高电压技术第二章

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第二章

液体和固体电介质的绝缘特性

固体和液体也是电气设备常用的绝缘材料，这是因为 固体、液体电介质的绝缘强度要比气体大许多。然而，固 体、液体电介质的击穿各有特点，与气体击穿有很大的不 同。本章主要讨论固体、液体电介质的击穿物理过程。 液体介质：变压器油、电容器油、电缆油

固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、

硅橡胶 电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能 介电性能 电气强度

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表征参数： 电导率

(绝缘电阻率 ) tg

介电常数

介质损耗角正切 击穿电场强度

Eb

电介质的极化是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。介电常数来表示极化强 弱。

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2-1 电介质的极化电介质的极化：电介质在电场作用下，电介质中的带电质点在 电场作用下沿电场方向作有限位移

Qo=CoU

C0

0 Ad

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Q CU C d r Q0 C0U C0 0A 0 dεr:相对介电系数，表征电介质在电场作用下的极化程度

A

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用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr大的电介质， 因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因 为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗 也较大。 采用εr较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、

提高套管的沿面放电电压等

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在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使

用，这时应注意各种材料的εr值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强

度分布与串联各层电介质的εr成反比。 最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。现 简要介绍如下：

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一. 极化的基本形式(1) 电子式极化 其特点: a. 极化所需时间极短10 15 10 14 s

b. 极化时没有能量损耗

c.温度对极化影响极小d.外电场消失，整体恢复 中性

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(2). 离子式极化某些固体物质(云母、玻璃)结构属于离子结构其分子由正、负离子构成， 在无外电场环境中，正负离子的作用中心是重合的，而在外电场作用下，正负 离子作有限的位移，使作用中心不再重合，故显示出每个分子的正负极性。

其特点:

a. 极化过程极短，与频 率无关10 13 10 12 s

b. 极化过程无能量损耗 c. 温度对极化有影响,极 化随温度升高而增强， εr具有正温度系数。

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(3). 偶极子式极化胶木、橡胶等一些物质，在无外电场作用下，分子本身正负离子作用中心不重合， 被称为极性电介质，

每一个分子成为一个偶极子，偶极子不停地进行无规则的热运动， 排列混乱，但物质本身不表现出极性。当有外电场作用，偶极子顺电场方向转向，作有 规则的排列，形成了物质的极化。

其特点a. 极化所需时间较长,因而与频 率有关10 10 10 2 s

b. 极化过程有能量损耗，要克 服分子间的吸引力等。 c. 温度对极化影响很大,温度很 高和很低时,极化均减弱。

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偶极子极化与温度t的关系： 温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿 电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。

对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密， 偶极子转动比较困难，所以 r 很小。液体、固体介质的 r 在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强 烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱， r 又开始随着温度的上升而减小。

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(4). 空间电荷极化(夹层式极化)在大多数绝缘结构中，电介质常常呈层式结构或多层介质结构，如电缆、变 压器等，在电场作用下，带电质点在电介质中移动时，会在两层介质的界面上堆 积，造成电荷在介质空间中新的分布，这种现象被称为空间电荷极化，而空间电 荷极化主要表现在夹层式极化特性上。 当t

0

时：

当t

时：

U1 C2 U 2 C1

U 1 G2 U 2 G1G1 G2 分别为两种电介质的电导。

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设 C1 1 C 2 2

G1 2 G2 1

U 3当开关导通瞬间，等效电路如(a)图

U1 C2 U 2 C1得： C eq

U1 U 2 3

Q 2 U 3

当开关导通较长时间，等效电路如(b)图

U 1 G2 U 2 G1C ' eq

U1 U 2 3

Q' 4 U 3

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由此可见，电介质夹层的存在会造成夹层界面上的电荷堆积和等值电容的增 大，这就是夹层极化效应。由于夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的， 一般情况下，高压绝缘介质的电导很小，所以，这个极化过程是缓慢的，它的完 成时间从几十分之一秒到几分钟，甚至更长，因此，这种性质的极化只有在低频 时才有意义。

夹层极化效应是缓慢的，同样，其反过程也必然是缓慢的，为此，具有 夹层绝缘的设备断电后，要采用专门措施加快放电过程，普遍采用的方法是短路 放电方式，在电力系统中的大电容不加电压时通常都处于小电阻负载情况下就是 因为这种原因。

其特点 在两层电介质的界面上发生电荷的移动和积累,极化过程缓慢, 并有损耗。

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2-2

电介质的电导

电介质的导电与金属的电导有本质的区别。气体介质的电导是由电离出来的 自由电子、正、负离子在电场中移动而产生的，液体和固体的电导是由于介质的 基本物质(及其杂质)分子发生

化学分解或热离解形成的带电质点(电子、正、 负离子)沿电场方向移动而造成的，因此，属于离子式电导，即电解式电导。

1. 定义 介质在电场作用下,使其内部联系较弱的带电粒子作有规律的 运动形成电流,即泄漏电流.这种物理现象称为电导。表征电导过程强弱程度的物理量为电导率γ,或它的倒数电阻 率ρo