時間的增加而下降，加電壓時間還會影響油的擊穿性質。從圖3—20的兩條曲線可以看出：在電壓作用時間短至幾個微秒時擊穿電壓很高，擊穿有時延特性，屬電擊穿；電壓作用時間為數十到數百微秒時，雜質的影響還不能顯示出來，仍為電擊穿，這時影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度；電壓作用時間更長時，雜質開始聚集，油隙的擊穿開始出現熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。(四)電壓作用時間121（五）油壓的影響不論電場均勻度如何，工業純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因為油中氣泡的電離電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故。

（五）油壓的影響122六、提高液體介質擊穿電壓的措施措施：1、提高液體品質（1）過濾。在油中先加入白土、硅膠等吸附劑后用濾油機濾紙阻隔油中的纖維等固態雜物，吸收部分水分等液體雜質；（2）干燥。絕緣及夾件、繞組等浸油前必須烘干，必要時采用真空干燥法去除水分，在油箱呼吸器的空氣入口處放干燥劑。2、限制小橋的形成（1）覆蓋。在電場中曲率半徑小的電極上覆蓋很薄的電纜紙（或黃蠟布或涂漆膜），組成油—紙絕緣組合。在均勻電場中覆蓋能夠使擊穿電壓提高70%—100%，在極不均勻電場中能夠提高10%—15%，所以充油設備中很少采用裸導體的。（2）絕緣層。（3）屏障。途徑：提高液體的品質，限制小橋的形成。六、提高液體介質擊穿電壓的措施措施：2、限制小橋的形成（1）123第三節固體介質的擊穿固體介質的擊穿理論電擊穿理論熱擊穿理論電化學擊穿影響固體介質擊穿電壓的主要因素電壓作用時間電場均勻程度溫度受潮累積效應第三節固體介質的擊穿124在電場作用下，固體介質可能因以下過程而被擊穿：電過程（電擊穿）熱過程（熱擊穿）電化學過程（電化學擊穿）

實際電氣設備中的固體擊穿過程是錯綜復雜的，常取決于下列多種因素：介質本身的特性絕緣結構型式電場均勻度外加電壓波形加壓時間工作環境

在電場作用下，固體介質可能因以下過程而被擊穿：125常用的有機絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時電氣強度很高，但在工作電壓的長期作用下，會產生電離、老化等過程，從而使其電氣強度大幅度下降。

所以，對這類絕緣材料或絕緣結構，不僅要注意其短時耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓下的耐電性能。常用的有機絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑126一、固體介質的擊穿理論(一)電擊穿理論1、固體介質的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現象。2、在介質的電導很小，又有良好的散熱條件以及介質內部不存在局部放電的情況下，固體介質的擊穿通常為電擊穿，擊穿場強可達105-106kV/m。3、電擊穿的主要特征：①與周圍環境溫度有關；②除時間很短的情況，與電壓作用時間關系不大；③介質發熱不顯著；④電場均勻程度對擊穿有顯著影響。一、固體介質的擊穿理論127(二)熱擊穿理論熱擊穿的概念：由于介質損耗的存在，固體電介質在電場中會逐漸發熱升溫，溫度的升高又會導致固體電介質電阻的下降，使電流進一步增大，損耗發熱也隨之增大。在電介質不斷發熱升溫的同時，也存在一個通過電極及其它介質向外不斷散熱的過程。如果同一時間內發熱超過散熱，則介質溫度會不斷上升，以致引起電介質分解炭化，最終擊穿，這一過程稱電介質的熱擊穿過程。(二)熱擊穿理論128

熱擊穿的理論分析

電壓：U1＞U2＞U3

曲線1,2,3：電介質發熱量Q與介質中最高溫度tm的關系

直線4：表示固體介質中最高溫度大于周圍環境溫度t0 時，散出的熱量Q與介質中最高溫度tm的關系不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 熱擊穿的理論分析不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系129

曲線1：發熱永遠大于散熱，介質溫度將不斷升 高，在電壓U1下最終必定發生熱擊穿不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 曲線1：發熱永遠大于散熱，介質溫度將不斷升 高，在電130

曲線3：

tta時：曲線在直線4之上，不發生熱擊穿，介質溫度逐漸升高并穩定在ta，稱ta為穩定熱平衡點

t>tb時：情況類似曲線1，最終發生熱擊穿

t=tb時：發熱等于散熱，但因擾動使t大于tb，則介質溫度上升，回不到tb，直至熱擊穿。稱tb為不穩定熱平衡點

ta<t<tb：不會發生熱擊穿，介質溫度將穩定在ta不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 曲線3：不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系131

曲線2：

與直線4相切，U2為臨界熱擊穿電壓；tK為臨界熱擊穿溫度不同外施電壓下介質發熱散熱與介質溫度的關系 曲線2：不