《高電壓工程根底》華南理工大學電力學院

液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣(internalisulation)，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

電介質電氣特性的表征參數：電介質的電氣特性表現在電場作用下的：介電特性:介電常數介質損耗角正切傳導特性:電導率(絕緣電阻率)擊穿特性/電氣強度:擊穿場強高電壓工程根底第5章液體和固體介質的電氣特性5.1電介質的極化、電導與損耗5.2液體介質的擊穿5.3固體介質的擊穿5.4組合絕緣的特性5.5絕緣的老化高電壓工程根底5.1電介質的極化、電導與損耗5.1.1電介質的極化高電壓工程根底平板真空電容器電容量：插入固體電解質后電容量：相對介電常數：相對介電常數是反映電介質極化程度的物理量—由電介質極化引起的

束縛電荷高電壓工程根底極化概念：在外加電場的作用下，固體介質中原來彼此中和的正、負電荷產生了位移，形成電矩，使介質外表消逝了束縛電荷，即極板上電荷增多，因而使電容量增大。電子式極化離子式極化偶極子極化界面極化無損極化有損極化極化的根本形式極化機理：電子偏離軌道介質類型：全部介質建立極化時間：極短，10-1410-15s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1.電子式極化高電壓工程根底極化機理：正負離子位移介質類型：離子性介質建立極化時間：極短，10-12~10-13s極化程度影響因素： 電場強度〔有關〕 電源頻率〔無關〕 溫度〔隨溫度上升而增加，離子結合力〕極化彈性：彈性消耗能量：無2.離子式極化高電壓工程根底極化機理：偶極子定向排列介質類型：具有永久性偶極子的極性介質建立極化時間：需時較長，10-1010-2s極化程度影響因素：電場強度〔有關〕電源頻率〔有關，頻率上升，極化減弱〕溫度〔低溫段增加，高溫段降低〔熱運動〕〕極化彈性：非彈性消耗能量：有3.偶極子極化高電壓工程根底4.夾層式〔界面〕極化當t=0:

當t=∞:高電壓工程根底

一般狀況下：電荷從t=0到t=∞時會重新安排，在介質的交界面處積存電荷。這些電荷形成的極化形式稱夾層式〔界面〕極化。極化的時間常數：

高壓絕緣介質的電導G通常都很小，因此夾層極化只有在低頻時才有意義。同樣，去掉外加電壓后，釋放極化電荷的時間也很長。消逝在電纜、電容器、旋轉電機、變壓器、互感器、電抗器等復合絕緣中。高電壓工程根底4.夾層式〔界面〕極化接地桿高電壓工程根底極化機理：各層介質發生極化，產生電荷積存介質類型：不均勻夾層介質中建立極化時間：很長，從數s到數h極化程度影響因素： 電場強度〔有關〕 電源頻率〔低頻下存在〕 溫度〔有關〕極化彈性：非彈性消耗能量：有 4.夾層式〔界面〕極化高電壓工程根底高電壓工程根底高電壓工程根底材料類別名稱εr（工頻，20℃）氣體介質空氣（大氣壓）1.00059液體介質弱極性變壓器油硅有機液體2.2~2.52.2~2.8極性蓖麻油4.5強極性丙酮酒精水223381固體介質中性或弱極性石蠟聚乙烯2.0～2.52.25～2.35極性聚氯乙烯3.2～4離子性云母電瓷5～75.5～6.5可見，氣體接近于1，液體和固體大多在2～6之間。高電壓工程根底爭論電介質極化的意義1、選擇絕緣：電容器大電容器單位容量體積和重可削減電纜小可使電纜工作時充電電流減小電機定子線圈槽出口和套管小,可提高沿面放電電壓2、多層介質的合理協作：電場分布與成反比組合絕緣承受適當的材料可使電場分布合理3、爭論介質損耗的理論依據：介質損耗與極化類型有關，損耗是絕緣劣化和熱擊穿的主要緣由4、絕緣試驗的理論依據：在絕緣預防性試驗中通過測量吸取電流可以反映夾層極化現象，能夠推斷絕緣受潮狀況。吸取電荷將對人身構成威逼5、研發新型絕緣材料平行平板電極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時未發生間隙擊穿，當板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板(

r=2.3)時，問此時是否會發生間隙擊穿現象？為什么？并請計算插入聚乙烯板前后的各介質中的電場分布。電介質極化應用實例高電壓工程根底

解：設空氣電介質常數為

1，設聚乙烯板電介質常數為

2

(1)插入電介質前：E1=U0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入電介質后：

1E1=

2E2

U1/U2=

2/

1，得U1=2.3U2 U0=U1+U2=3.3U2 U2=U0/3.3=55/3.3=16.7(kV) E2=16.7kV/cm U1=U0-U2=55-16.7=38.3(kV) E1=38.3kV/cm>30kV/cm的空氣擊穿場強

所以,插入聚乙烯板后空氣間隙將會擊穿。高電壓工程根底5.1.2電介質的電導電介質不是抱負的絕緣體，其內部會存在帶電粒子。它們在電場下的定向移動，形成電流。電子電導電介質的電導離子電導〔主要〕表征電導的參數是電導率γ，在高電壓工程中一般常用電阻率ρ來表征介質的絕緣電阻。與導體的電導相比，電介質電導的特點：1〕主要載流子是離子2〕電導率隨溫度上升而指數上升高電壓工程根底電介質中的電流與時間的關系i=ic+ia+igic:瞬時充電電流，無損極化ia：吸取電流，有損極化ig：電導電流，或泄漏電流高電壓工程根底1.吸取現象高電壓工程根底電介質的絕緣電阻定義：電介質中的絕緣電阻一般為M特點：1〕負溫度系數2〕隨外施電壓上升而下降。3〕隨加壓時間延長而增大。2.體積電阻RV=U/ig體積電阻率為：

體積電導率為：

其中，d〔cm〕為電介質厚度，S〔cm2〕為電極外表積。體積電阻的測量電路高電壓工程根底3.外表電阻固體介質除了體積電阻外，還存在外表電導?？菰锴鍧嵉墓腆w介質的外表電導很小，外表電導主要由外表吸附的水分和污物引起。介質吸附水分的力氣與自身構造有關，所以介質外表電導也是介質本身固有的性質

外表電阻率為：

外表電導率為：

外表電阻的測量電路高電壓工程根底體積電導和外表電導：外表電導通常遠大于體積電導，受環境影響很大，如受潮、臟污。所以，在測量體積電阻率時，應盡量排解外表電導的影響，應去除外表污穢、烘干水分、并在測量電極上實行確定的措施。高電壓工程根底高電壓工程根底爭論電介質電導的意義電導是絕緣預防性試驗的理論依據，在做預防性試驗時，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸取比推斷設備的絕緣狀況直流電壓作用下，分層絕緣時，各層電壓分布與電阻成正比，選擇適宜的電阻率，就可以實現各層之間的合理分壓留意環境濕度對固體絕緣外表電阻的影響，留意親水性材料的外表防水處理5.1.3電介質的能量損耗高電壓工程根底損耗極化損耗〔DC下無〕電導損耗〔DC、AC都有〕

電介質的能量損耗簡稱介質損耗，包括由電導引起的損耗和由極化引起的損耗。

5.1.3電介質的能量損耗高電壓工程根底介質損耗為：P值和試驗電壓、試品電容量等因素有關，不同試品間難于相互比較，所以改用介質損失角的正切tanδ來推斷介質的品質。介質損耗正切角〔tg〕〔并聯模型〕介損：損耗功率：高電壓工程根底介質損耗正切角〔tg〕〔串聯模型〕介損：損耗功率：高電壓工程根底對于有損介質，電導損耗和極化損耗都是存在的，可用三個并聯支路的等值回路來表示。

高電壓工程根底有損介質可用電阻、電容的串聯或并聯等值電路來表示。主要損耗是電導損耗，常用并聯等值電路；主要損耗由介質極化及連接導線的電阻等引起，常用串聯等值電路。

R反映電導損耗

C′，r支路反映吸取電流C0反映電子式和離子式極化〔1〕氣體介質的損耗高電壓工程根底當電場強度缺乏以產生碰撞電離時，氣體中的損耗是由電導引起的，損耗微小〔tanδ<10-8〕，所以可以做電容器介質。但當外施電壓U超過電暈起始電壓U0時，將發生局部放電，損耗急劇增加，如以以下圖。線路電暈損耗高電壓工程根底〔2〕液體介質的損耗中性或弱極性液體介質：電導損耗，損耗較小。極性液體及極性和中性液體的混合油：電導和極化損耗，所以損耗較大，而且和溫度、頻率都有關系，如圖。

電導損耗占主要局部，tanδ重新隨溫度上升而增加T上升，液體粘度減小，偶極子極化增加，極化損耗增加分子熱運動加快，極化強度減弱，極化損耗減小

f2>f1高電壓工程根底〔3〕固體介質的損耗分子式構造介質：中性：主要電導損耗，損耗微小，如石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；極性：tanδ值較大，與溫度、頻率的關系和極性液體相像，如紙、纖維板和聚氯乙烯、有機玻璃、酚醛樹脂等，離子式構造介質：主要電導損耗，損耗微小，如云母等；不均勻構造介質：損耗取決于其中各成分的性能和數量間的比例，如云母制品、油浸紙、膠紙絕緣等；強極性電介質：在高壓設備中極少使用。高電壓工程根底高電壓工程根底爭論電介質損耗的意義選擇絕緣材料。tanδ過大會引起絕緣介質發熱，甚至導致熱擊穿。如蓖麻油因tanδ過大而僅限于DC或脈沖電壓下，不能用于AC在預防性試驗中推斷絕緣狀況。假設絕緣材料受潮或劣化，tanδ將急劇上升，預防性試驗中可通過tanδ與U的關系曲線來推斷是否發生局部放電當tanδ大的材料需要加熱時，可加溝通電壓利用本身介質發熱損耗發熱，而且發熱特殊均勻高電壓工程根底5.2液體介質的擊穿純潔的液體介質：擊穿過程與氣體擊穿的過程很相像，但其擊穿場強高〔很小的均勻場間隙中可到達1MV/cm〕工程用的液體介質：擊穿場強很少超過300kV/cm，一般在200kV/cm~250kV/cm的范圍內〔以上擊穿場強值均指在標準試油杯中所得數據〕緣由：工程液體介質的擊穿是由液體中的氣泡或雜質等引起的，即氣泡或雜質在電場作用下在電極間排成“小橋”，引起擊穿，即“小橋理論”。高電壓工程根底絕緣外殼黃銅電極標準試油杯〔圖中尺寸均為mm〕油間隙距離2.5mm〔1〕雜質的影響水分：極微量的水分可溶于油中，對油的擊穿強度沒有多大影響。影響油擊穿的是呈懸浮狀態的水分。均勻場中影響較大高電壓工程根底標準油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓Ub和含水量W的關系

W為1×10-4時已使油的擊穿強度降得很低。含水量再增大時，影響不大

5.2.1影響液體介質擊穿的因素〔2〕溫度的影響高電壓工程根底枯燥的油受潮的油標準油杯中變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關系

枯燥油的擊穿強度與溫度沒有多大關系0～80℃，Ub提高〔水分溶解度增加〕溫度再上升，Ub下降〔水分汽化〕；低于0℃，Ub提高〔水滴凍結成冰?！掣唠妷汗こ谈住?〕油體積的影響變壓器油中水分含量為31×10-6時的Ub與d的關系稍不均勻電場T=100℃稍不均勻電場T=20℃極不均勻電場T=20℃隨著間隙長度的增加變壓器油的擊穿場強下降

高電壓工程根底均勻電場中油〔T=90℃〕的沖擊擊穿場強與油體積的關系規律：油的擊穿強度隨油體積的增加而明顯下降。緣由：間隙中缺陷(即雜質)消逝的概率隨油體積的增加而增大。不能將試驗室中對小體積油的測試結果，直接用于高壓電氣設備絕緣的設計高電壓工程根底〔4〕電壓形式的影響雜質形成小橋所需的時間，比氣體放電所需時間長，因此油間隙的沖擊擊穿強度比工頻擊穿強度要高得多。極不均勻電場中沖擊系數約為1.4~l.5，均勻場中可達2或更高。-1.2/50μs波

+1.2/50μs波

工頻電壓

稍不均勻電場中變壓器油的擊穿電壓與間距的關系高電壓工程根底5.2.2減小雜質影響的措施〔1〕過濾使油在壓力下通過濾油機中的濾紙，即可將纖維、碳粒等固態雜質除去，油中大局部水分和有機酸等也會被濾紙所吸附?！?〕防潮絕緣件在浸油前必需烘干，必要時可用真空枯燥法去除水分?！?〕祛氣將油加熱，噴成霧狀，并抽真空，可以到達去除油中水分和氣體的目的?！?〕用固體介質減小油中雜質的影響常用措施為掩蓋層、絕緣層和屏障。高電壓工程根底5.3固體介質的擊穿固體介質的固有擊穿強度比液體和氣體介質高，其擊穿的特點是：擊穿場強與電壓作用的時間有很大的關系。

高電壓工程根底5.3.1電擊穿固體介質的電擊穿過程與氣體相像，碰撞電離形成電子崩，當電子崩足夠強時破壞介質晶格構造導致擊穿。固體介質在沖擊電壓屢次作用下，其擊穿電壓有可能低于單次沖擊作用時的值。由于固體介質為非自恢復絕緣，如每次沖擊電壓下介質發生局部損傷，則屢次作用下局部損傷會擴大而導致擊穿。這種現象為累積效應。有累積效應根本無累積效應高電壓工程根底5.3.2熱擊穿概念：絕緣介質在電場作用下，會因電導電流和介質極化引起介質損耗，使介質發熱。介質電導率隨溫度的上升而急劇增大，因此介質的發熱因溫度的上升而增加。假設介質中產生的熱量總是大于散熱，則溫度不斷上升，造成材料的熱破壞而導致擊穿。特點：〔1〕擊穿所需時間較長，常常需要幾個小時，即使在提高試驗電壓時也常需要好幾分鐘?！?〕在直流電壓下，正常未受潮的絕緣很少發生熱擊穿。高電壓工程根底介質發熱〔曲線1，2，3〕及散熱〔曲線4〕與介質溫度的關系U1>U2>U3發熱曲線3與散熱曲線有兩個交點，即熱平衡點Ta和Tc。Ta穩定，Tc不穩定

曲線2與曲線4相切，只有一個熱平衡點Tb，但不穩定。U2是臨界熱擊穿電壓，Tc則是熱擊穿的臨界溫度

根本不存在熱平衡點，必定發生熱擊穿高電壓工程根底5.3.3電化學擊穿對絕緣施加電壓幾個月甚至幾年后，擊穿場強仍在下降，這是由于介質長期加電壓引起介質劣化。絕緣劣化的主要緣由往往是介質內氣隙的局部放電造成的。介質中可長期存在局部放電而并不擊穿。局部放電產生的活性氣體如O3，NO，NO2等對介質將產生氧化和腐蝕作用，此外由于帶電粒子對介質外表的撞擊，也會使介質受到機械的損傷和局部的過熱，導致介質的劣化。高電壓工程根底空氣隙的電容

與氣隙串聯的介質電容絕緣完好局部的電容Cm>>Cg>>Cb

局部放電的等效電路

高電壓工程根底電極間加上瞬時值為u的溝通電壓時，Cg上的電壓瞬時值ug為:氣隙的放電電壓

氣隙的放電熄滅電壓直流作用下局部放電的危害性較小高電壓工程根底真實放電量：視在放電量：不行測量真實放電量與視在放電量關系：單次局部放電的能量：〔Ui為氣泡放電時試品上的電壓〕溝通電壓下每半周至少發生兩次局部放電，所以電壓頻率越高，則單位時間內局部放電次數越多，即局部放電對絕緣的危害越嚴峻。直流電壓下局部放電的狀況不同。當氣隙中場強大于放電起始場強時，雖然也發生局部放電，但由此生成的正、負離子在電場作用下運動到氣隙壁上形成于外施電場相反的空間電場?？臻g電荷電場使氣隙中的合成場強下降，放電可能熄滅。待氣隙中的離子經過氣隙外表的電導相互中和后，氣隙中的場強又提高到放電起始場強，才發生其次次放電。由于氣隙外表的漏導很小，離子的中和需要較長的時間〔常以秒計〕，因此直流電壓作用下局部放電的危害性較溝通時要小。高電壓工程根底提高絕緣局部放電電壓的措施1.盡量消退氣隙或設法減小氣息的尺寸；2.設法提高空穴的擊穿場強，即用液體介質或高電氣強度的壓縮氣體填充空穴。 例如：用于電容器、電纜、互感器及電容套管中的油紙絕緣高電壓工程根底高電壓工程根底5.4組合絕緣的特性組合絕緣中的介電常數和介質損耗高電壓工程根底高電壓工程根底組合絕緣中的電場直流電壓作用下——電壓與電阻成正比，電場與電導率成反比〔與電阻率成正比〕高電壓工程根底溝通電壓作用下溝通電壓作用下——電壓與電容成反比，電場與介電常數成反比分階絕緣在r0<r<r1內在r1<r<r2內高電壓工程根底5.4.1油－屏障絕緣與油紙絕緣的特點

油:主要絕緣介質，由于有很好的冷卻作用。