液体电介质的击穿机理
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液体电绝缘介质及其击穿特性
绝缘油分类
1、矿物油。 矿物油是从石油中提炼精制旳液体绝缘材料。石油旳主要成份是烷烃、环 烷烃和芳香烃，这些组分旳电气性能和老化稳定性优良。应用最广泛旳矿 物油就是变压器油。
2、合成油。 由人工合成旳液体绝缘材料。因为矿物绝缘油是多种碳氢化合物旳混合物， 难以除净降低绝缘性能旳组分，且制取工艺复杂，易燃烧，耐热性低，因 而人们研究、开发了多种性能优良旳合成油。如有机硅油和十二烷基苯等。
❖1 变压器油
【学习任务】了解变压器油旳基本特征和用途， 熟悉变压器油旳运营要求。
▪ 表征绝缘材料性能旳几种基本电气参数：
▪ ε －介电常数 ---表征极化强弱 ▪ ρ －电阻率 ---表征导电性能 ▪ γ －电导率 ▪ tgδ －介质损耗角正切 ---表征介质损耗大小
▪ E0 －击穿场强 ---表征绝缘性能（耐电性能） ▪ U －耐受电压 ▪
影响液体电介质击穿电压旳原因
4、电压作用时间
油旳击穿电压与电压作用时间有关。因为油旳击穿需要一定旳时间，所以 油间隙击穿电压会随所加电压作用时间旳增长而下降。 当电压作用时间较长时，油中杂质有足够旳时间在间隙中形成“小桥”， 击穿电压下降。对一般不太脏旳油做一分钟击穿电压和长时间击穿电压旳试 验成果差不多. 所以做油耐压试验时，只做一分钟。
变压器油旳物理性质
5）油旳闪点：油加热时所发生旳蒸气与空气所形成旳混合物， 在火焰接近时而闪火，此时是以温度作为闪点。闪点是表征油 旳蒸发度，油旳闪点越低，其挥发性越高。挥发性越小越好或 者说闪点越高越好，新油原则应不低于135℃。
二、变压器油旳基本特征
变压器油旳化学性质
1）酸值：变压器油旳酸值是指油中有机酸旳数值，油旳中 和酸度是指氧化试验后来旳数值。酸度旳常用计量措施是中 和所需旳KOH旳质量（mg），用mgKOH／g表达。酸性大 旳油会腐蚀金属设备。当油中有水分时，腐蚀性质强，酸价 逐年增大，反应了油旳劣化。
高电压技术 液体介质的击穿
2.4 组合绝缘的特性
电气设备内部绝缘结构中常用液体与固 体介质构成组合绝缘
油—屏障绝缘 油纸绝缘
组合绝缘强度不仅取决于所用介质的绝 缘强度，还与介质的互相配合有关
2.4.1 油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点
油—屏障绝缘
以油为主要绝缘介质，散热、冷却作用好 屏障的作用：改善油间隙中电场分布和阻止杂质小 桥的形成 广泛用于变压器中 屏障的总厚度不宜取得过大（否则可能引起油中场 强增高）
屏蔽电极的均压原理1（均压环）
工程中应 用很多！
屏蔽电极的均压原理2（均压环）
a:只考虑对地电容CE b:只考虑对导线电容CL c:同时考虑CE和CL
工程中应 用很多！
pause
2.6 电力系统过电压与绝缘配合
过电压（over voltage）
电气设备上出现的高于工作电压的电压
按来源形式分类
绝缘油的老化（氧化、温度》》》油枕） 户外绝缘应能耐受日晒雨淋 湿热区域使用的要有抗生物特性
材料的相容性
绝缘与导体之间（化学反应、相容）
支柱绝缘子内屏蔽
330kV绝缘子柱
330kV及以上的悬式绝缘子串 一般也装有均压环 绝缘子数决定于线路所要求 的绝缘水平： 35kV-3片 110kV-7片 200kV-13片 330kV-19片 500kV-28片
气隙的产生
制造过程：浇注、挤压成型等 绝缘与电极接触不良
2.3.3.1 局部放电的等值电路
Cm>>Cg>>Cb
Cb ug u C g Cb
1、微量压降
2、电流脉冲
放电前后，间隙g两端的电压变化为(Ug-Ur) C m Cb 对间隙g放电的电容量为： C g C m Cb
第三章固体电介质和液体电介质的击穿特性
学习内容： 一、 击穿过程?(击穿机理) 二、 影响液体介质击穿电压的主要因素? 三、 提高液体介质击穿电压的方法?
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同
工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件 电子崩发展至一定大小为击穿条件
液体电介质
纯净的液体电介质
击穿机理
电击穿过程
工程用液体电介质（含杂质）
电击穿过程 气泡击穿过程
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
1.杂质
2.温度 3.电场的均匀程度 4.电压作用时间 5.压力
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
油中含有杂质，击穿电压就会显著降低!
通过标准油杯中 变压器油的工频击 穿电压来衡量油的 品质
引言
空气的耐电强度 液体介质的耐电强度 固体介质的耐电强度
10 — 30kV/cm左右； 100 — 200 kV/cm； 一百多 — 几千kV/cm
液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料。
液体、固体电介质的电气强度高，用它们作为绝缘介质，可以大 大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积。
二、影响液体介质击穿电压的主要因素 2.温度
①干燥的油 温度对有的击穿电压影响很小 ②受潮的油 冰－溶解－汽化＝击穿电压“N”形变化
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
3.电场均匀程度
电场愈均匀，杂质越易形成“小桥”， 杂质对油在工频电压下的击穿电压的影响愈大。
优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电 压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。
绝缘油的试验项目及标准
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同
工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件 电子崩发展至一定大小为击穿条件
液体电介质
纯净的液体电介质
击穿机理
电击穿过程
工程用液体电介质（含杂质）
电击穿过程 气泡击穿过程
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
1.杂质
2.温度 3.电场的均匀程度 4.电压作用时间 5.压力
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
油中含有杂质，击穿电压就会显著降低!
通过标准油杯中 变压器油的工频击 穿电压来衡量油的 品质
引言
空气的耐电强度 液体介质的耐电强度 固体介质的耐电强度
10 — 30kV/cm左右； 100 — 200 kV/cm； 一百多 — 几千kV/cm
液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料。
液体、固体电介质的电气强度高，用它们作为绝缘介质，可以大 大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积。
二、影响液体介质击穿电压的主要因素 2.温度
①干燥的油 温度对有的击穿电压影响很小 ②受潮的油 冰－溶解－汽化＝击穿电压“N”形变化
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
3.电场均匀程度
电场愈均匀，杂质越易形成“小桥”， 杂质对油在工频电压下的击穿电压的影响愈大。
优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电 压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。
绝缘油的试验项目及标准
液体电介质
二、影响变压器油绝缘性能的因素
液体介质的击穿（变压器油）
影响变压器油绝缘性能的除了氧气和温度这两个主 要的因素外，还有日光照射、强电场、水分、纤维、金 属等这些因素都会加速变压器油的劣化。 1、 氧气的影响 变压器油的氧化程度，由可溶性酸、酸值等的含量 反映，而酸值的增加表示油已处于氧化阶段。对击穿电 压影响比较大的是杂质和油的污染程度，这种油污染情 况主要是指油中的含水量。 变压器油氧化后不仅酸值增加，tgδ 增大，而且粘度 也在增加，油色逐渐变为橙黄色、暗黄色以及深褐色， 透明度下降，当氧化严重时还能析出油泥和水分。
2. 液体电介质的气泡击穿理论热液体，分解出气体； 2）电子碰撞液体分子，使之解离产出气 体； 3）静电斥力，电极表面吸附的气泡表面 积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力 时，气泡体积变大；
4）电极凸起处的电晕引起液体气化。 串联介质中，场强的分布与介质的介电常数 成反比气泡r=1，小于液体的r ，承担比液体 更高的场强，而气体耐电强度却低，因此， 气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积 成气体通道，击穿在此通道内发生
4、强电场的影响 强电场附近的油发生强烈分解和老化，另外强 电场造成局部放电其产生的带电粒子撞击油分子并 使油发生裂解。
液体介质的击穿（变压器油）
液体电介质的电导
两种电导： 1、离子电导：液体本身（本证离子）或杂质的分 子解离的离子（杂质离子）决定， 2、电泳电导：也称电流电导，由固体或液体杂质 以高级分散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附 离子而带点电造成的。
2、 温度影响 当油温低于60～700C时，油的氧化很微弱 。油温再高，氧化开始加快，大约温度每增高1 00C油的氧化速度增大一倍。而当油温超过115 ～1200C时，油将开始产生裂解。 3、水分的影响 水分在变压器油中以三种状态存在：溶解 于油中、悬浮在油中或沉积于设备的底部，其 中以悬浮在油中的水分对变压器油绝缘性能的 影响最大，而油中的极性杂质的存在也会助长 水分对绝缘性能的影响
液体电介质的击穿特性
/22
3. 电压作用时间
Ubp（kV）（峰值） 冲击系数Kl最小值
700
Φ
600
50
20
50
0
10-6 10 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 1
t（s）
10 9 8
7 6
5 4 3 2 1
10 2
稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
(虚线表示未经研究过的区域)
(虚线表示未经研究的区域)
/22
4. 电场均匀程度
油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能 使工频或直流电压下的击穿电压明显提高
液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程 度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不 超过5％，而在均匀电场中可达3040％
/22
5.压强
Ub(有效值)/kV
d
主要内容
液体电介质的击穿理论 影响液体电介质击穿电压的因素 提高液体电介质击穿电压的方法
（一）液体电介质的击穿理论
液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质
击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论
/22
1. 纯净液体电介质的电击穿理论
液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场 中被加速，与液体分子发生碰撞电离
在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，先在 尖电极附近开始电离，电离开始阶段以后是流 注发展阶段，流注分级地向另一电极发展，放 电通道出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙
与长空气间隙的放电过程很相似
/22
2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论
当外加电场较高时，液体介质内由于各种原因 产生气泡 1）电子电流加热液体，分解出气体； 2）电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 3）静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电 荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体 积变大； 4）电极凸起处的电晕引起液体气化。
高电压工程4(液固击穿)
四. 提高固体电介质击穿电压的措施
1. 改进制造工艺 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀
2. 改进绝缘设计
采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽 可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除 接触处的气隙
3. 改善运行条件 注意防潮、防尘；加强散热
五. 绝缘老化
电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化 学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气 和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。
局部放电使电介质劣化损伤的机理：
• 放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和 腐蚀作用，使介质逐渐劣化；
• 放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升， 加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加；
• 带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂 解；
• 放电产生的高能辐射线引起材料分解；
4. 受潮
对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介 质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质 ，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥 时的百分之几或更低。因为电导率和介质损耗大大增加的缘 故。
5. 累积效应
固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压 、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并 留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损 伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电 压的下降。
浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 潮湿的油由0℃开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为
害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 ℃后，水开始
汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 ℃～80℃间出
现最大值
四、提高液体介质击穿电压的方法
液体电介质的击穿机理
Ub 40 3 ．电场的均匀程度 （有 Ub 效值） 电场越均匀，杂质对油在工频电压作用下的击 干燥的油 kV （ 20 有60 穿电压的影响越大。在电场极不均匀的情况下， 效值） 40 4. 电压作用时间 杂质对其击穿电压影响很小。在冲击电压作用下 kV 受潮的油 ，因“小桥”来不及形成，无论电场均匀与否，杂 20 0 油间隙击穿电压随所加电压作用时间的增加而 0.02 0.04 质对击穿电压的影响都很小。 下降。 0 含水量（%） 40 120 0 80 5．压力 -40 图3－3 在标准试油杯中（间隙距离 2.5mm） t（℃） 油中含有气体时，不论电场是否均匀，其工频 变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 图3－4 在标准试油杯中（间隙距离2.5mm） 击穿电压都随油的压力增大而提高。但在冲击 变压器油的工频击穿电压和温度的关系
任务1.3.1 变压器油
了解变压器油的基本特性和用途，熟悉ห้องสมุดไป่ตู้压器油的 运行要求
一
变压器油的作用
二
变压器油的基本特性
三
变压器油的运行要求
任务1.3.2 液体电介质的击穿
一、液体电介质的击穿机理
1．纯净液体电介质的击穿理论 在高 电场 下发 生击 穿的 机理
电击穿理论 以液体分子由电子碰撞而发生游离 为前提条件 气泡击穿理论
认为液体分子由电子碰撞或在电场作用 下因其他原因而产生气泡，由气泡内气 体放电而引起液体介质的热击穿。
2．非纯净液体电介质的小桥击穿理论
(a) (b)
图1－1 受潮纤维在电极间定向示意图 （a）形成“小桥”；（b）未形成“小 桥”
小桥理论:液体中的杂质在电场力的作用下，逐渐沿电 力线方向排列成杂质的“小桥”，(由于水和纤维的相对介电
任务1.3.1 变压器油
了解变压器油的基本特性和用途，熟悉ห้องสมุดไป่ตู้压器油的 运行要求
一
变压器油的作用
二
变压器油的基本特性
三
变压器油的运行要求
任务1.3.2 液体电介质的击穿
一、液体电介质的击穿机理
1．纯净液体电介质的击穿理论 在高 电场 下发 生击 穿的 机理
电击穿理论 以液体分子由电子碰撞而发生游离 为前提条件 气泡击穿理论
认为液体分子由电子碰撞或在电场作用 下因其他原因而产生气泡，由气泡内气 体放电而引起液体介质的热击穿。
2．非纯净液体电介质的小桥击穿理论
(a) (b)
图1－1 受潮纤维在电极间定向示意图 （a）形成“小桥”；（b）未形成“小 桥”
小桥理论:液体中的杂质在电场力的作用下，逐渐沿电 力线方向排列成杂质的“小桥”，(由于水和纤维的相对介电
1.3液体电绝缘介质及其击穿特性
小桥理论
极性分子
水分
纤维 被游离的气体 气泡小桥 气泡游离
在E作用下 在电极间
逐渐排列成小桥
将间隙接通
形成气泡
水分汽化
发热
泄漏电流
从而导致油间隙的击穿
杂质“小桥”形成带有统计性，因而工程液体电介质的击穿电压有较大的分散性。
2
液体电介质的击穿
液体电介质通常用标准试油杯按标准试验方法测得的工频击穿电压来 衡量其品质的优劣。
新油或良好的变压器油，介质损耗角常温时（20～30℃）一般在
0.1%以下，运行中油的介质损耗角一般不大于0.5%。
变压器油的电气性能 3）击穿电压
变压器油绝缘强度限值（kV） 设备额定电压 15及以下 20～35 63～220 330 500 击穿电压（kV） 运行中 ≥20 ≥30 ≥35 ≥45 ≥50 新油 ≥25 ≥35 ≥40 ≥50 ≥60
1
变压器油
一、变压器油的作用
（一）绝缘作用
在电气设备中，变压器油将不同电位的带电部分隔离开来，使不致 于形成短路。因为空气的介电常数为1.0，而变压器油的介电常数为 2.25。油的绝缘强度要比空气的大得多。变压器绕组之间充满了变 压器油，增加了耐电强度，绝缘就不会被击穿，并且随着油的质量 提高，设备的安全系数就越大。
1
变压器油
二、变压器油的基本特性
由于矿物绝缘油是由各种烃类组成，因此在运行中受温度、 空气、金属、电场等的影响，会逐渐劣化，如遇高温过热等设 备故障，则油质劣化加速，因此电力系统对油品的性能、质量 是有严格要求的。变压器油为了能很好地发挥它在绝缘、散热 以及灭弧等多方面的功能作用，其本身必须具备良好的化学、 物理和电气等方面的的基本特性。
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电压下，压力对油间隙的击穿电压基本无影响。
三、提高液体电介质击穿电压的方法
1．提高及保持油的品质 过滤 Байду номын сангаас潮 祛气 2．采用固体介质降低杂质的影响
覆盖层
绝缘层 屏 障
作用:限制泄漏电流，阻止杂质“小桥”的发 展 可减小油中杂质的危害，绝缘层承担一定电 压，使油中最大场强降低。 既能阻止杂质“小桥”的形成，又能改善间 隙中电场均匀程度。
Ub 40 3 ．电场的均匀程度 （有 Ub 效值） 电场越均匀，杂质对油在工频电压作用下的击 干燥的油 kV （ 20 有60 穿电压的影响越大。在电场极不均匀的情况下， 效值） 40 4. 电压作用时间 杂质对其击穿电压影响很小。在冲击电压作用下 kV 受潮的油 ，因“小桥”来不及形成，无论电场均匀与否，杂 20 0 油间隙击穿电压随所加电压作用时间的增加而 0.02 0.04 质对击穿电压的影响都很小。 下降。 0 含水量（%） 40 120 0 80 5．压力 -40 图3－3 在标准试油杯中（间隙距离 2.5mm） t（℃） 油中含有气体时，不论电场是否均匀，其工频 变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 图3－4 在标准试油杯中（间隙距离2.5mm） 击穿电压都随油的压力增大而提高。但在冲击 变压器油的工频击穿电压和温度的关系
任务1.3.1 变压器油
了解变压器油的基本特性和用途，熟悉变压器油的 运行要求
一
变压器油的作用
二
变压器油的基本特性
三
变压器油的运行要求
任务1.3.2 液体电介质的击穿
一、液体电介质的击穿机理
1．纯净液体电介质的击穿理论 在高 电场 下发 生击 穿的 机理
电击穿理论 以液体分子由电子碰撞而发生游离 为前提条件 气泡击穿理论
对变压器油，其标准油杯中的击穿电压一 般为Ub＞25～40kV 。 对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击 穿电压一般为Ub＞50～60kV 。
标准试 油杯
1
平板电 2 极间的 2.5mm 间隙
图1－2 电子式试油器
影 响 液 体 电 介 质 击 穿 电 压 的 因 素
1．杂质（悬浮水、纤维） 2．温度
子情境1.3液体绝缘材料及其击穿特性
要求
熟悉液体电介质击穿机理和影响击穿电 压的因素能正确运用提高液体电介质击穿 电压的方法
知识点
•液体电介质的击穿机理 •影响液体电介质击穿电压的因素 •提高液体电介质击穿电压的方法 •电介质的耐热性能
重点和难点
•影响液体电介质击穿电压的因素 •提高液体电介质击穿电压的方法
认为液体分子由电子碰撞或在电场作用 下因其他原因而产生气泡，由气泡内气 体放电而引起液体介质的热击穿。
2．非纯净液体电介质的小桥击穿理论
(a) (b)
图1－1 受潮纤维在电极间定向示意图 （a）形成“小桥”；（b）未形成“小 桥”
小桥理论:液体中的杂质在电场力的作用下，逐渐沿电 力线方向排列成杂质的“小桥”，(由于水和纤维的相对介电
常数分别为81和6～7，比油的介电常数1.8～2.8大得多，所以 这些杂质易极化而在电场方向排列成小桥。)由于组成此小桥
的纤维及水分电导较大，使泄漏电流增加，进而使“ 小桥”强烈发热，使油和水局部沸腾汽化，最后沿此“气 桥”发生击穿。这种形式的击穿是和热过程紧密相连的。
二、影响液体电介质击穿电压的因素 液体电介质通常用标准试油杯按标准试验 方法测得的工频击穿电压来衡量其品质的 优劣。而不用击穿场强
图1－5 真空滤油机
包覆盖层
包绝缘层
屏障
图1－6 变压器内部降低杂质影响的措施
小 结
•工程中的液体电介质的击穿过程用“小桥”理论解释。影响液体 电介质击穿电压的最主要因素是液体电介质的品质。提高液体 电介质击穿电压的方法也主要是提高液体电介质的品质，防止 液体电介质中“小桥”的形成。