高電壓重難點

《高電壓技術》第2章液體和固體介質的電氣特性1第2章液體和固體介質的電氣特性2.1液體和固體介質的極化、電導和損耗2.2液體介質的擊穿2.3固體介質的擊穿2.4電介質的老化22.1液體和固體介質的極化、電導和損耗一、電介質的極化二、電介質的電導三、電介質的損耗高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性3高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性一、電介質的極化1.極化的概念

概念：極化—電介質在電場作用下，由不顯電性到顯電性的過程。實質是其束縛電荷相應于電場方向產(chǎn)生的彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。電介質極化的強弱可用介電常數(shù)的大小來表示。4極化：在外施電壓下介質中原來彼此中和的正負電荷產(chǎn)生了相對位移，形成電矩，使介質表面出現(xiàn)了束縛電荷?，F(xiàn)象：電容增大表征參數(shù)：相對介電常數(shù)高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性52.介電常數(shù)、相對介電常數(shù)平行平板電容器在真空中的電容量為當極板間插入固體介質后，電容量為式中A－極板面積，cm2；d－極間距離，cm；ε－介質的介電常數(shù)

ε0－真空的介電常數(shù)，ε0=8.86×10-14F/cm定義為介質的相對介電常數(shù)。

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性6高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性73.極化的分類

極化電子式極化離子式極化偶極子極化夾層極化無損極化有損極化高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性8電介質的極化種類（1）電子式極化物質原子中的電子軌道受到外電場E作用時，它將相對于原子核發(fā)生位移而形成極化。特點：

a)存在于一切氣體、液體及固體介質中；b)極化所需時間短，約10-15s，故εr不隨頻率變化；

c)具有彈性，故沒有損耗；

d)溫度對極化影響小。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性9（2）離子式極化外電場作用下，正、負離子發(fā)生偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈現(xiàn)極性。特點：a)極化時間短，約10-13s；b)彈性極化，幾乎沒有損耗；c)在一般的使用頻率內(nèi)，可以認為εr

與頻率無關；d)溫度對離子式極化的影響，存在著相反的兩種因素。

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性10（3）偶極子極化偶極子—大小相等、符號相反，彼此相距為d的兩電荷（+q、-q）所組成的系統(tǒng)。偶極子的極性、大小和方向常用偶極矩來表示。偶極矩的方向由負電荷指向正電荷，其大小為每個電荷的電量乘以正、負電荷間的距離。

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性11外電場作用下，偶極子受到電場力的作用而發(fā)生轉向，順電場方向作有規(guī)則的排列，對外呈現(xiàn)出極性。這種由于極性電介質偶極子分子的轉向所形成的極化稱偶極子極化。特點：

a)極化時間長，約10（-10）s~10（-2）s

，εr與頻率有關系；b)非彈性，消耗能量；c)溫度影響大。12（4）夾層極化---高電壓設備的絕緣往往由幾種不同材料組成或介質是不均勻的。----平行板電極間的雙層介質為例。t=0，合閘瞬間：電壓分配與各層的電容成反比，達到穩(wěn)態(tài):

各層上電壓分配與電導成反比，若為單一介質，即若介質不均勻，即所以合閘以后，兩層介質之間有一個電壓重新分配的過程，也就是說，C1

、C2上的電荷要重新分配。

特點：a)時間緩慢，10-1s~數(shù)小時，只有電源在工頻或低頻時才有可能。b)有能量損耗。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性134、討論介質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εr較大的材料。在絕緣結構里，希望εr小些。2)注意各種材料εr

的配合，串聯(lián)介質中場強E的分布與εr

成反比；3)材料的介質損耗與極化形式有關，而介質損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個重要因素。4)在絕緣預防性實驗中，夾層極化現(xiàn)象可用來判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等電容量很大的設備時，必須特別注意吸收電荷可能對人身安全造成的威脅。14二、電介質的電導高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性介質在電場作用下,使其內(nèi)部聯(lián)系較弱的帶電粒子作有規(guī)律的運動形成電流,即泄漏電流.這種物理現(xiàn)象稱為電導。表征電導過程強弱程度的物理量為電導率γ，或它的倒數(shù)電阻率ρ。電介質中少量帶電粒子主要是離子；（若出現(xiàn)了可觀的電子電導電流，則意味著該介質已被擊穿）。

金屬導體的電導性質為電子式電導，帶電粒子為金屬中的大量自由電子。15離子電導可分為本征離子電導和雜質離子電導。本征離子是指由組成介質本身的基本分子分解而產(chǎn)生的離子。雜質離子是指由外來雜質分子或介質的基本分子老化的產(chǎn)物離解而生成的離子。本征離子電導(極性電介質)雜質離子電導(中性或弱極性電介質)高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性16電導將隨溫度的上升而急劇增大液體與固體電介質的電導率γ與溫度有下述關系：式中

A－常數(shù)，與介質性質有關；T－熱力學溫度，單位為K；ф－電導活化能；k－波爾茲曼常數(shù)。

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性固體介質的電導：體電導和表面電導17討論電介質電導的意義（1）在絕緣預防性試驗中，一般要測量絕緣電阻和泄漏電流，以判斷絕緣是否受潮或其他劣化現(xiàn)象；（2）串聯(lián)多層介質在直流電壓下穩(wěn)態(tài)分布和各層電導成反比，所以設計用于直流設備時，要注意所用介質的電導率，盡量使材料得到合理使用；（3）設計絕緣結構時要考慮環(huán)境條件，特別是濕度的影響；（4）對某些能量較小的電源，如靜電發(fā)生器等，要注意減小絕緣材料的表面泄漏電流以保證得到高電壓；（5）并不是所有情況下都希望絕緣電阻高，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上半導體釉，高壓電機定子繞組出槽口部分涂半導體漆等，都是為了改善電壓分布，以消除電暈。18(一)電介質損耗的基本概念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。在直流電壓下，由于介質中無周期性的極化過程，當外施電壓低于局部放電電壓時，僅有電導損耗，這時用電導率已能表達，不需要引入介質損耗這個概念。在交流電壓下，要引入一個新的物理量：介質損失角。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性三、電介質的損耗19介質損耗為：介質損耗角δ為功率因數(shù)角φ的余角，其正切tgδ又稱為介質損耗因數(shù)，常用百分數(shù)(％)來表示。P值和試驗電壓、試品電容量等因素有關，不同試品間難于互相比較，所以改用介質損失角的正切tanδ來判斷介質的品質，與電壓的因素無關。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性介質在交流電壓下的等值電路和相量圖

20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(lián)支路的等值回路來表示。

R反映電導損耗

C0反映電子式和離子式極化C′，r支路反映吸收電流高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性無損極化(電子式和離子式極化)有損極化21(二)氣體、液體和固體介質的損耗高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性1、氣體電介質的損耗2、液體電介質的損耗3、固體電介質的損耗22（1）氣體介質的損耗當電場強度不足以產(chǎn)生碰撞電離時，氣體中的損耗是由電導引起的，損耗極?。╰anδ<10-8）。

但當外施電壓U超過電暈起始電壓U0時，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加。

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性23高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性當ω較小時，偶極子的轉向能跟上電場的交變，極化的充分，ε也最大。但此時轉向次數(shù)不多，因而極化損耗很小，tgδ也小，以電導損耗為主。如ω減至很小時，tgδ反而又稍有增大，這是因為電容電流減小的結果。隨著ω的增大，轉向極化逐漸跟不上電場的交變，ε開始下降，但由于轉向頻率增大使極化損耗增加，tgδ增大。一旦ω大到偶極子完全來不及轉向時，ε值變得最小而趨于某一定值，tgδ也變得很小，因為這時只存在電子式極化了。在這樣的變化過程中，一定有一個tgδ的極大值，其對應的角頻率為ω0。24（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體：電導和極化損耗較大，而且和溫度、頻率都有關系。

電導損耗占主要部分，tanδ重新隨溫度上升而增加

T升高，液體粘度減小，偶極子極化增強，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

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性25（3）固體介質的損耗分子式結構介質：中性：主要電導損耗，損耗極小，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似，如紙、纖維板和聚氯乙烯、有機玻璃、酚醛樹脂等，離子式結構介質：主要電導損耗，損耗極小，如云母等；不均勻結構介質：損耗取決于其中各成分的性能和數(shù)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。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性26討論介質損耗的意義（1）絕緣結構設計時，必須注意到材料的tanδ；（2）用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的tanδ必須很小，否則沖擊波在電纜中傳播時波形將發(fā)生嚴重畸變，影響測量精確度；（3）絕緣預防性試驗中，測tanδ可判斷絕緣是否受潮、劣化，是否產(chǎn)生局部放電。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性27一、純凈液體介質的擊穿理論二、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點三、影響變壓器油擊穿電壓的因素四、提高變壓器油擊穿電壓的方法2.2液體介質的擊穿高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性28純凈的液體介質：擊穿過程與氣體擊穿的過程很相似，但其擊穿場強高（很小的均勻場間隙中可達到1MV/cm）（1）電擊穿理論電子碰撞電離理論：與氣體放電的湯森德理論相似。但液體密度大，電子的平均自由行程小，積累能量困難，故純凈液體介質的擊穿場強比氣體介質高得多。一、純凈液體介質的擊穿理論高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性29（2）氣泡擊穿理論外施電場較高時，液體介質內(nèi)可能由各種原因產(chǎn)生氣泡，而氣泡的發(fā)展和氣泡內(nèi)的放電導致液體介質擊穿。交流電壓下，串聯(lián)介質中電場分布與介質εr成反比。氣泡εr

=1，小氣泡先電離，帶電粒子撞擊油分子，使油分解成氣體，導致氣體通道擴大，電離的氣泡在電場中形成氣體“橋”，擊穿在氣泡橋通道中發(fā)生。即“小橋理論”。30工程用的變壓器油：礦物油，淡黃色的透明液體。工程變壓器油是指混入少量雜質的油：氣泡、水分、纖維（例如紙屑或布條等纖維）。一般在2.5mm的標準油杯中的擊穿電壓約在20～60kV之間，相應的擊穿場強應為80～240kV／cm，這要比空氣的擊穿場強30kV／cm高得多。工程變壓器油擊穿都是“小橋理論”。二、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性31

工程變壓器油的擊穿過程：油中混入雜質后，由于雜質的εγ很大，很容易沿電場方向極化定向，并排列成雜質小橋，這時會發(fā)生兩種情況：(1)如果雜質較少，小橋尚未接通電極，則纖維等雜質與油串聯(lián)，由于纖維的εγ大，使其端部油中電場強度顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，出現(xiàn)氣泡，氣泡擴大，電離增強，這樣下去必然會出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。(2)如果雜質較多，小橋接通兩側電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發(fā)熱會促使水分汽化或油汽化，產(chǎn)生氣泡，氣泡擴大，發(fā)展下去也會出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。32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高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性33（1）水分及其它雜質的影響水分：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(tài)的水分。

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

含水量W為1×10-4（0.01%)時已使油的擊穿強度降得很低。含水量再增大時，影響變化不大

三、影響變壓器油擊穿電壓的因素高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性34

當油中還含有其他固體雜質時，擊穿電壓的下降程度隨雜質的種類和數(shù)量而異。纖維的含量即使很少，也對擊穿電壓有很大的影響，這是因為纖維是極性介質并且易吸潮，很易沿電場方向極化定向而排列成小橋，引起油的汽化，出現(xiàn)氣泡，導致油擊穿。但從油中分解出來的碳粒卻對油的擊穿電壓影響不大。35（2）溫度的影響干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

干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）溫度再升高，Ub下降（水分汽化）；低于0℃，Ub提高（水滴凍結成冰粒）

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性36均勻電場中油（T=90℃）的沖擊擊穿場強與油體積的關系

規(guī)律：油的擊穿強度隨油體積的增加而明顯下降。原因：間隙中缺陷(即雜質)出現(xiàn)的概率隨油體積的增加而增大。不能將實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

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性（3）油體積的影響37（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。-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

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性均勻電場比非均勻電場高！38四、提高變壓器油擊穿電壓的方法（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(tài)雜質除去，油中大部分水分和有機酸等也會被濾紙所吸附。

（2）防潮

絕緣件在浸油前必須烘干，必要時可用真空干燥法去除水分。

（3）祛氣

將油加熱，噴成霧狀，并抽真空，可以達到去除油中水分和氣體的目的。

（4）用固體介質減小油中雜質的影響

常用措施為覆蓋層、絕緣層和屏障：

高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性39

(1)覆蓋層在稍不均勻電場中，曲率半徑較小的電極上覆蓋以電纜紙或黃蠟布等薄的絕緣材料，隔斷了雜質“小橋”，可使工頻擊穿電壓顯著提高。

(2)絕緣層在極不均勻電場中，曲率半徑小的電極上包以較厚的固體絕緣層，它的作用是改善兩極間的電場分布，同時也起到隔斷“小橋”的作用，提高擊穿電壓的效果非常顯著。

(3)極間障又稱屏障，是放在油隙中的固定絕緣板，極間障的作用主要有兩個方面：一方面阻隔雜質“小橋”的形成。另一方面，在不均勻電場中，使極間障另一側油隙的電場變得比較均勻。在沖擊電壓作用下，油中雜質來不及形成小橋，極間障也就幾乎不起什么作用了。402.3固體介質的擊穿高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性2.3.1電擊穿2.3.2熱擊穿2.3.3電化學擊穿2.3.4影響固體介質擊穿電壓的主要因素41固體介質的擊穿曲線

下圖是固體介質的擊穿電壓與作用的時間的關系曲線。固有擊穿強度比液體和氣體介質高高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性42A:電擊穿區(qū)B：熱擊穿區(qū)下圖是交變電壓下電瓷的擊穿電壓與溫度的關系曲線432.3.1電擊穿

在高電壓強電場作用下，破壞了介質的結構出現(xiàn)擊穿。過程與氣體相似，碰撞電離形成電子崩，當電子崩足夠強時破壞介質晶格結構導致?lián)舸?/p>

特點：

(1)擊穿場強高，一般約為106～107KV／cm。

(2)擊穿電壓與環(huán)境溫度無關。

(3)電壓作用時間越短，擊穿電壓越高。

(4)電場的均勻度對擊穿電壓有顯著影響。均勻電場高壓非均勻電場。（5）

擊穿取決于所加電壓的最大值。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性44固體介質是非自恢復介質，運行過程中存在積累效應。累積效應:每次在外界條件作用下，介質發(fā)生部分損傷，多次作用下部分損傷會擴大而導致?lián)舸@個工程叫累積效應。有累積效應基本無累積效應452.3.2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(fā)熱。介質電導率隨溫度的升高而急劇增大，因此介質的發(fā)熱因溫度的升高而增加。如果介質中產(chǎn)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?lián)舸?/p>

熱擊穿場強低于電擊穿場強。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性46介質發(fā)熱（曲線1，2，3）及散熱（曲線4）與介質溫度的關系

發(fā)熱曲線3與散熱曲線有兩個交點，即熱平衡點Ta和Tc。Ta穩(wěn)定，Tc不穩(wěn)定

曲線2與曲線4相切，只有一個熱平衡點Tb，但不穩(wěn)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，必然發(fā)生熱擊穿曲線1，2，3是介質對應電壓U1、U2、U3的發(fā)熱曲線；U1＞U2＞U3；曲線4是介質散熱曲線。47

熱擊穿的特點如下：

(1)熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度的升高而下降。

(2)當介質厚度增大時，介質的平均擊穿場強減弱。

(3)當電壓頻率升高時，熱擊穿電壓下降。

(4)擊穿所需時間較長，熱積累需要一定的時間，常常需要幾個小時，即使在提高外加電壓時也需要一段時間。當電壓上升快，或加壓時間短時，熱擊穿電壓會升高。（5）在直流電壓下，正常未受潮的絕緣很少發(fā)生熱擊穿。（6）熱擊穿電壓取決于所加電壓的有效值。482.3.3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。絕緣劣化的主要原因往往是介質內(nèi)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(chǎn)生的活性氣體如O3，NO，NO2等對介質將產(chǎn)生氧化和腐蝕作用，此外由于帶電粒子對介質表面的撞擊，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。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性492.3.4影響固體介質擊穿電壓的主要因素（1）電壓作用時間高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性50（2）溫度電擊穿與溫度無關，熱擊穿階段溫度越高擊穿電壓越低。（3）電場均勻程度與介質厚度均勻致密的固體介質如處于均勻電場中，其擊穿電壓較高，而且與介質厚度的增加近似成直線關系；如在不均勻電場中，則隨著介質厚度的增加，電場更不均勻，擊穿電壓已不隨厚度的增加而呈直線上升。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性51（4）電壓種類沖擊擊穿電壓常大于其工頻擊穿電壓，固體介質在直流下的擊穿電壓常比工頻高的多。（5）累積效應（6）受潮（7）機械負荷高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性522.4電介質的老化電介質的老化

固體和液體介質在長期運行過程中會發(fā)生一些物理變化和化學變化，導致其機械和電氣性能的劣化現(xiàn)象。電介質老化的原因熱老化、電老化、機械力的影響、環(huán)境的影響等。高電壓技術--第2章液體和固體介質的電氣特性53一、電老化分為局部放電老化、電導性老化和電解性老化：

1．局部放電老化介質內(nèi)部存在某些小氣泡或氣隙,氣體介電常數(shù)比固、液體低，場強大得多，而擊穿場強又低，所以最容易在這些氣隙或氣泡中產(chǎn)生局部放電。局部放電將產(chǎn)生如下后果：

(1)帶電粒子撞擊氣泡表面的介質，能使主鏈斷裂，介質的物理性能變差。

(2)局部溫度升高，氣泡膨脹，介質開裂、分層、變脆。

(3)局部放電產(chǎn)生腐蝕性氣體，使介質逐漸劣化，通過上述的多種效應的綜合，將氣泡近旁的介質分解形成樹枝狀的裂紋（電樹枝），并沿電場方向逐漸向兩極發(fā)展，最終導致絕緣被貫通而擊穿。54

2．電導性老化是由液態(tài)的導電物質所引起的。如果在兩電極的絕緣層中存在某些液態(tài)的導電物質，當該處電場強度超過某臨界值時，這些溶液便會在電場力的作用下沿著電場的方向逐漸深入到絕緣層中去，形成近似樹狀的導電泄痕，稱為“水樹枝”，最終導致絕緣層的擊穿。產(chǎn)生“水樹枝”的機理