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
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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
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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”。
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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
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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
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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
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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。
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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
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（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
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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 。
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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）
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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
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（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
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（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
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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。
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（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
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（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。
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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）

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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。
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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
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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
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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
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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