第六章液体和固体电介质的电气性能
电介质分类
电介质分类
电介质是指电子元件中用来传导电流的物质，它可以是固体、液体或气体。
电介质的分类可以根据其物理性质和电学性质来划分。
一、根据物理性质分类
1、固体介质：固体介质是指以固体形式存在的电介质，它们的电阻率比液体和气体要高，常见的固体介质有金属、石英、玻璃、石墨等。
2、液体介质：液体介质是指以液体形式存在的电介质，它们的电阻率比固体要低，常见的液体介质有水、油、醇类等。
3、气体介质：气体介质是指以气体形式存在的电介质，它们的电阻率比液体和固体要低，常见的气体介质有氧气、氢气、氩气等。
二、根据电学性质分类
1、导体：导体是指具有良好的电导性的电介质，它们的电阻率比绝缘体要低，常见的导体有金属、水、油等。
2、绝缘体：绝缘体是指具有良好的绝缘性的电介质，它们的电阻率比导体要高，常见的绝缘体有石英、玻璃、石墨等。
三、根据电介质的用途分类
1、电气介质：电气介质是指用于传导电流的电介质，它们的电阻率比绝缘体要低，常见的电气介质有金属、水、油等。
2、电磁介质：电磁介质是指用于传导电磁波的电介质，它们的电阻率比电气介质要高，常见的电磁介质有空气、石英、玻璃等。
四、根据电介质的结构分类
1、单相介质：单相介质是指由一种电介质组成的电路，它们的电阻率比多相介质要低，常见的单相介质有金属、水、油等。
2、多相介质：多相介质是指由多种电介质组成的电路，它们的电阻率比单相介质要高，常见的多相介质有空气、石英、玻璃等。
电介质是电子元件中不可缺少的重要组成部分，它们的特性决定了电子元件的性能。
根据电介质的物理性质、电学性质、用途和结构，可以将电介质分为固体介质、液体介质、气体介质、导体、绝。
电介质的分类及特点
电介质的分类及特点
电介质是一种在电场中不导电的材料，它在电子学、电力系统和电气工程中起着重要的作用。
电介质的分类可以从不同的角度进行，包括材料的性质、化学成分和应用领域等。
首先，从材料的性质来看，电介质可以分为极化性和非极化性两类。
极化性电介质是指在外电场作用下会发生分子极化现象的材料，包括许多常见的物质，如水、玻璃、陶瓷等。
而非极化性电介质则是指在外电场下不会发生分子极化的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等。
其次，从化学成分来看，电介质可以分为无机电介质和有机电介质两大类。
无机电介质主要是指由无机物质构成的电介质，如氧化铝、二氧化硅等；而有机电介质则是指由有机化合物构成的电介质，如聚乙烯、聚丙烯等。
另外，从应用领域来看，电介质可以分为固体电介质、液体电介质和气体电介质三类。
固体电介质主要应用于电容器、绝缘子等领域；液体电介质主要用于电力设备的绝缘和冷却；气体电介质则主要应用于气体放电保护和绝缘。
电介质的特点包括高绝缘性能、耐电压能力强、化学稳定性好、介电常数大等。
这些特点使得电介质在电子电路、电力系统和电器
设备中具有重要的作用，能够有效地隔离电荷、传递电能和保护设
备安全运行。
总的来说，电介质的分类及特点涉及到材料性质、化学成分和
应用领域等多个方面，不同的分类方法可以帮助我们更好地理解电
介质的特性和应用。
液体、固体电介质特性
直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘承受的电 压与其绝缘电阻成正比；【电气强度高、电导率小的材 料用在电场最强处】
交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘承受的 电压与其电容成反比；【电气强度高、介电常数小的材 料用在电场最强处】
U
r1 r2
r0
12
E2
r
2
[
1
1
ln
U r1 r0
1
2
ln
r2 r1
]
优点：绝缘材料的利用率高
实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密 度有关 ，密度大的纸（高）与低密度纸搭配使用多层分阶27。
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
➢ 电老化——局部放电 ➢ 热老化——热作用下的氧化 ➢ 环境老化——污染性化学老化
U
(R1
R2
... Rn )I
(1
1
d1 S
1
2
d2 S
...
1
n
dn )I S
1 S
( d1
1
d2
2
...
dn )I
n
RI
I U R
U1
R1I
1
1
d1 S
I
d1
1S
U R
1
(
d1
1
Ud1 d2 ...
2
dn
n
)
E1
U1 d1
1
(
d1
1
U d2 ...
2
dn )
n
1
高电压技术重点复习大纲
汤逊理论三个过程:α过程:起始电子形成电子崩的过程。
β过程：造成离子崩的过程。
γ过程：离子崩到达阴极后，引起阴极发射二次电子的过程。
总结：1.将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。
2.汤逊理论的实质是电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。
3.阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
汤逊理论的适用范围汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的，pd过大，汤逊理论就不再适用。
pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：放电时间：很短；放电外形：具有分支的细通道；击穿电压：与理论计算不一致；阴极材料：无关；汤逊理论适用于pd<26.66kPa ·cm。
巴申定律：当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。
气体放电流注理论：它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面空间电荷对原有电场的影响；空间光电离的作用。
四个过程：a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；b)光电离产生二次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；c)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；d)流注通道贯通，气隙击穿。
注：流注速度为108～109cm/s，而电子崩速度为107cm/s。
流注条件：必要条件是电子崩发展到足够的程度，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，加强电子崩崩头和崩尾处的电场；另一方面电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。
液固击穿
Chapter 4. 液体和固体介质的电气性能
液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝 缘。应用的最多的液体介质是变压器油以及电容器 油和电缆油。用作内绝缘的固体介质常见的有绝缘 油和电缆油。 纸板、云母、塑料等, 纸、纸板、云母、塑料等 以及用于制造绝缘子的电 玻璃和硅橡胶等。 瓷、玻璃和硅橡胶等。
3. 电化学击穿：固体介质在长期工作电压下，由于 电化学击穿：固体介质在长期工作电压下， 介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化， 介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电 气强度逐渐下降并引起的击穿。 气强度逐渐下降并引起的击穿。 局部放电使电介质劣化损伤的机理： 局部放电使电介质劣化损伤的机理：
气泡击穿： 气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气 或在电场作用下因其它原因产生气泡， 泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气 电而引起液体击穿。 泡内的气体放 电而引起液体击穿。 液体中气泡产生的原因： 液体中气泡产生的原因： 1. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介 分解出气体； 质，分解出气体； 2. 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解 由电场加速的电子碰撞液体分子， 离产生气体； 离产生气体； 3. 电极表面吸附的气泡脱离出来； 电极表面吸附的气泡脱离出来； 4. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起 液体气化
高电压技术 02 液体、固体电介质的绝缘特性
27
2.1.3 电介质的损耗
损耗
极化过程损耗（DC下无）
电导损耗（DC、AC都有）
28
一、介质损耗正切角（tan)
I
U
U
rg Ca Ig
Ia Ic ra C0
..
..
I IgIcIa
.
I g ：泄漏电流，由电导引起
.
I a ：吸收电流，由极化引起
.
I c ：纯电容电流。
容性电流阻性电流
C2 G2 C1 G1
电荷会重新分配（吸收电荷），在介质的交界面处积累电
荷－－夹层式（界面）极化。
夹层极化只有在低频时才有意义。
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
G1
G2
G1
G2
C1
1
U10
U 3
C2
U 20
2U 3
C1
2
U1
U 3
C2
U2
1U 3
(a) 设2G1＝G2，C1＝2C2。 (b)
Cp
1
Cs tan 2
P U 2Cp tan
32
➢如介损主要由电导引起，常用并联等效电路
➢如介损主要由介质极化及连接导线的电阻引起，常用串联 等效电路
电介质类型
tanδ/%
变压器油 蓖麻油 电工陶瓷 油浸电缆纸 沥青云母带
0.05～0.5 1～3 2～5 0.5～8 0.2～1
电介质类型
聚乙烯 交联聚乙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯
f 较小时：偶极子跟得上电场的交变，极化充分发展，此时 的εr最大；但偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损
耗很小，tan也小，主要由电导损耗。
第六章-液体和固体电介质的电气性能
第二节：液体电介质的击穿
2.1 液体击穿理论
1 电击穿：阴极发射电子－电子撞击液体分子发生电离－正 离子形成空间电荷层，加强阴极表面电场－电流剧增，击穿 2 气泡击穿：产生气体（1）电子撞击液体分子发生分解，2） 阴极发射电子电流加热分解液体，3）尖电极电晕液体汽化， 4）原有气泡带电后体积变大）＝》气泡电离＝》气泡温度升 高，电离发展＝》产生更多气体＝》气泡堆积形成气体“小 桥”＝》沿“小桥”击穿 3 工程液体的“小桥”击穿：杂质（多数介电常数较大）极 化，并沿电场方向排列＝》沿杂质通道泄漏电流增大，使水 分汽化、液体分解＝》气泡电离、膨胀，形成“小桥”＝》 沿“小桥”击穿
Ub（有效值）/kV
4020Βιβλιοθήκη 2 温度：冰－溶解－汽化＝击穿电压“N” 形变化
3 电压作用时间：杂质与小桥的形成时 间 4 5 电场均匀程度 压力
0
0.02
含水量×100
0.04
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第三节：固体电介质的击穿
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化种类
电子位移极化
E=0 E
离子位移极化
(a)无外电场
+ + +
-+-+ -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ -+ -
大学高电压技术习题与答案
第一章 气体放电的基本物理过程一、选择题1) 流注理论未考虑 B 的现象。
A ．碰撞游离B ．表面游离C ．光游离D ．电荷畸变电场2) 先导通道的形成是以 C 的出现为特征。
A ．碰撞游离B ．表面游离C ．热游离D ．光游离3) 电晕放电是一种 A 。
A ．自持放电B ．非自持放电C ．电弧放电D ．均匀场中放电4) 气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为 C 。
A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表面游离5) ___ B ___型绝缘子具有损坏后“自爆”的特性。
A.电工陶瓷B.钢化玻璃C.硅橡胶D.乙丙橡胶6) 以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？DA.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨7) 污秽等级II 的污湿特征：大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km地区，在污闪季节中潮湿多雾但雨量较少，其线路盐密为 C 2/cm mg 。
A .≤0.03 B.>0.03~0.06 C.>0.06~0.10 D.>0.10~0.258) 以下哪种材料具有憎水性？AA . 硅橡胶 B.电瓷 C. 玻璃 D 金属二、填空题9)气体放电的主要形式：辉光放电、 电晕放电、 刷状放电、 火花放电、 电弧放电 。
10)根据巴申定律，在某一PS 值下，击穿电压存在 极小（最低） 值。
11)在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压 提高 。
12)流注理论认为，碰撞游离和 光电离 是形成自持放电的主要因素。
13)工程实际中，常用棒－板或 棒－棒 电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
14)气体中带电质子的消失有 扩散 、复合、附着效应等几种形式15)对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是 改善(电极附近)电场分布 。
16)沿面放电就是沿着 固体介质 表面气体中发生的放电。
17)标准参考大气条件为：温度C t 200=，压力=0b 101.3 kPa ，绝对湿度30/11m g h =18)越易吸湿的固体，沿面闪络电压就越__低____19)等值盐密法是把绝缘子表面的污秽密度按照其导电性转化为单位面积上____NaCl ______含量的一种方法20)常规的防污闪措施有： 增加 爬距，加强清扫，采用硅油、地蜡等涂料三、计算问答题21) 简要论述汤逊放电理论。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第三节：固体电介质的击穿
3.1 固体击穿理论
概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生 不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化 电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种 主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生 电离性老化：在介质夹层或介质内部如果存在气隙或气泡，在交 变场下气隙或气泡的场强会比邻近固体介质内的场强大得多，而 气体的起始电离场强又比固体介质低得多，所以在该气隙或气泡 内很容易发生电离。气隙或气泡的电离，通过上述综合效应，会 造成邻近绝缘物的分解、破坏(表现为变酥、炭化等形式)，并沿 电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状 发展，称作“电树枝” 电导性老化：如果在两电极之间的绝缘层中存在液态导电物质( 例如水)，当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐 HV & EMC Laboratory 深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝” North China Electric Power University
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第二节：液体电介质的击穿
2.2 影响液体击穿电压的因素
1 杂质：处于悬浮状态的气体、水分和 固体颗粒；电场越均匀影响越大，击 穿电压分散性也越大；不均匀电场中 局部放电扰动液体，不易形成“小 桥”；对冲击击穿电压影响不大。
表征参数：
tg
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.3 介质损耗与温度、频率的关系
非极性或弱极性电介 质损耗很小，损耗主 要由电导决定
t＜t1时： 电导和极化损耗都很小， 随着温度的升高，极化损耗显著增加 t1 ＜ t ＜t2: 由于分子热运动加快，妨 碍极性分子的转向极化，极化损耗的 减小比电导损耗的增加更快 t＞t2时： 电导损耗占主要部分
3.1 固体击穿理论
1 电击穿：少量传导电子－电子撞击原子发生电离－当 电子崩发展到一定程度时－击穿。特点：时间短，电压 高，温度低，击穿场强与电场均匀程度密切相关，与环 境无关。
2 热击穿：介损发热＝》温度升高＝》电导增大＝》发 热增大＝》介质分解炭化。特点：与各种使热量聚集的 因素有关 3 电化学击穿：局部放电引起劣化击穿。（很多有机材 料虽然短时击穿电压很高，但耐局部放电性能很差。）
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介 质的极化电导损耗
1.2 电介质电导
施加直流电压于固体 介质时的泄漏电流：
1 瞬时充电电流Ic： 冲击性质 2 吸收电流Ia：渐减 性质：夹层极化电荷 与空间极化电荷的来 源 3 泄漏电流Ig：恒定 值；由介质电导决定
I
ic
Ia
ig
0
i 'a i 'c
t
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化导损耗
1.2 讨论电导的意义
1 控制电场分布：直流电压下，串连介 质中的电场强度与电导率成反比；套管 法兰附近上半导体釉；发电机线棒出槽 部位上半导体涂层
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化种类
电子位移极化
E=0 E + + +
离子位移极化
(a)无外电场
转向极化
-+-+ -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ -+ (b)有外电场
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 讨论极化的意义
1 选材：电容器－介电常数较大－增大电容值；电缆－介电 常数较小－减小电容电流；套管－介电常数较小－提高沿面 闪络电压 2 控制电场分布：交流及冲击电压下，串连介质中的电场强 度与介电常数成反比 3 控制介质发热：转向极化等有较大能量损耗＝》介质发热 ＝》老化劣化和热击穿 4 绝缘检测：夹层极化电荷积累时间很长＝》时间取决于电 导＝》介质受潮后往往电导增大＝》时间缩短
North China Electric Power University
第二节：液体电介质的击穿
2.1 液体击穿理论
1 电击穿：阴极发射电子－电子撞击液体分子发生电离－正 离子形成空间电荷层，加强阴极表面电场－电流剧增，击穿 2 气泡击穿：产生气体（1）电子撞击液体分子发生分解，2） 阴极发射电子电流加热分解液体，3）尖电极电晕液体汽化， 4）原有气泡带电后体积变大）＝》气泡电离＝》气泡温度升 高，电离发展＝》产生更多气体＝》气泡堆积形成气体“小 桥”＝》沿“小桥”击穿 3 工程液体的“小桥”击穿：杂质（多数介电常数较大）极 化，并沿电场方向排列＝》沿杂质通道泄漏电流增大，使水 分汽化、液体分解＝》气泡电离、膨胀，形成“小桥”＝》 沿“小桥”击穿
Ub（有效值）/kV
40
20
2 温度：冰－溶解－汽化＝击穿电压 “N”形变化
3 电压作用时间：杂质与小桥的形成时 间 4 5 电场均匀程度 压力
0
0.02
含水量×100
0.04
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第三节：固体电介质的击穿
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化种类
1 电子位移极化：所有物质；电子与原子核相对位移；时间 极短，与频率无关；无能量损耗；温度升高时略微下降； 2 离子位移极化：离子式无机物；正负离子相对位移；时间 极短，与频率无关；微弱能量损耗；温度升高时略微升高 3 偶极子转向极化：极性共价化和物；分子转向；时间较长， 频率增大时减小；有较大能量损耗；温度升高时先增大后减 小 4 夹层极化：多层介质；夹层界面聚集电荷；时间很长，仅 在低频率下存在；有较大能量损耗； 5 空间电荷极化：含有自由离子的介质；离子向电极集结； 时间很长，仅在低频率下存在；有较大能量损耗；
第三节：固体电介质的击穿
3.2 局部放电－水树枝
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第三节：固体电介质的击穿
3.3 影响固体击穿电压的因素
1 电压作用时间：很短时间－电击穿；较长－热击穿、电 热联合；很长时间－电化学击穿 2 温度：环境温度越高、散热越差，热击穿电压越低 3 电场均匀程度：均匀电场中击穿电压与厚度成正比；不 均匀电场中出现热击穿后厚度增加击穿电压增加不大。 4 电压种类：冲击击穿电压长大于工频击穿电压 5 积累效应：局部损伤积累－注意冲击或工频试验次数 6 受潮：易吸潮的极性介质受潮后击穿电压降至1％ 7 机械负荷：出现微观裂缝后击穿电压显著下降（零值绝 缘子）
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.1 极化
极化概念：在外施电 压下介质中原来彼此 中和的正负电荷产生 了相对位移，形成电 矩，使介质表面出现 了束缚电荷。 现象：电容增大
表征参数：相对 介电常数
c Q0 Q r 0 c0 Q0
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.3 介质损耗
含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：
P pV E 2tgV U 2ctg
单位体积介质中的损耗功率：
P EJr EJctg E 2tg
2 绝缘检测：介质受潮后往往电导增大， 泄漏电流增大
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗
1.3 介质损耗
Jg：真空和无损极化引起的电流密度 Jlk ：漏导引起的电流密度 Jp：有损极化引起的电流密度
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第四节：电介质其他性能
1 热性能：短时耐热；长时耐热；耐热等级（A-105度， B－130度）；耐寒等级（10＃变压器油＝－10度凝固）。 2 机械性能：脆性、塑性、弹性 3 吸湿性能： 4 化学稳定性和抗生物特性
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：液体固体电介质的极化电导损耗