《高電壓技術》(《HighVoltageTechnology》)

課程編號200620總學時48總學分2.5

《電路理論》、《電

先修課程適合專業(yè)電氣工程及其自動化

力系統(tǒng)分析基礎》

所屬院系部電力系所屬教研室高電壓與電磁兼容

§第一講《電介質(zhì)的極化、電導和損耗特性（1）》

§第二講《電介質(zhì)的極化、電導和損耗特性（2）》

§第三講《氣體放電的物理過程（1）》

§第四講《氣體放電的物理過程（2）》

§第五講《氣隙的擊穿特性（1）》

§第六講《氣隙的擊穿特性（2）》

§第七講《固體電介質(zhì)的擊穿機理和特性》

§第八講《液體電介質(zhì)的擊穿機理和特性》

§第九講《電氣設備絕緣試驗（1）》

§第十講《電氣設備絕緣試驗（2）》

§第十一講《實驗一：電氣設備絕緣電阻和泄漏電流測量》

§第十二講《實驗二：電氣設備絕緣介質(zhì)損耗測量》

§第十三講《實驗三：沖擊高壓放電》

§第十四講《實驗四：液體電介質(zhì)擊穿實驗》

§第十五講《線路中的波過程（1）》

§第十六講《線路中的波過程（2）》

§第十七講《雷電及防雷設備》

§第十八講《輸電線路的防雷保護》

§第十九講《發(fā)電廠和變電所的防雷保護》

§第二十講《電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓概述》

教案執(zhí)筆：王偉

教案審核：

制定日期：2005-9-10

§第上講《電介質(zhì)的極化、電導和損耗特性(1)》

一、教學目標

1.了解電介質(zhì)介電常數(shù)的物理意義；

2.掌握電介質(zhì)極化的基本形式和極化特性；

3.掌握電介質(zhì)極化的等值電路；

4.了解相對介電常數(shù)在工程應用上的意義。

二、教學重點

四種基本極化形式，各自的特點和影響因素。

三、教學難點

溫度和頻率對偶極子極化的影響。

四、教學內(nèi)容和要點

1.電介質(zhì)極化的基本概念

實驗如圖1.1所示。平行平扳電容器放在密閉容Q=Qo<2=<2(,+Q'

e

器內(nèi)：

e

>抽成真空，然后在極板上施加直流電壓a-e-

這時極板上積聚有正、負電荷，其電荷量為e

Qo(圖1.1(a))U

>把一塊固體介質(zhì)(厚度與極間距離相等)放

在極板之間，施加同樣的電壓，就可發(fā)現(xiàn)極圖1.1極化現(xiàn)象

板上的電荷量增加到QO+AQ(圖1.1(b))(a)電極間無介質(zhì)(b)電極間有介質(zhì)

這是由介質(zhì)極化現(xiàn)象造成的：即在外施電場作用］此固體介質(zhì)中原來彼此中和的正、

負電荷產(chǎn)生了位移，形成電矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷，相應地便在極板上另外吸住了

一部分電荷AQ,所以極板上電荷增多，并造成電容量亦增大。

平行平板電容器在真空中的電容量為

=(1-1)

°Ud

式中A----極板面積，cm;

d----極板距離，cm;

向——真空的介電常數(shù)，8.86x10-14F/cm

極板間插入固體介質(zhì)后，電容量增為

「Q@+八。)￡4

~u~U~d(1-2)

式中￡-----介質(zhì)的介電常數(shù)

顯然，C>Co。

定義:

c_(Q+Q)_EA/d_E

0(1-3)

CoQe0A/d￡0

為相對介電常數(shù)。它是充滿介質(zhì)時的幾何電容和真空時的靜電電容的比值。各種氣體的

￡1?均接近于1,而常用的液、固體介質(zhì)的￡r則各不相同，多在2?6之間，且和溫度、電源

頻的不同而各不相同，并和各種極化形式有關。

2.極化的形式

極化的類型很多，基本形式有以下四種:

1）電子式位移極化

任何介質(zhì)都是由原子組成，原子為帶正電荷的原子核和帶負電荷的外層電子

組成，其電荷量相等，且正負電荷作用中心重合，對外不顯電性。而在外電場作

用下，原子外層電子軌軌道對于原子核產(chǎn)生位移，其正、負電荷作用中心不再重

合，對外呈現(xiàn)出一個電偶極子的狀態(tài)，如圖1.2所示。這就是電子式位移極化。

圖2.2電子式極化圖2.3離子式極化

電子式位移極化有以下特點：

>電子式位移極化存在于一切介質(zhì)中;

>形成極化所需時間很短，約10型?在各種頻率下都可能發(fā)生，故與外加

電源頻率無關；

>具有彈性，當外施電壓去掉后，正、負電荷的相互吸引力又可使極化原子恢復到

原有狀態(tài)，因是彈性的，故無能量損耗；

>溫度對電子式極化的影響極小，J隨溫度上升略有降低，但工程上可忽略溫度的

影響。

2）離子式位移極化

固體有機化合物多屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在無外電場

時，正、負離子對稱排列，各離子對的偶極矩互相抵消，故平均偶極矩為零。在

外電場的作用下，正、負離子將發(fā)生相反方向的偏移，使平均偶極矩不再為零，

而形成電矩，對外呈現(xiàn)出電性，如圖2.3所示。

離子式位移極化有如下特點：

>離子式極化與電子式極化一樣，也屬彈性極化，幾乎無損耗；

>極化過程的時間較電子式極化稍長，為IO」2?IQ-13因此，在一般使用的頻率范

圍內(nèi)，與頻率無關。

>溫度對離子式極化的影響，存在著相反的兩種因素：即離子的結(jié)合力隨溫升升高

而降，使極化程度增強；但溫度升高，離子的密度減小，極化程度降低。其中以

第一種因素影響較大，所以其J一般具有正的溫度系數(shù)。

3）偶極子極化

偶極子是正、負電荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正電荷，另一端

呈負電荷，分子本身就是一個永久性的偶極矩。如圖2.4所示。由這種永久性的

偶極子構(gòu)成的介質(zhì)叫極性介質(zhì)。例如蒐麻油、氯化聯(lián)苯、橡膠、膠木、纖維素等

均是常用的極性絕緣材料。單個偶極子雖具有極性，但無電場時，整個介質(zhì)分子

處于不停的熱運動狀態(tài)，宏觀上是正負電荷是平衡的，對外不顯電性。在外電場

的作用下，原來混亂分布的極性分子沿電場方向作定向排列，因而呈現(xiàn)出極性。

圖氯化聯(lián)苯的號與溫度、頻率的關系

圖2.4偶極子極化2.5

（a）無外電場時；（b）有外電場時

偶極子極化的特點：

>偶極子極化是非彈性的，因為極化時極性分子旋轉(zhuǎn)時克服分子間的吸引力而消耗

的電場能量在復原時不可能收回；

>極化所需時間較長，為101°?IO”So因此，極性介質(zhì)的J與電源頻率有較大的關

系，隨頻率的增高而上升，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)向，因而其J減小，如

圖2.5所示，給出了極性液體氯化聯(lián)苯的相對介電常數(shù)￡r,與頻率的關系。圖中fl<

>溫度對極性介質(zhì)的J有很大影響。溫度升高時，分子間聯(lián)系減弱，轉(zhuǎn)向容易，極

化加強；但分子熱運動加劇，妨礙它們有規(guī)律地運動，這又使極化減弱。所以極

性電介質(zhì)的￡r最初隨溫度或高而增加，以后當熱運動變得較強烈時，er又隨溫度

升高而減小。

4）夾層極化

以上是單一介質(zhì)的情況。在高壓設備中常應用多種介質(zhì)絕緣，如電纜、電容

器、電機和變壓器繞組等，兩層介質(zhì)中常夾有油層、膠層等，這時在介質(zhì)的分界

面上產(chǎn)生“夾層極化”現(xiàn)象。這種極化過程特別緩慢，且有能量損耗，屬有損極

化。

圖2.6夾層介質(zhì)界面極化現(xiàn)象

以平板電極間的雙層介質(zhì)為例說明夾層極化，如圖2.6所示。在圖中，每層介質(zhì)的面積

及厚度均相等，外電壓為直流電壓U。：

■在合閘瞬間，兩層之間的電壓U與各層的電容成反比（突然合閘的瞬間相當于很

高頻率的電壓），即

5

(1-4)

■到達穩(wěn)定時，各層電壓與電阻成正比，即與電導成反比，即

4(1-5)

G

如介質(zhì)是單一均勻的，貝呢rl=￡r2,Cl=C2,G1=G2,則

￡1二4(1-6)

%.4

即合閘后，兩層介質(zhì)之間不會產(chǎn)生電壓重新分配過程。

■如介質(zhì)不均勻，即2，C1WC2,G1rG2,則

4

￡1(1-7)

3「°3t=g

合閘后，兩層介質(zhì)之間有一個電壓重新分配的過程。也即Cl、C2上電荷要重新分配。

設C]>C2,Gi<G?：t=0時，；t—>8,Ui'>U2

吸收電荷：在t=0以后，隨時間增大，幼逐漸增大而逐漸下降，也即C2上一群分

電荷要通過G?放掉，而。要從電源再吸收一部分電荷，這一部分電荷稱為吸收電荷。

吸收過程：由于夾層的存在，使得在介質(zhì)分界面上出現(xiàn)吸收電荷，整個介質(zhì)的等值電容

增大，這一過程稱為吸收過程。

夾層極化：吸收過程完畢，極化過程結(jié)束，因而該極化稱為夾層極化。

吸收過程要經(jīng)過G、C2和G/、G2進行，其放電時間常數(shù)為T=（G+C2）/（G/+G2）。由于

電導G的數(shù)值很小，因而時間常數(shù)7很大，極化速度非常緩慢。當介質(zhì)受潮，電導增大，7

將大大降低，極化速度加快。假如外加電壓頻率高，因電荷來不及動作而無此極化。

同樣道理，去掉外加電壓之后，介質(zhì)內(nèi)部電荷釋放也是十分緩慢的。因此，對使用過的

大電容量設備，應將兩極短接充分放電，以免過一定時間后吸收電荷陸續(xù)釋放出來，危及人

身安全。

夾層極化的特點：

>夾層極化是是非彈性的，且有能量損耗的。

>計劃過程很緩慢，它的形成時間從幾十分之一秒到幾分鐘，甚至有長達幾小時。

因此，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時才有意義。

3.電介質(zhì)的介電常數(shù)

1）氣體介質(zhì)的介電常數(shù)

由于密度很小，也即單位體積內(nèi)所含分子的數(shù)目很少，所以不論是非極性氣體

還是極性氣體，其均很小，在工程上可近似地認為其等￡,=1。

2）液體介質(zhì)的介電常數(shù)

可分為非極性、極性與強極性三種。

>非極性（或弱極性）液體的J在1.8?2.5,變壓器油等礦物油屬此類。

>極性液體的在2?6,如邕麻油、氯化聯(lián)苯即屬此類。

>強極性液體的￡,很大（5>10）,如酒精、水等，但這類液體介質(zhì)的

電導也很大，所以不能用做絕緣材料。

3）固體介質(zhì)的的介電常數(shù)

>非極性介質(zhì)：種類很多，聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、石蠟、

石棉、無機玻璃等。介電常數(shù)不大，通常在2.0?2.7范圍。

>極性介質(zhì)：用作高壓設備絕緣材料，如酚醛樹脂、纖維、橡膠、有

機玻璃、聚氯乙烯等，這類電介質(zhì)的相對介電常數(shù)較大，一般為3~6.

還可能更大。

>離子介質(zhì)：如云母、陶瓷等，其J約在5?8左右，還有一些J很大

的固體介質(zhì)，如鈦酸鋼等，￡.1000,不能用做絕緣材料。

一些電介質(zhì)的相對介電常見表1.1?

表1.1幾種電介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導率

相對介電常數(shù)er

材料類別名稱電導率(20℃,Q.?cm-1)

（工頻，20℃）

氣體介質(zhì)

空氣1.00059

（標準大氣條件）

」?

變壓器油2.2105]0-12

弱極性」?

液體介硅有機油類2.8105]0-14

?

質(zhì)菌麻油4.510-1310-12

極性

氯化聯(lián)苯4.6~5.202?10-10

石蠟1.9~2.210-16

中性聚苯乙烯2.4~2.610'18~1017

?

聚四氟乙烯210-1810-17

」?(

松香2.5?2.6106])-15

固體介纖維素6.5IO-14

質(zhì)極性膠木4.510-14-10-13

?

聚氟乙烯3.310-1610-15

瀝青2.6~2.710-16-10-15

云母5?710'16~10-15

離子性

電瓷6-710-15?10-14

4.討論介質(zhì)極化在工程實際中的意義

1.選擇電容器中的絕緣材料時，在相同耐電強度的情況下，要選擇J大的材料,

以使電容器單位容量的體積、重量減??；在其他絕緣結(jié)構(gòu)里，希望材料的￡,要

小些，如電纜，以減少工作時的充電電流，如電機定子繞組出口槽和套管情況,

以提高交流下沿面放電電壓。

2.在使用組合絕緣時，要注意各種材料的￡,的適當配合，否則會降低整體絕緣

的絕緣能力。如圖2.7所示，設有厚度為小、4的兩種材料，其介電常數(shù)分別

為E2,電容量G、C2o當施加交流電壓U后，若略去材料的電導不計，

則有：

圖2.7雙層電介質(zhì)

5=G=￡A(1-8)

U2G

[+。2=U(1-9)

由此可得：

U1=(￡24。)/(￡儲2+*24)(1-10)

U2=(￡[d?U)[(￡\d2+6*2^1)(1—11)

而Ed=E2d2-U

所以4=(￡2&)/(￡1"2+&2"1)(1-12)

E2=(￡]〃2)/(￡儲2+￡2"])(173)

E]_殳

則生￡i(2-14)

由上式可知，雙層串聯(lián)介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電場強度是不相同的，與絕緣材料的介

電常數(shù)成反比，即在介電常數(shù)小的材料中承受較大的電場強度。如果絕緣中存在

氣泡，由于氣體的&是最小的，所以氣泡將承受較大的電場強度，首先在氣泡處

發(fā)生游離，引起局部放電，使整體材料的絕緣能力降低。利用式所示特性，可以

改善電纜中的電場分布。在電纜芯處使用已較大的材料，可減小電纜芯處場強，

電纜中電場分布均勻一些，從而提高整體的耐電強度。

3.材料的介質(zhì)損耗與極化形式有關，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個

重要因數(shù)。

4.在絕緣預防性試驗中，夾層極化現(xiàn)象可用來判斷絕緣受潮情況。在使用電容器

等大電容量設備時，須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅。

五、采用的教學方法和手段

教學方法：《講述法》

教學手段：《投影》

§第_2一講《電介質(zhì)的極化、電導和損耗特性（2）》

一、教學目標

5.了解電介質(zhì)產(chǎn)生電導的機理

6.了解影響電介質(zhì)電導的因素；

7.掌握介質(zhì)損耗的基本概念；

8.了解損耗隨溫度、頻率變化規(guī)律。

二、教學重點

產(chǎn)生電導的機理；介質(zhì)損耗的概念

三、教學難點

介質(zhì)損耗隨溫度、頻率的變化規(guī)律。

四、教學內(nèi)容和要點

5.電介質(zhì)的電導

任何電介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在它們內(nèi)部總有一些聯(lián)系較弱的帶電質(zhì)點

存在。在外電場作用下，這些帶電質(zhì)點作定向運動，形成電流。因而任何電介質(zhì)

都具有電導。介質(zhì)電導是離子電導，比金屬電導小得多。這種電導一般包括兩個

方面：

>介質(zhì)分子中的帶電質(zhì)點在熱運動和電場作用下離解成自由質(zhì)點，沿電場方向作定向

運動而形成電導；

>介質(zhì)中的雜質(zhì)在電場作用下離解成沿電場方向運動而形成的電導。

5）漏導電流和絕緣電阻

如圖2-1,在電介質(zhì)上加上直流

y

f電壓，初始瞬時由于各種極化的存

I-

-在，流過電介質(zhì)的電流很大，之后隨

T三U

,時間而變化。

經(jīng)過一定時間后，極化過程結(jié)束,

_f流過介質(zhì)的電流趨于一定值/

圖2-1測量介質(zhì)中電流的電路圖

漏導電流/：這一穩(wěn)定電流稱為漏導電流。

絕緣電阻亂：

(2-1)

這個電阻值包括了絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻

&+R?

式中Ri——體積絕緣電阻；

&——表面絕緣電阻。

介質(zhì)的絕緣電阻或介質(zhì)電導決定了介質(zhì)中的泄漏電流。泄漏電流大，將引起介質(zhì)發(fā)熱，

加快絕緣介質(zhì)的老化。因此，一般所指泄漏電流是流過介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，相應的絕緣電

阻是體積絕緣電阻，以此來反映介質(zhì)內(nèi)部的情況，由于表面電阻受外界的影響很大，因此在

工程上測量絕緣電阻時，應在測量回路中加以輔助電極，使表面泄漏電流不通過測量表。以

后如不加以特殊說明，絕緣電阻均指體積絕緣電阻。

介質(zhì)電導的大小與帶電質(zhì)點的密度、速度、電荷量、外施電場和溫度有關。溫度越高,

參與漏導的離子越多，即電導電流越大。因此，介質(zhì)電阻具有負的溫度系數(shù)，與金屬電阻相

反。當介質(zhì)中出現(xiàn)自由電子構(gòu)成的電子電流時，表明介質(zhì)即將擊穿或已擊穿，此時介質(zhì)不能

再作絕緣體，這時絕緣電阻值將急劇下降。

電介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度上升而增大，近似于指數(shù)關系：

a

Rit=Roe(2-3)

式中區(qū)——溫度為0℃的絕緣電阻；

島一一溫度為t℃的絕緣電阻；

a——溫度系數(shù)，根據(jù)不同的設備、材料和結(jié)構(gòu)的試驗來確定。

6)電介質(zhì)的電導電流

圖2-1的測試回路，通過電介質(zhì)的電流隨時間的變化情況如圖2-2所示，

?u

圖2-2介質(zhì)中的電流與時間的關系圖2-3電介質(zhì)等值電路

電流由3部分組成：

>%為純電容電流分量，由電極間幾何電容Co以及介質(zhì)中的無損極化決定，故又稱

為幾何電流，其存在時間很短，很快衰減到零;

>ip由介質(zhì)的有損極化過程（空間電荷極化等緩慢極化）所決定，又稱吸收電流。其

存在時間較長，可達數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘，它與時間軸的所夾面積即為吸收電荷；

>igk趨向穩(wěn)定值的電流，是漏導電流，又稱為泄漏電流，不隨時間而變，與絕緣電

阻相對應，服從歐姆定律。

流過介質(zhì)的總電流為：

i=ig+ip+ilk（2-4）

據(jù)此可畫出介質(zhì)等值電路如圖2-3所示。其中：

>Cg為純電容支路，代表介質(zhì)的幾何電容及無損極化過程，流過的電流％;

>Cp-弓代表有損極化電流支路，流過電流";

>氏氏代表電導電流支路，流過的電流為浪。

7）工程介質(zhì)電導的性質(zhì)

■氣體介質(zhì)電導

氣體電導主要是電子電導

在工程中使用得最多的是空氣，其帶電質(zhì)點來源主要有兩方面：

i.一是外界紫外線、宇宙射線等照射，產(chǎn)生游離，離子濃度約

為500-1000對/cm3；

ii.二是在強電場作用下，氣體中電子的碰撞游離?？諝庵须娏?/p>

和電壓的關系如圖2-4所示。

圖2-4空氣中電流和電壓的關系

I區(qū)：當電場強度很小（E<Ei）,外電離因素產(chǎn)生的離子克服與氣體分子碰撞的

阻力而移動，遷移率接近常數(shù)，電流密度與電場強度成正比；

II區(qū)：電場強度進一步增大，外界因數(shù)所造成的離子接近全部趨向電極時，電

流密度即趨于飽和；

在該兩區(qū)內(nèi)氣體的電導是極微小的。標準狀態(tài)下的空氣說，Ei=5xlO-3V/cm和

E2?104V/cm.o

川區(qū)：場強超過瓦位時，氣體介質(zhì)中將發(fā)生撞擊游腐，從而使電流密度迅速增

大，最后使氣隙擊穿。

當外加電壓小于擊穿場強時，空氣的電導率很小的，為10-15~10小（c-1.cm"）,

故是良好的絕緣體。

■液體介質(zhì)電導

液體介質(zhì)中形成電導電流的帶電質(zhì)點主要有兩種：

i.一是構(gòu)成液體的基本分子或雜質(zhì)離解而成帶電質(zhì)點，構(gòu)成離

子電導；

ii.二是由于相當大的帶有電荷的膠體質(zhì)點構(gòu)成電泳電導。

中性和弱極性液體，在純凈時，電導很小，而當含有雜質(zhì)和水分時，其電導顯著

增加，絕緣性能下降，其電導主要由雜質(zhì)離子構(gòu)成。

極性和強極性液體介質(zhì)，其分解作用很強，離子數(shù)多，電導很大；一般情況下，

不能作絕緣材料。

液體的分子結(jié)構(gòu)、極性強弱，、純凈程度、介質(zhì)溫度等對電導影響很大，各種液

體電介質(zhì)的電導可能相差懸殊，工程上常用的變壓器油、漆和樹脂等都屬于弱極性。教

材中的表1-3-1中同時列出了常用的幾種介質(zhì)的電導率。

■固體介質(zhì)電導

固體介質(zhì)電導分為：

i.離子電導離子電導很大程度取決于介質(zhì)中所含雜質(zhì)，特別

是對中性及弱極性介質(zhì)，雜質(zhì)離子起主要作用。

ii.電子電導當電場很高時，由于碰撞游離和陰極電子發(fā)射，

電子電導急增，預示絕緣接近擊穿。

表面電導：固體介質(zhì)的表面在干燥、清潔時，其電導很小，故其表面電導主要是由

于附著于介質(zhì)表面吸附一些水分、塵埃或?qū)щ娦缘幕瘜W沉淀物而引起

的，其中水分起著特別重要的作用。與介質(zhì)本身性質(zhì)有關：

iii.僧水性介質(zhì)對中性和弱極性介質(zhì)（如石蠟、聚苯乙烯、硅有機物等）,

水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很小，水分不易在介質(zhì)表面形成連續(xù)

水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面電阻較高，電導較小；

iv.親水性介質(zhì)極性介質(zhì)（如云母、玻璃等）及離子性介質(zhì)，水分子與

固體介質(zhì)分子的附著力很強，在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，表面電導較

大，且與濕度有關。多孔性介質(zhì)，其表面、體積電阻均小，如纖維材

料就屬于這類。采取使介質(zhì)表面洗凈、光潔、烘干、或表面涂以石蠟、

絕緣漆、有機硅等措施，可以降低介質(zhì)表面電導。

8）討論電介質(zhì)電導的意義

■在絕緣預防性試驗中，以絕緣電阻值判斷絕緣是否受潮或有其他劣化現(xiàn)象。

如前所述，一般電介質(zhì)都可以用圖2-3所示的等效電路來代表。圖中，串聯(lián)支路

仆?Cp代表電介質(zhì)的吸收特性。

如絕緣良好，則Rik和品的值都比較大，這就不僅使穩(wěn)定的絕緣電阻值（就是

R/*的值）較高，而且要經(jīng)過校長的時間才能達到此穩(wěn)定值（因中間串聯(lián)支路的時間常

數(shù)較大）。

如絕緣受湘，或存在穿透性的導電通道，則不僅最后穩(wěn)定的絕緣電阻值Rk很低,

而且還會很快達到穩(wěn)定值。

因此，可以用絕緣電阻隨時間變化的關系（如圖2-5所示）來反映絕

緣的狀況。.通常用加壓60s測量的絕緣電阻與加壓15s測量的絕緣電阻的

比值（稱為吸收比）可以有效地判斷絕緣的好壞，即

(2-5)

1

000

900

.藐

700

600

&50Q

400圖2-5某變壓器的絕緣電阻與時間關系曲線

S30C

520C

10C1一受潮時；2一經(jīng)干燥后

45X

30/

如良好、干燥的絕緣，吸收電流較大（65,較?。?，K值較大（應大于某一定值）;

受潮或有缺陷的絕緣，吸收比較小。

■多層介質(zhì)在直流電壓下，電壓分布與電導成反比，故設計用于直流的設備要注意

所用介質(zhì)的電導，應使材料使用合理。

■設計時要考慮絕緣的使用環(huán)境，特別是濕度的影響。有時需要作表面防潮處理，

如在膠布（或紙）筒外表面刷環(huán)氧漆，絕緣子表面涂硅有機物或地蠟等。

■不是所有的情況下均要求絕緣電阻值高，有些情況下要設法減小絕緣電阻值。如

在高壓套管法蘭附近涂半導體釉，高壓電機定子繞組出槽口部分涂半導體釉等，

都是為了改善電壓分布，消除電暈。

6.電介質(zhì)的損耗

1）電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角正切

介質(zhì)在電壓作用下有能量損耗：

>電導引起的損耗在直流電壓下，由于無周期性極化過程，因此，當外

施電壓低于發(fā)生局部放電電壓時，介質(zhì)中損耗仍由電導引起，此時用絕

緣電阻這一物理量就足以表達，

>有損極化引起的損耗而在交流電壓下，除了電導損耗外，還由于存在

周期性極化引起的能量損耗，因此，引入介質(zhì)損耗這一新的物理量來表

示。定義為：在交流電壓下，介質(zhì)的有功功率損耗為介質(zhì)損耗。

圖2-6介質(zhì)在交流電壓作用時的電流相量圖及功率三角形

（a）接線圖；（b）相量圖；（c）功率三角形

圖2-6所示電路中，在介質(zhì)兩端施加交流電壓U,由于介質(zhì)中有損耗，電流/不是純電

容電流，可分為兩個分量：

i=i,+ic(2-6)

式中/,—有功電流分量；

ic—無功電流分量。

電源提供的視在功率為：

S=P+jQ=UIr+jUIc(2-7)

由圖2-6(c)所示的功率三角形可見，介質(zhì)損耗為：

P=Qtg3=U2a)Ctg8(2-8)

用介質(zhì)損耗P來表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的尸值與試驗電壓的平方和電源頻率成

正比，與試品尺寸、放置位置有關，不同試品之間難以進行比較。

對同類試品可直接用tgb來代替P值，對絕緣的優(yōu)劣進行判斷當外加電壓和頻率一

定時，產(chǎn)與介質(zhì)的物理電容C成正比，對一定結(jié)構(gòu)的試品而言，電容C是定值，尸與tg6成

正比。

定義6為介質(zhì)損失角是功率因數(shù)角(P的余角。介質(zhì)損失角正切值tg5,如同￡r一樣,

仍取決于材料的特性，而與材料尺寸無關，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)。

2)有損介質(zhì)的并聯(lián)、串聯(lián)等值電路

可以用一個無損耗的理想電容和一個有效電阻并聯(lián)或串聯(lián)來表示，如圖2-7所示。

(a)并聯(lián)等值電路

(b)串聯(lián)等值電路

圖2-7有損介質(zhì)的等值電路和相量圖

從圖（a）中可得:

U/R_1

tg^=—=(2-9)

1cUa)CPG)CPR

P工=U2coCptg3(2-10)

R

從圖（b）中可得：

Ir-

tg^=--=----------------=(2-11)

4IIcoCs

U2r_U202c._u2coCtg3

P—12—s(2-12)

222

r+(1/coCsr)1+{coCsr)1+吆茬

但所述等值電路只有計算上的意義，不能確切地反映介質(zhì)的物理過程。如果損耗主要是

由電導起的，常使用并聯(lián)等值電路，如果損耗主要是由介質(zhì)極化及連接導線引起的，則常應

用串聯(lián)等值電路。但要注意其中參數(shù)不同，由式（2-10）和式（2-12）可得：

g(2-26)

1+取茬

因此，在測量tgb時設備的電容量計算公式與采用哪一種等值電路有關。但由于絕緣的

tgN一般很小，l+tg2b=l,故Cp=Cs，此時，并、串聯(lián)等值電路的介質(zhì)損耗表達式可用同一

公式表示：P=t/2aCtgJo

實際上電導損耗和極化都是存在的，介質(zhì)的等值電路應用圖2-6中所示，用三支路并聯(lián)

等值電路來等值。

3）工程介質(zhì)介質(zhì)損耗的性質(zhì)

■氣體電介質(zhì)中的損耗

氣體電介質(zhì)的極化率是極小的。

氣體中的fgb與電壓的關系

＞電場強度小于使氣體分子游離所需的值時，

氣體介質(zhì)的電導也是極小的。此時氣體介質(zhì)

中的損耗也將是極?。╰gJ＜10-8）,工程中可

以略去不計。所以常用氣體（如空氣，N2；

C02,SF6等）作為標準電容器的介質(zhì)。

＞外施電壓U超過起始放電電壓Uo時，將圖2-8氣體中的tg5與電壓的關系

發(fā)生局部放電，損耗急劇增加，如圖2-8所示，這種現(xiàn)象在高壓輸電線

上表現(xiàn)得極為突出，稱為電暈放電。

在固體介質(zhì)中含有氣泡時，氣泡在高壓下會發(fā)生游離，并使固體介質(zhì)逐漸劣

化。所以常用浸油、充膠等措施來消除固體介質(zhì)中的氣泡。對于固體介質(zhì)與金屬

電極接觸處的空氣隙，則經(jīng)常用適中的方法，使氣隙內(nèi)場強為零。如35kV瓷套

內(nèi)壁上涂半導體釉。通過彈性銅片與導電桿相連；高壓電機定子線圈槽內(nèi)絕緣外

包半導體層后，再嵌入槽內(nèi)等。

■液體電介質(zhì)中的損耗

＞中性液體固體電介質(zhì)中的極化主要是電子位移極化和離子位移極化。它們是

無損的或幾乎是無損的。這類介質(zhì)中的損耗便主要漏導決定。介質(zhì)損耗與溫

度、電場強度等因素的關系也就決定于電導與這些因素之間的關系，一般如

圖2-9和圖2-10所示。

圖2-9中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg8圖2-10中性液體或中性固體電介質(zhì)的tgS

與溫度的關系示意圖與電場的關系示意圖

＞極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導式損耗和電偶式損托兩部分。它與溫

度、頻率等因素有較復雜的關系。

a=314

104

圖2-11松香油的tg5與溫度的關系圖2-12極性電介質(zhì)中的損耗與頻率的關系

圖2-11表示松香油的tg3與溫度的關系。

溫度較低時，松香油的粘度大，偶極子的轉(zhuǎn)向校難，tgj故較??；溫度較高

時，松香油的粘度減小，偶極子的轉(zhuǎn)向較易，故tgS增大；溫度再高時，松香

油的粘度更小，偶極子的轉(zhuǎn)向很易，但偶極子回轉(zhuǎn)時的摩擦損耗卻減小很多，故

tgS反而減小了；溫度更高時，雖然由于粘度小，使偶極子回轉(zhuǎn)時的摩擦損耗減

小，但電導隨溫度的增加而迅速增加，使電導式損耗迅速增大，總的損耗及tgS

也都迅速增大。

圖2-12表示極性液體介質(zhì)中的損耗與頻率的關系。

頻率很低時，介質(zhì)中的損耗主要由電導造成的，偶極式損耗很少，故總的損

耗功率小，但因頻率很低，電容電流很小，故tgS卻比較大。電源頻率增高時，

偶極子回轉(zhuǎn)煩率和偶極損耗功率也隨之增高；與此同時，隨著頻率的升高，偶極

式極化不充分，使介電常數(shù)減小，電容電流不能與頻率成正比例增長。以上兩種

因素的結(jié)合使得在某頻率范圍tgS隨頻率而增長。當頻率更高時，偶極子的回

轉(zhuǎn)已完全跟不上電源頻率，損耗功率遂趨于恒定，介電常數(shù)也達到較低的穩(wěn)定值，

電容電流則與頻率成正比例增加，tgS近乎與頻率成反比地減小。

■固體電介質(zhì)中的損耗

固體介質(zhì)的情況比較復雜。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可分為分子式結(jié)構(gòu)、離子式結(jié)構(gòu)、不均勻結(jié)構(gòu)

和強極性介質(zhì)4類。強極性介質(zhì)在高壓設備中一般不采用。

＞分子式結(jié)構(gòu)中有中性和極性兩種。

中性介質(zhì)如石蠟、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等，其損耗主要由電

導引起，通常很小，在高頻下也可使用。

極性介質(zhì)如纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機材料（聚氯乙

烯、有機玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等），此類介質(zhì)的tgS與溫度、頻率的關

系與極性液體相似，tg3值較大，高頻下更為嚴重。

＞離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，其tgB與結(jié)構(gòu)特性有關。

結(jié)構(gòu)緊密的不含雜質(zhì)的離子晶體,如云母，其tgb主要是由電導引起,tgb極

小，且云母的電氣強度高，耐熱性能好，耐局部放電性能也好，故云母是

優(yōu)良的絕緣材料，在高頻下也可使用。

結(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu)，如玻璃、陶瓷，有極化損耗，故介質(zhì)的tg3較大，，

但隨成分和結(jié)構(gòu)的不同，tgS相差懸殊。

＞不均勻結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，在工程上常常遇到，如電機絕緣中使用的云母制品和廣

泛使用的油浸紙、膠紙絕緣等，其損耗取決于各成分的性能和數(shù)量間比例。

不均勻介質(zhì)損耗是很復雜的，但它又具有很大的現(xiàn)實意義。目前尚無完整的、

系統(tǒng)的理論來說明各種復雜的物理過程。但夾層極化這類有損極化是產(chǎn)生損

耗的重要原因。一般這種損耗較大，是占整體損耗的主要部分。

4）討論介質(zhì)損耗的意義

■設計絕緣結(jié)構(gòu)時，應注意到絕緣材料的tg3值。若tgS過大會引起嚴重發(fā)熱，

使材料劣化，甚至可能導致熱擊穿。

■用于沖擊測量的連接電纜，其tgS必須要小，否則沖擊電壓波在其中傳播時將

發(fā)生畸變，影響測量精度。

■在絕緣試驗中，tgb的測量是一項基本測試項目。當絕緣受潮劣化或含有雜質(zhì)時,

tgb將顯著增加，絕緣內(nèi)部是否存在局部放電，可通過測tgN?U的關系曲線加

以判斷。

■用做絕緣材料的介質(zhì)，希望tgb小。在其他場合，可利用tgb引起的介質(zhì)發(fā)熱,

如電瓷泥坯的陰干需較長時間，在泥坯上加適當?shù)慕涣麟妷?，則可利用介質(zhì)損

耗發(fā)熱，加速干燥過程。

用復合膠浸漬的電容器紙的電在與溫度的關系

五、采用的教學方法和手段

教學方法：《講述法》

教學手段：《投影》

§第3、4講《氣體放電的物理過程》

一、教學目標

9.掌握氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生中四種電離形式的機理和帶電質(zhì)點消失的機理。

10.掌握湯遜德理論的要點和適用范圍；

11.掌握流注理論的要點和適用范圍；

12.掌握不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應原理；

13.掌握長間隙擊穿過程中的先導放電機理；

14.了解電暈放電機理；

15.了解雷電放電機理。

二、教學重點

四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機理；湯遜德理論和流

注理論的要點和各自的適用范圍；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應原理四種基本

極化形式，各自的特點和影響因素。

三、教學難點

電離和氣體放電機理全是微觀電子運動產(chǎn)生的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的教學方法很難表達清楚；不

均勻電場氣隙擊穿中的極性效應主要是空間電荷畸變電場的作用，比較抽象，很難理解

溫度和頻率對偶極子極化的影響。

四、教學內(nèi)容和要點

7.四種電離形式的機理

(1)碰撞電離

當電子從電場獲得的動能等于或大于氣體分子的電離能時，就有可能因碰撞而

使氣體分子分裂為電子和正離子，即電子