液体和固体介质的电气特性1

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1、高电压技术电气与电子工程学院吴文辉5液体和固体介质的电气特性5.1电介质的极化、电导与损耗5.2液体介质的击穿5.3固体介质的击穿5.4组合绝缘的特性5.5绝缘的老化5.1电介质的极化、电导与损耗5.1.1电介质的极化1.介电常数、相对介电常数平行平板电容器在真空中的电容量为当极板间插入固体介质后，电容量为式中A－极板面积，cm2；d－极间距离，cm；ε－介质的介电常数ε0－真空的介电常数，ε0=8.86×10-14F/cm定义为介质的相对介电常数。2.极化概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，

2、因而使电容量增大。分类：电子式极化离子式极化偶极子极化界面极化无损极化有损极化（1）电子式极化存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s；具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。（2）离子式极化弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10-13s；温度对此极化存在一定影响，εr一般具有正的温度系数。（3）偶极子极化转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s～10-2s；εr在低温下先随温度的升高而增加，以后当热运动变得强烈时，εr又随温度上升而减小。材料类别名称εr（工频，20℃）气体介质空气（大气压）1.00059液体介质弱极性变压器油硅有机液体2.2~2.

3、52.2~2.8极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚乙烯2.0～2.52.25～2.35极性聚氯乙烯3.2～4离子性云母电瓷5～75.5～6.55.1.2电介质的电导电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导率γ，在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关系：式中A－常数，与介质性质有关；T－热力学温度，单位为K；ф－电导活化能；k－波尔兹曼常数。1.体积电阻体积电阻率为：体积电导率为：其中，d（cm）为电介质厚度，S（cm2）为电极表面积。体积电阻的测量电路2.表面电阻表面电阻率为：表面电导率

4、为：其中，d（cm）为电介质厚度，l（cm）为电极长度。表面电阻的测量电路5.1.3电介质的能量损耗电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。介质损耗为：P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来判断介质的品质。对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示。有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等值电路。R反映电导损耗C0反映电子式和离子式极化C′，r支路反映吸收电流（1

5、）气体介质的损耗当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ<10-8）。但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加，如图所示。（2）液体介质的损耗中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。电导损耗占主要部分，tanδ重新随温度上升而增加T升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，极化损耗增加分子热运动加快，极化强度减弱，极化损耗减小（3）固体介质的损耗分子式结构介质：中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等

6、；极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等，离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等；不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等；强极性电介质：在高压设备中极少使用。5.2液体介质的击穿纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm）工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在标准试油杯中所得数据）原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或

7、杂质等引起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”，引起击穿，即“小桥理论”。绝缘外壳黄铜电极标准试油杯（图中尺寸均为mm）油间隙距离2.5mm（1）杂质的影响水分：极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。标准油杯中变压器油的工频击穿电压Ub和含水量W的关系W为1×10-4时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大5.2.1影响液体介质击穿的因素（2）温度的影响干燥的油受潮的油标准油杯中变压器油工频击穿电压