ε1>ε2>…>εn，且ε1r1=ε2r2=…=εnrn=常数。离缆芯较远 的介质层也能得到充分的利用，因此可使电缆尺寸缩小。
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➢ GIS中的环氧盘形支撑绝缘子
采用等 厚度的 盘形支 撑绝缘 子时， 沿面电 位分布 不均匀
改变绝缘 子形状使 电力线发 生折射， 可以使介 质界面上 电位分布 变均匀
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。
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
C′，r支路反映 吸收电流
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黄铜电极
油间隙距 离2.5mm
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。
W为1×10-4时已使 油的击穿强度降得 很低。含水量再增
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（2）介质界面与电极表面斜交的情况
介质2
介质 1
在介质2中发生折射
Et1
tan 1 En1 En2 1 tan 2 Et2 En1 2
En2
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P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大 大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加 以注意！
高电压工程基础 5.4.3 电场调整的方法 ➢ 采用分阶绝缘的电力电缆
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材料类别 气体介质
弱极性
液体介质
极性 强极性
固体介质
中性或 弱极性 极性
离子性
名称
εr（工频，20℃）
空气（大气压）
1.00059
变压器油 硅有机液体
2.2~2.5 2.2~2.8
蓖麻油
4.5
丙酮
22
酒精
33
水
81
石蜡 聚乙烯
2.0～2.5 2.25～2.35
聚氯乙烯
3.2～4
云母 电瓷
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1. 体积电阻
体积电阻的测量电路
体积电阻率为：
v
Rv
S d
体积电导率为：
v
1
v
1 Rv
d S
Gv
d S
其中， d（cm）为电介质厚度， S（cm2）为电极表面积。
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2. 表面电阻
表面电阻的测量电路
表面电阻率为：
s
Rs
l d
表面电导率为：
s
1
s
1 Rs
d l
Gs
d l
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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
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5.1 电介质的极化、电导与损耗
5.1.1 电介质的极化
1. 介电常数、相对介电常数
平行平板电容器在真空中的电容量为
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”。
有累积效应
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5.3.2 热击穿
概念：
绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引 起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急 剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质 中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料 的热破坏而导致击穿。 特点：
（1）击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高 试验电压时也常需要好几分钟。
（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目的。
（4）用固体介质减小油中杂质的影响 常用措施为覆盖 层、绝缘层和屏障。
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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。
高电压工程基础 5.3.1 电击穿
耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。
T升高，液体粘度减 小，偶极子极化增强，
极化损耗增加
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
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。
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）。
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。
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
其中， d（cm）为电介质厚度，
l（cm）为电极长度。
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 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来判断介质的品质。
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5.5 绝缘的老化
➢ 绝缘的老化
固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物 理变化和化学变化，导致其机械和电气性能的劣化。
➢ 绝缘老化的原因
热老化、电老化、机械力的影响、环境的影响
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
干燥的油
受潮的油
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）
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。
固体介质的电击穿过程与气体相似，碰撞电离形成 电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。
固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压有可 能低于单次冲击作用时的值。因为固体介质为非自恢复 绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分损伤，则多次作 用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象为累积效应。
基本无累积效应
-1.2/50μs波
+1.2/50μs波
工频电压
稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系
高电压工程基础
5.2.2 减小杂质影响的措施
（1）过滤 使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将 纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸 等也会被滤纸所吸附。
（2）防潮 绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空 干燥法去除水分。
5～7 5.5～6.5
高电压工程基础
5.1.2 电介质的电导
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
系：
Ae kT
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。
高电压工程基础
空气隙的 电容
与气隙串 联的介质
电容
Cm>>Cg>>Cb
局部放电的等效电路
绝缘完 好部分 的电容
高电压工程基础
电极间加上瞬时值为u的交流电压时，Cg上的电压瞬时值ug为:
ug
u
Cb Cg Cb
气隙的
放电电压
气隙的放电 熄灭电压
高电压工程基础
真实放电量：qr
Cg
CmCb Cm Cb
(Ug
Ur )
(Cg
Cb )(Ug
Ur )
不可测量
视在放电量：q
U
Cm
CbCg Cb Cg
真实放电量与视在放电量关系：
q
Cb Cg Cb
qr
单次局部放电的能量：
W
1 2
qUi
ห้องสมุดไป่ตู้
（Ui 为气泡放电时试品上的电压）
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5.4 组合绝缘的特性
5.4.1 油－屏障绝缘与油纸绝缘的特点