固体电介质的电起性能
第二章 液体、固体介质的电气特性..
中国石油大学胜利学院
高பைடு நூலகம்压技术
第一篇 各类电介质在高电场下的特性
第二章
电介质的等效电路
I I1 I 2 I 3
2.介质损耗角正切
介质损耗有两种：极化损耗、电导损耗 直流电压下只有电导损 耗 交流电压下既有电导损耗，还有周 期性极化引起的极化损耗。 介质损耗角 =功率因素角 的余角 介质损耗角的正切tg称为介质损耗因数
P UIcos UI R UIC tg U C p tg
3、杂质的影响
一般来说杂质的含量越高，液体介质击穿电压降低 的越多。油中主要的杂质就是水分。
另外还有其他固体杂质， 比如含纤维量：纤维的含量即 使很少，对击穿电压油很大影 响。
4、油量的影响
三、减少杂质影响的方法
由于油中杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响， 所以从工程角度考虑，应设法减少杂质的影响，提高油的 品质。 1、提高油品质的方法 （1）过滤 将油中在压力下连续通过滤油机中的大量滤油层，油 中杂质（包括纤维、碳粒、树脂、油泥等）被滤纸阻挡， 油中大部分的水分和有机酸等也被滤纸纤维吸附，从而大 大提高油的品质。 （2）祛气 常用的方法是先将油加热，在真空中喷成雾状，油中 所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件下将油 注入电气设备中。
球盖形电极；
对经过过 滤处理、脱气 和干燥后的油 及220KV以上 电力设备内的 油，应采用球 盖形电极进行 试验
液体和固体介质的电气特性
杂质中εr大
油中电场强度 增高 油分解出气体 气泡扩大
气泡因电 离或发热而 不断扩大， 排列成气体 小桥贯穿两 极，液体最 终在气体通 道中击穿
引起油电离
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿 二．影响液体电介质击穿电压的因素
1. 液体介质本身品质的影响
① 含水量 液态水在油中的两种状态： 以分子状态溶解于油中， 对击穿电压影响不大 以乳化状态悬浮在油中， 易形成“小桥”使击穿电 压明显下降 含0.1%的水分，油的击穿电 压降到干燥时的15%~30%
米
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
2. 温度
干燥的油（曲线1）：随油温升 高，电子碰撞电离过程加剧，击 穿电压下降 潮湿的油（曲线2） 温度由0℃开始 上升：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，在60 ℃～80℃间出现最大值
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第三章 液体和固体介质的电气特性
3. 工程液体电解质的击穿（变压器油）
工程液体的特点：含有杂质、纤维等， εr很大（变压器油εr=2.2）
由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向发生极化，并排列成杂质小桥。
杂质中电导大 小桥 击穿 理论 水分汽化
泄漏电流增加 ，导致发热
气泡扩大
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第三章 液体和固体介质的电气特性
2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论
击穿过程 液体中出现气泡 交流电压下串联介质中电场强度 的分布与介质的εr成反比 气泡εr 最小，将承担高场强，且 电气强度比液体介质低很多 气泡电离后温度 上升、体积膨胀 、密度减小 气泡先发 生电离
固体电介质的原理和应用
固体电介质的原理和应用1. 简介固体电介质是一种材料，具有较高的绝缘性能和电容性能，广泛应用于电子电路、电力传输和储能等领域。
本文将介绍固体电介质的原理和应用。
2. 固体电介质的原理固体电介质材料可以在电场作用下产生极化效应，从而储存电荷并形成电容。
其原理主要包括以下几个方面：•极化效应：固体电介质中的原子或分子在外加电场作用下会发生极化，即正负电荷分离。
这种极化效应导致了固体电介质的电容性能。
•电介质的阻断特性：固体电介质具有良好的绝缘性能，可以阻断电流的流动，使其只通过电容器中的电介质。
•擦除效应：固体电介质经过一段时间后，可以通过施加反向电场来擦除其极化效应，恢复到初始状态。
3. 固体电介质的应用固体电介质作为一种重要的电子材料，在各个领域都有广泛的应用。
以下是固体电介质的几个主要应用场景：3.1 电子电路固体电介质广泛应用于电子电路中的电容器。
固体电介质电容器具有较高的电容值和稳定性，可以用于电源滤波、信号耦合、定时电路等。
其电容值通常比传统的液体电解电容器大，且可以在更宽的温度范围内工作。
3.2 电力传输固体电介质材料在电力传输系统中可用作绝缘材料。
具有良好绝缘性能的固体电介质可以减少电力损耗，并提高电力传输的效率。
此外，固体电介质还可以用于电力传输系统中的电容器，用来储存能量和平衡电压。
3.3 电力储存固体电介质也被用于电力储存设备，如超级电容器。
超级电容器可以快速充放电，具有高能量密度和长寿命的特点，被广泛应用于储能系统、电动汽车等领域。
3.4 传感器固体电介质的极化效应还可以用于制造传感器。
通过测量固体电介质中极化电荷的变化，可以获取环境中的温度、湿度、压力等信息。
固体电介质传感器具有体积小、响应快的特点，适用于各种环境监测和控制系统。
3.5 其他应用除了以上几个主要应用场景外，固体电介质还被用于声学器件、光学器件、温度补偿器等领域。
固体电介质的特性使其在这些领域中有着独特的应用价值。
液体和固体介质的电气特性(2016luo)
② 偶极子极化非弹性，产生能量损耗；
极化中偶极子旋转要克服分子间的作用力，而消耗的电场
能量在复原时无法收回 ③ 温度对偶极子极化影响大
a) 对于极性气体介质
温度↑→分子热运动加剧→阻碍偶极子排列→极化↓ b) 对于极性液体和固体介质（双向作用） 低温下随温度的升高→分子间联系减弱→偶极子转向 容易→极化加强 但当热运动变得较强烈时→分子热运动阻碍极性分子 沿电场取向→极化减弱
极化机理
设Ⅰ、Ⅱ两种介质面积厚度相等，外加电压为直流电压U
①
t=0，合闸瞬间，电容开始充电：电压 分配与电容成反比
U1 U2
t 0
C2 C1
ε1γ1
ε2γ2
②
t=∞，达到稳态，电容充电完毕：电压 分配与电导成反比
直流电压下
U1 U2
t
G2 G1
ε——电介质的介电常数 γ——电介质电导率
极性电介质
由极性分子组成的电介质。
离子性电介质
分子由离子键构成的电介质，只有固体形式。
二．电介质的极化
1. 极化的概念和相对介电常数
① 电介质的极化——电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于 电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。 实验显示，加同样大小直流电压U 极板中为真空时：极板上电荷量 为Q0； 极板中为固体介质时：极板上电 荷量增加了，为Q0+Q’
ε——电介质的介电常数 γ——电介质电导率
若设C1＜C2、G1＞G2则： t = 0时：U1＞U2 ； t 时：U1 ＜ t =0后，随时间增大， U1减小而U2 增大，总的电压U保 持不变。即C1上一部分电荷要通 过G1放掉，而C2要从电源再吸收 一部分电荷，这一部分电荷称为 吸收电荷。
第二章 液体、固体电介质的电气性能
（4）跟电压有关 • 当E较小时tgδ较小，当E增大到某一临界值时， tgδ将急剧增加（∵出现了电晕损耗，∴可以 制作tgδ=f(U）关系曲线来判断介质中是否存 在局部放电） • 当固体介质中含有气隙时，可能出现局部放电， 使绝缘老化加速，因此常采用干燥、浸油或充 胶等措施来消除气隙。 • 固体介质与金属电极接触处的空气隙，经常采 用短路的办法，使气隙内电场为零。
E1 ε r2 E2 ε r1
（3）介质损耗与极化类型有关 （4）可用来判断绝缘状况
二、电介质的电导
1、定义： 在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而 现成电流的现象。
2、电介质电导与金属电导的区别 （1）载流子不同（前者：离子;后者：电子） （2）电导率不同（前者：很小;后者：很大） （3）温度系数不同（前者：正的;后者：负的）
●纯净油：击穿过程采用碰撞游离理论，与气体同。即初始 电子向电极运动过程中，碰撞游离导致击穿。 纯净油提炼困难，即使提炼出来，保持也困难。
2、工程用液体电介质的击穿机理
总含有杂质——小桥击穿理论 水、纤维的相对介电常数大 易极化 沿电场定 向排列 形成杂质小桥 电导大 泄漏电流 增加 小桥发热 油、水分汽化 形成气 体小桥 气体中的E比油中高得多（因为与相对 常数成反比） 气体小桥击穿 液体电介质击 穿
5、影响电介质电导的主要因素 （1）温度
B T
γ Ae
（2）杂质
要注意防潮
6、电介质电导在工程实际中的应用
（1）用来判断绝缘状况 。 （2）DC作用下，电介质中各层电压分布规律。
U 1 G2 U 2 G1
（3）表面绝缘电阻的合理应用 a.为了减小表面泄漏电流以提高放电电压，应使表 面电阻增大;
●油电气强度试验： 标准油杯，注入油，击穿五次，取平均值，与标准对比。>标准值，合 格，否则，不合格。
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
液体和固体电介质的击穿特性
三、提高液体电介质击穿电压的方法
1. 提高以及保持油的品质 采用过滤等手段消除液体中的杂质，并且防止液体与空气接触从空气中吸收 水分。该方法能够避免形成杂质“小桥”，从而达到提高击穿电压的目的。 2. 复盖层 在金属表面紧贴一层固体绝缘薄层，使“小桥”不能直接接触电极，从而在 很大程度上减小了泄漏电流，阻断了“小桥”热击穿的发展。适用于油本身品质较 差，电场较均匀、电压作用时间较长的情况。在变压器中常利用较薄的绝缘纸包裹 高压引线和绕组导线。
➢ 电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响 还不能显示出来，仍为电击穿，这时影响油隙击 穿电压的主要因素是电场的均匀程度；
➢ 电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击 穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为 热击穿。
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5、油压的影响
不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电 压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电 压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。
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（三）工程用变压器油的击穿过程及其特点
可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形 成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥，有热的过程，属 于热击穿的范畴。
由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向极化定向， 并排列成杂质小桥。
发生两种情况：
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击穿理论——（3）电化学击穿理论
介质劣化的结果。
介质的局部区域发生局部放电，这种放电并不立即形成贯穿性通道
，而是非完全击穿，它使介质引起化学离解，形成树枝状通道，这 些树枝状通道，随时间推移不断伸长，使绝缘进一步劣化，最终发 展到整个电介质击穿。
第二章_液体、固体电介质的电气性能
对串、并联电路，有：P1=P2
CP
CS
1tg2
一般tgδ＜＜1，即tg2δ 0,
所以CP≈CS=C,则 P=P1=P2=U2ωCtgδ
4.电介质的损耗及其影响因素 影响电介质损耗的因素主要有温度、频率和电
压。不同的电介质所具有的损耗形式不同，从而温 度、频率和电压对电介质损耗的影响也不同。 5.介质损耗在工程实际中的应用
固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分
和污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。介
质吸附水分的能力与自身结构有关。 有亲水性介质
和憎水性介质。
所以，介质的绝缘电阻实际上是体积电阻和表
面电阻两者的并联值
R RV RS RV RS
RS---表面泄漏电阻
RV---体积泄漏电阻
5.影响电介质电导的主要因素
IEC规定的电工绝缘材料的耐热等级（最高持续温度）：
Y（O） A
E
B
F
H
C
90 105 120 130 155 180 220℃
如果材料使用温度超过上述规定，绝缘材料 就将迅速老化，寿命大大缩短。实验表明，对A级 绝缘，温度每增加8℃，则寿命缩短一半左右，这 通常称为热老化的8℃原则。对B级和H级绝缘材料 而言，当温度每升高10℃和12℃时，寿命也将缩 短一半。
1.介电常数
组合绝缘的相对介电 常数ε为
S
(1 x) x S
x
s --固体电介质的相对介电常数
x --浸渍介质的相对介电常数
2.介质损耗
组合绝缘的组合绝缘的总介质损失角正切为
tg1(t1g xS xS )x 1(t1g xxxS )x
tg S --固体电介质的介质损失角正切
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固体电介质的电气性能
一、电介质：能在其中持久建立静电场的物质。
二、分类：非极性及弱极性电介质、偶极性电介质和离子性电介质。
三、电介质的极化：电子位移化、离子位移化、转向极化、夹层介质界面极化和空间电荷极化。
四、固体介电常数：非极性及弱极性固体电介质（介点常数：2.0~2.7）、偶极性固体电介质（介点常数：
3~6）、离子性电介质（介点常数：5~8）。
五、固体电介质的电导
体积电导
微观上是由电介质或杂质的离子造成电导，宏观上由于纤维材料或多孔性材料易吸水，电阻率较低。
表面电导
干燥清洁的固体介质的表面电导很小，主要是由表面吸附的水分和污物引起的，介质吸附水分的能力与自身结构有关，是介质本身固有的性质。
固体介质可按水滴在介质表面的浸润情况分为憎水性和亲水性两大类，如下图1所示。
如果水滴
的内聚力大于水和介质表面的亲和力，则表现为水滴的接触角大于90。
，
即该固体材料为憎水性材料。
憎水性材料的表面电导小，表面电导受环境湿度的影响较小。
非极性和弱极性介质材料如石蜡、硅橡胶、硅树脂等都属于憎水性材料。
如果水滴的内聚力小于水和介质表面的亲和力，则表现为水滴的接触角小于90。
，即该固体材料为亲水性材料。
亲水性材料的表面电导大，且表面电导受环境湿度的影响大，偶极性和离子性介质材料都属于亲水性材料。
采取使介质表面洁净、干燥或涂敷石蜡、有机硅、绝缘漆等措施，可以降低介质表面电导。
图
1
六、电介质的能量损耗
在交流电压作用下介质的能量损耗除漏导损失，还有极化损失。
图2为介质在交流电压作用下，流过介质的电流U 和I 间的向量图。
由于存在损耗，U 和I 之间的夹角不再是90度，Ic 代表流过介质总
的无功电流，Ir 代表流过介质总的有功电流，Ir 包括了漏导损失和
极化损失。
从直观上看，若Ir 大，则损失大，因此用介质损失角正
切值tan δ代表在交流电压下的损耗。
tanδ= Ir / Ic
漏导电流，又称为泄漏电流，是由介质中自由的或相互联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的，随温度上升，电阻率下降。
非极性及弱极性固体电介质、结构较紧密的离子性介质，极化形式主要是电子位移极化和离子位移极化，没有能量损耗，这类介质的损耗主要由漏导决定。
这类介质的tanδ较小，象云母、聚乙烯、硅橡胶等都是这类材料。
偶极性固体介质、结构不紧密的离子性介质，除具有漏导损失外，还有极化损失。
tanδ的意义
1、选择绝缘材料tanδ过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。
2、在预防性试验中判断绝缘状况如果绝缘材料受潮或劣化，tanδ将急剧上升，可通过tanδ和
U的关系曲线来判断是否发生局部放电。
七、固体电介质的击穿
电击穿固体电介质中存在的少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子碰撞，从而击穿。
特点是电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关，但和电场的均匀程度关系极大。
热击穿由于电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。
在电介质发热和散热的平衡过程中，如果温度过高，会引起电介质的分解炭化，最终击穿，成为热击穿。
电化学击穿在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生了不可逆的劣化，最终导致击穿，称为电化学击穿或电老化。
电老化的类型有电离性老化、电导性老化和电解性老化。
前两种是在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生。
有机电介质表面绝缘性能的破坏，还有漏电起痕。
1、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，所以气隙或气泡内很容易发生电离。
气隙或气泡的电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中放电发展通道会呈现树枝状，称为“电树枝”。
2、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（如水），则当该处场强超过某
定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入绝缘层中，形成近似树状的痕迹，称为“水树枝”。
产生水树枝的原因是水或其它电解液中的离子在交变电场下反复冲击绝缘物，使其发生疲劳损坏和化学分解。
电解液便随之逐渐渗透、扩散到绝缘深处。
3、电解性老化在直流电压的长期作用下，即使所加电压远低于局部放电的起始电压，由于介
质内部进行着电化学过程，电介质也会逐渐老化，最终导致击穿。
无机绝缘材料在直流电压长期作用下，也存在显著的电解性老化。
4、表面漏电起痕及电蚀损在潮湿、脏污的介质表面会流过泄露电流，在电流密度较大处会先
形成干燥带，电压分布随之不均匀，在干燥带上会分担较高电压，从而会形成放电小火花。
此种放电现象会使绝缘体表面过热，局部炭化、烧蚀，形成漏电痕迹，漏电痕迹的持续发展可能逐渐
形成沿绝缘体表面贯通两端电极的放电通道。
八、影响固体电介质击穿电压的主要因素
1、电压作用时间
电压作用时间越长，击穿电压越低。
当电压作用时间足够长，以致引起热击穿或电老化时，击穿电压急剧下降。
因此在选择绝缘材料、绝缘结构、工作场强等时，一定要注意长期电气强度。
2、温度
环境温度高到一定程度，电击穿转为热击穿，击穿电压大幅度下降。
3、电场均匀程度
在均匀电场中，击穿电压随介质厚度的增加而线性增加，在不均匀电场中，介质厚度越大，电场越不容易均匀，击穿电压不再直线上升。
当介质厚度增加到散热困难出现热击穿时，继续增加介质厚度就没意义。
4、电压种类
冲击击穿电压比工频峰值击穿电压高，直流电压下固体电介质损耗小，直流击穿电压也比工频峰值击穿电压高，高频下局部放电严重，发热也严重，其击穿电压最低。
5、累积效应
固体绝缘的损伤是不可恢复性损伤，因此具有累积效应。
6、受潮
对不易吸潮的材料，受潮后击穿电压下降一半左右，对易吸潮的材料，受潮后击穿电压可能仅剩几百分之一。
7、机械负荷
机械应力可能造成绝缘材料的开裂、松散，使击穿电压下降。