2013 第5章 液体和固体介质的电气特性解读
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第章 液体和固体介质的电气特性(一)
第章液体和固体介质的电气特性(一)第章液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性是电学中一个重要的研究领域，涉及到电光、电热、电磁等多个方面。
了解液体和固体介质的电气特性，对于电学理论的掌握和电气工程实践的应用都有着重要的作用。
一、液体介质的电气特性液体介质的电气特性主要包括电导率、介电常数和电容率等。
电导率是指液体介质的导电能力，其大小与介质中自由电荷的浓度和电荷运动的速度有关。
介电常数是指液体介质中电场强度和电荷密度之比，反映了介质对电场的响应程度。
电容率则是指液体介质中存储电荷的能力，与介质的物理结构和电荷分布有关。
液体介质的电气特性有着广泛的应用，在电解、电沉积、电化学计量、生物电化学等方面都有着重要的作用。
同时，液体介质的电气特性也对于电解质电容、宽带电容和电动机的设计有着重要的影响。
二、固体介质的电气特性固体介质的电气特性包括电极化、电阻率和电导率等。
电极化是指固体介质在电场作用下产生电极化效应，也就是产生电荷极化现象。
电阻率则是指固体介质的导电能力的倒数，其大小与介质中自由电子的浓度和电子的运动状态有关。
电导率则是指固体介质中电流的传导能力，其大小与电子的浓度和载流子的迁移率有关。
固体介质的电气特性也具有着广泛的应用。
例如，铜与铝的电导率较大，适合用于制作导线。
固体绝缘体的电阻率很大，适合用于制作电绝缘材料。
同时，固体半导体的电极化、电阻率和电导率等特性也对电子器件的设计和制造具有着重要的影响。
三、液体和固体介质的相互作用液体和固体介质也可以相互作用，改变彼此的电气特性。
例如在微电子制造过程中，采用溶胶-凝胶法制备的氧化铝涂层，可以显著提高铝导线的抗电迁移性。
固体-液体界面的电化学反应还可以生成一些有用的电化学产物，例如电镀硬化层和抗腐蚀层等。
总之，液体和固体介质的电气特性研究是电学中的一个重要领域。
了解液体和固体介质的电气特性不仅有助于电学理论的深入掌握，更能够推动电气工程实践的应用与发展。
液体和固体介质的电气特性
杂质中εr大 引起油电离
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
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高电压技术
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
Ub（有效值）/kV
2. 覆盖层
电压作用时间为数十到数百微秒 无杂质的影响，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 杂质开始聚集，油隙的击穿开 始出现热过程，击穿电压再度 下降，为热击穿。
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高电压技术
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
5. 压力
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高电压技术
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
④ 含气量 溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降。 所溶气体的来源：直接、分解、电解
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高电压技术
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
判断变压器油的质量，主要依靠测量 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
② 含纤维量 电场作用下，纤维形成“小桥”，使油的击穿电压降低； 有很强的吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为 严重。
③ 含碳量 碳粒的产生：电弧 碳粒对油耐电强度作用的两个方面： 碳粒具有较好的导电性，局部场强增加，击穿电压降 低； 活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力。
① 含水量
液态水在油中的两种状态：
40
以分子状态溶解于油中，
液体和固体介质的电气特性
3
祛气 将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到去除油中水分和气体的用措施为覆盖层、绝缘层和屏障。
5.2.2 减小杂质影响的措施
高电压工程基础
高电压工程基础
5.3 固体介质的击穿 固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。
反映有损极化 吸收电流
纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但
1
其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm）
2
工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般
3
在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在
4
标准试油杯中所得数据）
5
原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引
5～7 5.5～6.5
1
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
5.1.2 电介质的电导
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。
6
起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”，
7
引起击穿，即“小桥理论”。
8
5.2 液体介质的击穿
高电压工程基础
高电压工程基础
黄铜电极 油间隙距离2.5mm
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
绝缘外壳
高电压工程基础
（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。
高电压工程基础
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。
固体液体的放电特性课件
E<E0：当U增大，tgδ几乎不变； E>=E0：由于存在弱点或气泡发生局部放电，tgδ急 剧增加。 采用较高的电压测量损耗角正切值，可以发现介质 中夹杂的气隙、龟裂等缺陷。
固体液体的放电特性课件
4. 固体介质的损耗
➢有机绝缘材料
✓极性介质：聚氯乙烯、纤维素、酚醛树脂、胶木、
绝缘纸
tgδ=0.1%～1.0%，与T、f的变化关系与极性液体
二、固体介质的击穿理论
1.电击穿理论
纯电击穿理论（自由电子） 集体电子击穿理论（电子的活化） 空间电荷理论（空间电荷作用增强的结果） （1）场合
固体介质的电导很小、又有良好的散热条件及介质内 部不存在局部放电情况，Eb一般达105～106kV/m，作用时 间很短。 （2）特征 ➢击穿电压几乎与周围环境温度无关 ➢除时间很短的情况外，Ub与作用时间关系不大 ➢介质发热不显著 ➢电场的均匀程度对击固穿体液电体的压放有电特显性课著件 影响
第1节 电介质的极化、电导和损耗
主要内容： 一、介质的极化 二、电介质的电导 三、介质的损耗
在电场强度比介质的击穿场强小得多的电场下， 各类电介质都有极化、电导、损耗等电气物理现象, 主要注意液体和固体介质在这些方面的特性。
固体液体的放电特性课件
一、电介质的极化
介电常数 （ εr）：反映电介质的极化特性。 1. 极化类型
纤维桥接击穿和被掩盖的气体放电有什么关系？
固体液体的放电特性课件
二、影响液，油量，温度 ➢实验项目：用标准油杯测量油的工频击穿电压。
电极的边缘为半圆形，以 减弱边缘效应，使极间电场基 本均匀。
固体液体的放电特性课件
固体液体的放电特性课件
固体液体的放电特性课件
二、电介质的电导
固体液体的放电特性课件
4. 固体介质的损耗
➢有机绝缘材料
✓极性介质：聚氯乙烯、纤维素、酚醛树脂、胶木、
绝缘纸
tgδ=0.1%～1.0%，与T、f的变化关系与极性液体
二、固体介质的击穿理论
1.电击穿理论
纯电击穿理论（自由电子） 集体电子击穿理论（电子的活化） 空间电荷理论（空间电荷作用增强的结果） （1）场合
固体介质的电导很小、又有良好的散热条件及介质内 部不存在局部放电情况，Eb一般达105～106kV/m，作用时 间很短。 （2）特征 ➢击穿电压几乎与周围环境温度无关 ➢除时间很短的情况外，Ub与作用时间关系不大 ➢介质发热不显著 ➢电场的均匀程度对击固穿体液电体的压放有电特显性课著件 影响
第1节 电介质的极化、电导和损耗
主要内容： 一、介质的极化 二、电介质的电导 三、介质的损耗
在电场强度比介质的击穿场强小得多的电场下， 各类电介质都有极化、电导、损耗等电气物理现象, 主要注意液体和固体介质在这些方面的特性。
固体液体的放电特性课件
一、电介质的极化
介电常数 （ εr）：反映电介质的极化特性。 1. 极化类型
纤维桥接击穿和被掩盖的气体放电有什么关系？
固体液体的放电特性课件
二、影响液，油量，温度 ➢实验项目：用标准油杯测量油的工频击穿电压。
电极的边缘为半圆形，以 减弱边缘效应，使极间电场基 本均匀。
固体液体的放电特性课件
固体液体的放电特性课件
固体液体的放电特性课件
二、电介质的电导
液体固体电介质特性
等）， tg 值较大，高频下更为严重。与温度、频率
的关系与极性液体相似
介质损耗正切角（tg )
三、影响tg 的主要因素 之一：温度
tg f2 f1 f1 f2
1
2
t1 t2
t
tg和温度的关系
t<t1:极化损耗、电导 损耗都上升
t1<t<t2:极化减弱，电 导上升，极化占主导
t>t2:极化减弱，电导 上升，电导占主导
350
300 区域A 区域B
250
Φ50
200
区域C
150 100
Φ100
μs 50
s min
278h
0
10-1 1 10 1 10 2 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012
时间（μs）
电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系
1. 固体电介质击穿特性的划分 区域C：击穿电压随击穿前时 间的增加而明显下降，具有 热击穿的特点
t（s）
101 102 103
极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
(虚线表示未经研究的区域)
影响因素（4）：电场均匀程度
高纯净液体：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。
品质较差的液体介质：因杂质的聚集和排列已使电场 畸变，因而改善电场分布提高击穿电压的作用并不明 显。
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％
四、讨论介质损耗的意义
在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tgδ值， 如果过大而引起严重发热，将使材料容易劣化，故尽 可能选择tgδ较小的材料。
当绝缘受潮或恶化时，tgδ会急剧增大，因此经常监测 tgδ值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。
的关系与极性液体相似
介质损耗正切角（tg )
三、影响tg 的主要因素 之一：温度
tg f2 f1 f1 f2
1
2
t1 t2
t
tg和温度的关系
t<t1:极化损耗、电导 损耗都上升
t1<t<t2:极化减弱，电 导上升，极化占主导
t>t2:极化减弱，电导 上升，电导占主导
350
300 区域A 区域B
250
Φ50
200
区域C
150 100
Φ100
μs 50
s min
278h
0
10-1 1 10 1 10 2 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012
时间（μs）
电工纸板的击穿电压 与电压作用时间的关系
1. 固体电介质击穿特性的划分 区域C：击穿电压随击穿前时 间的增加而明显下降，具有 热击穿的特点
t（s）
101 102 103
极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
(虚线表示未经研究的区域)
影响因素（4）：电场均匀程度
高纯净液体：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。
品质较差的液体介质：因杂质的聚集和排列已使电场 畸变，因而改善电场分布提高击穿电压的作用并不明 显。
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％
四、讨论介质损耗的意义
在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tgδ值， 如果过大而引起严重发热，将使材料容易劣化，故尽 可能选择tgδ较小的材料。
当绝缘受潮或恶化时，tgδ会急剧增大，因此经常监测 tgδ值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。
3液体和固体介质的电气特性
/22
交流时：流过电介质的电流 I 包含有功分量 I R 和无功分量I
即
c
I IR IC
此时介质的功率损耗：
介质损耗角δ为功率因数角 的余角，其正切tgδ 又可称为介质损耗因数，常用百分数（％）来表示。 通常采用tgδ作为综合反映介质损耗特性的一个指 标。（为什么不采用介质损耗P？）
电介质的极化有五种基本形式：
电子式极化 离子式极化 偶极子（转向)极化 夹层极化 空间电荷极化
（一）电子式极化 在外电场 E 的作用下介质原子中的电子 运动轨迹将相对于原子核发生弹性位 移，正负电荷作用中心不再重合而出 现感应偶极矩 m q l 极化机理：电子运动轨道偏离原子核 介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，约10-15 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性； 消耗能量：无
各种极化类型的比较
极化类 型 电子式 离子式 偶极子 式 夹层介 质界面 空间电 荷
产生场合
任何电介质 离子式结构 电介质 极性电介质 多层介质 交界面 电极附近
极化时间 (s) 10-15 10-13 10-10～102
极化原因
束缚电荷的位移 离子的相对偏移 偶极子的定向排 列
能量损 耗 无 几乎无 有 有
上述三支路等值电路可采用并联等值电路或串联等值电路来 分析。 并联－－电导损耗 串联－－极化损耗
1、并联等值电路
2、串联等值电路
有损电介质可用一只理想的无损耗电容Cs 和一个电阻r 相串联的等值电路来代替，如图所示。
5-液体和固体介质的电气特性
高电压工程基础
（2）电介质电导与金属电导的本质区别 电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和 杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电 介质电导是离子性电导；而金属的电导是由金属导体 中的自由电子造成的，所以是电子性电导。 电介质的电导很小，其电阻率一般为109～1022Ω·cm; 而金属的电导很大，其电阻率仅为10-6～10-2Ω·cm。
并联等效电路
串联等效电路
等效电路只有计算上的意义，并不反映介质损 耗的物理过程。
高电压工程基础
并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的 比值。 串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的 比值。
IR U /R 1 U2 tan ；P C pU 2 tan I C U C p RC p R
高电压工程基础
温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧 密，不易极化。温度较高时，分子热运动加剧，妨
碍极性分子沿电场方向取向，所以随温度增加极化
程度先增加后降低。
高电压工程基础
4、电介质的相对介电常数
Q0 0 A 对于平行平板电容器，极间为真空时： C0 U d
电极间放置固体介质时，电容 量将增大为： Q0 Q A
高电压工程基础
介质损耗为： P Q tan U 2C tan
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（介质损耗因数）来判断介质的品质。 tanδ仅反 映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关。
高电压工程基础
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。
液体和固体介质的电气特性 (2)
4、电压作用时间 击穿电压随电压作用时间的增加而下降。
5、油压的影响 工频击穿电压随油压 的增加而提高。 ①气泡的电离电压提高；②气体 （因为油中的气泡等杂质不影响冲击击 穿电压）
第三节 固体介质的击穿
• 固体是非自恢复绝缘-----固体介质击穿后， 会留下放电痕迹，如烧穿、熔化、裂缝等， 从而永远丧失其绝缘性能。
“油-屏障”式绝缘中应用的固体杂质有三种不同的形式：
1、覆盖：紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。
电场越均匀杂质小桥对油隙击穿电压的影响越大，采用覆盖的 效果也越显著。
2、绝缘层：当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝 缘层，一般厚度为数毫米到数十毫米。
3、屏障：如果在油隙中放置尺寸较大、形状与电极相适应、厚 度为1~5mm的层压纸板（筒）或层压布板（筒）屏障，那么他既能 阻碍杂质小桥的形成，又能像气体介质中的屏障那样拦住一部分带 电粒子，使原有电场变得比较均匀，从而达到提高油隙电气强度的 目的。
• 电导损耗：直流电压、交流电压均存在 • 极化损耗：由有损极化引起，
– 如极性介质中周期性的偶极子极化、 夹层极化
– 仅交流电压存在。 • 施加直流电压：仅有电导损耗
– 可用体积电导率和表面电导率描述
• 施加交流电压：电导损耗和极化损耗同 时存在。
电介质损耗的测量
• 测量电路和交流电流的相量图 • 介质损耗公式：
介电常数 、介质损耗角正切 tan和击穿电场强度
（简称击穿场强）Eb来表示。
一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导 和损耗等电气物理现象。
第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗 一、电介质的极化
极化-----介质在电场的作用下，其束缚电荷 相应于电场方向产生了弹性位移或偶极子转向， 对外显示出极性。
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相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量
(a)
束缚电荷
Q' — 由电介质极化引起的
高电压工程基础
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，因而使电容量增 + + + + + + + 大。 E0
-
-
-
-
-
-
表面电阻率为：
l s Rs d
表面电导率为： 1 1 d d s Gs s Rs l l
表面电阻的测量电路
高电压工程基础
讨论电介质电导的意义
1. 电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时， 利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况 2. 直流电压作用下，分层绝缘时，各层电压分布与电阻成 正比，选择合适的电阻率，就可以实现各层之间的合理 分压 3. 注意环境湿度对固体绝缘表面电阻的影响，注意亲水性 材料的表面防水处理
高电压工程基础
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”。
高电压工程基础
5.1.2 电介质的电导
电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。 它们在电场下的定向移动，形成电流。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要） 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。 与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升 Ae kT
温度（有关）
极化弹性：非弹性 消耗能量：有
高电压工程基础
高电压工程基础
材料类别 气体介质 弱极性 极性 强极性 名称 εr（工频，20℃） 1.00059 空气（大气压） 2.2~2.5 变压器油 2.2~2.8 硅有机液体 4.5 蓖麻油 丙酮 酒精 水 22 33 81
液体介质
固体介质
中性或 弱极性 极性 离子性
-
极化前
极化后
电子式极化
极化的基本形式
离子式极化 偶极子极化 界面极化
无损极化 有损极化
高电压工程基础
1. 电子式极化
极化机理：电子偏离轨道 介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，10-1410-15s 极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性 消耗能量：无
高电压工程基础
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 Q tan U
2
C tan
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。
高电压工程基础
U1 C2 U 2 C1
U 1 G2 U 2 G1
B
当t=0:
U
当t=∞:
高电压工程基础
4. 夹层式（界面）极化
C 2 G2 一般情况下： C1 G1 电荷从t=0到 t=∞ 时会重新分配，在介质的交界面处积累电 荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。
电导损耗占主要部 分，tanδ重新随温度 上升而增加 分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损 耗减小
T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强， 极化损耗增加
f 2 >f 1
高电压工程基础
（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； 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。
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。 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。
C0反映电子式和 离子式极化
R反映电导损耗
直流情况呢？
C′，r支路反映 吸收电流
5、研发新型绝缘材料
高电压工程基础
电介质极化应用实例
平行平板电极间距离为 2cm，在电极上施加 55kV 的工 频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为 1cm 的 聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为 什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布 。
高电压工程基础
高电压工程基础
油间隙距 离2.5mm
黄铜电极
绝缘外壳
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
高电压工程基础
5.2.1 影响液体介质击穿的因素
（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。 均匀场中 影响较大
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
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
高电压工程基础
（2）温度的影响
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系 0～80℃，Ub提高 （水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下 降（水分汽化）； 低于0℃，Ub提高 （水滴冻结成冰粒）
干燥的油
受潮的油
标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
高电压工程基础
（3）油体积的影响
稍不均匀电场 T=100℃
稍不均匀电场 T=20℃ 极不均匀电场 T=20℃
随着间隙长 度的增加变 压器油的击 穿场强下降
变压器油中水分含量为31×10-6时的Ub与d的关系
高电压工程基础
规律：油的击穿强度随油体积的
增加而明显下降。
原因：间隙中缺陷(即杂质)出现
的概率随油体积的增加而增大。
高电压工程基础
（1）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），所 以可以做电容器介质。 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。线路电晕损耗
高电压工程基础
（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。
Q0 Q ' A C U d
Q Q0 U
Q Q0 Q ' U
(b)
相对介电常数： ' Q Q r C 0 0 C0 Q0
极化的时间常数：
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
高压绝缘介质的电导 G 通常都很小，因此夹层极化只有在 低频时才有意义。
同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。出 现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器 等复合绝缘中。
高电压工程基础
4. 夹层式（界面）极化
极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长，从数s到数h 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在）
高电压工程基础
1. 吸收现象
i
i=ic+ia+ig
ia
i
ic
ig
ic: 瞬时充电电流，无损极化 ia：吸收电流，有损极化 ig：电导电流，或泄漏电流
t
电介质中的电流与时间的关系
高电压工程基础
电介质的绝缘电阻
U R ig
定义：
U R (t ) i (t )
电介质中的绝缘电阻一般为M 特点： 1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。
高电压工程基础
高电压工程基础
讨论电介质损耗的意义
1. 选择绝缘材料。tanδ 过大会引起绝缘介质发热，甚至 导致热击穿。如蓖麻油因tanδ 过大而仅限于DC或脉冲 电压下，不能用于AC
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，预防性试验中可通过tanδ 与U 的关系曲线来判断是否发生局部放电 3. 当tanδ 大的材料需要加热时，可加交流电压利用本身 介质发热损耗发热，而且发热非常均匀
高电压工程基础
2. 体积电阻 RV=U/ig 体积电阻率为： S v Rv d 体积电导率为： 1 1 d d v Gv v Rv S S 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
高电压工程基础
3. 表面电阻
固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质 的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸 附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的 性质
（V-t）等；主要物理量为击穿场强
高电压工程基础
第5章 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
(a)
束缚电荷
Q' — 由电介质极化引起的
高电压工程基础
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，因而使电容量增 + + + + + + + 大。 E0
-
-
-
-
-
-
表面电阻率为：
l s Rs d
表面电导率为： 1 1 d d s Gs s Rs l l
表面电阻的测量电路
高电压工程基础
讨论电介质电导的意义
1. 电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时， 利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况 2. 直流电压作用下，分层绝缘时，各层电压分布与电阻成 正比，选择合适的电阻率，就可以实现各层之间的合理 分压 3. 注意环境湿度对固体绝缘表面电阻的影响，注意亲水性 材料的表面防水处理
高电压工程基础
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”。
高电压工程基础
5.1.2 电介质的电导
电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。 它们在电场下的定向移动，形成电流。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要） 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。 与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升 Ae kT
温度（有关）
极化弹性：非弹性 消耗能量：有
高电压工程基础
高电压工程基础
材料类别 气体介质 弱极性 极性 强极性 名称 εr（工频，20℃） 1.00059 空气（大气压） 2.2~2.5 变压器油 2.2~2.8 硅有机液体 4.5 蓖麻油 丙酮 酒精 水 22 33 81
液体介质
固体介质
中性或 弱极性 极性 离子性
-
极化前
极化后
电子式极化
极化的基本形式
离子式极化 偶极子极化 界面极化
无损极化 有损极化
高电压工程基础
1. 电子式极化
极化机理：电子偏离轨道 介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，10-1410-15s 极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性 消耗能量：无
高电压工程基础
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 Q tan U
2
C tan
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。
高电压工程基础
U1 C2 U 2 C1
U 1 G2 U 2 G1
B
当t=0:
U
当t=∞:
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4. 夹层式（界面）极化
C 2 G2 一般情况下： C1 G1 电荷从t=0到 t=∞ 时会重新分配，在介质的交界面处积累电 荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。
电导损耗占主要部 分，tanδ重新随温度 上升而增加 分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损 耗减小
T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强， 极化损耗增加
f 2 >f 1
高电压工程基础
（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； 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。
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。 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。
C0反映电子式和 离子式极化
R反映电导损耗
直流情况呢？
C′，r支路反映 吸收电流
5、研发新型绝缘材料
高电压工程基础
电介质极化应用实例
平行平板电极间距离为 2cm，在电极上施加 55kV 的工 频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为 1cm 的 聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为 什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布 。
高电压工程基础
高电压工程基础
油间隙距 离2.5mm
黄铜电极
绝缘外壳
标准试油杯（图中尺寸均为mm）
高电压工程基础
5.2.1 影响液体介质击穿的因素
（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。 均匀场中 影响较大
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
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
高电压工程基础
（2）温度的影响
干燥油的击穿 强度与温度没 有多大关系 0～80℃，Ub提高 （水分溶解度增加） 温度再升高，Ub下 降（水分汽化）； 低于0℃，Ub提高 （水滴冻结成冰粒）
干燥的油
受潮的油
标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系
高电压工程基础
（3）油体积的影响
稍不均匀电场 T=100℃
稍不均匀电场 T=20℃ 极不均匀电场 T=20℃
随着间隙长 度的增加变 压器油的击 穿场强下降
变压器油中水分含量为31×10-6时的Ub与d的关系
高电压工程基础
规律：油的击穿强度随油体积的
增加而明显下降。
原因：间隙中缺陷(即杂质)出现
的概率随油体积的增加而增大。
高电压工程基础
（1）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），所 以可以做电容器介质。 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。线路电晕损耗
高电压工程基础
（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。
Q0 Q ' A C U d
Q Q0 U
Q Q0 Q ' U
(b)
相对介电常数： ' Q Q r C 0 0 C0 Q0
极化的时间常数：
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
高压绝缘介质的电导 G 通常都很小，因此夹层极化只有在 低频时才有意义。
同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。出 现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器 等复合绝缘中。
高电压工程基础
4. 夹层式（界面）极化
极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长，从数s到数h 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在）
高电压工程基础
1. 吸收现象
i
i=ic+ia+ig
ia
i
ic
ig
ic: 瞬时充电电流，无损极化 ia：吸收电流，有损极化 ig：电导电流，或泄漏电流
t
电介质中的电流与时间的关系
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电介质的绝缘电阻
U R ig
定义：
U R (t ) i (t )
电介质中的绝缘电阻一般为M 特点： 1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。
高电压工程基础
高电压工程基础
讨论电介质损耗的意义
1. 选择绝缘材料。tanδ 过大会引起绝缘介质发热，甚至 导致热击穿。如蓖麻油因tanδ 过大而仅限于DC或脉冲 电压下，不能用于AC
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，预防性试验中可通过tanδ 与U 的关系曲线来判断是否发生局部放电 3. 当tanδ 大的材料需要加热时，可加交流电压利用本身 介质发热损耗发热，而且发热非常均匀
高电压工程基础
2. 体积电阻 RV=U/ig 体积电阻率为： S v Rv d 体积电导率为： 1 1 d d v Gv v Rv S S 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
高电压工程基础
3. 表面电阻
固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质 的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸 附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的 性质
（V-t）等；主要物理量为击穿场强
高电压工程基础
第5章 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