电压击穿测定仪/电气强度仪器

ZJC-150KV电压击穿测定仪/电气强度仪器参数介绍：

1、输入电压：AC220V 50Hz 

2、输出电压：AC：0～150kV； DC：0～150kV

3、输出功率：15kVA

4、测量范围：AC15～150kV； DC15～150kV

5、测量误差： ≤2％

6、升压速率： 0.5kV/s～10kV/s

7、耐压时间：0～8H

8、漏电流： 1～30 mA可由计算机软件自由进行设定

9、电源 ：交流220V±10%的单相交流电压和50Hz±1%的频率

10、试验环境温度：15 ～ 30℃，相对湿度：0～85%能够稳定运行。

11、外形尺寸长×宽×高：1980mm×1220 mm×1750mm（参考）

12、设备自重：1500Kg（参考）

13、接地要求仪器需要单独接地，接地附合国家标准要求，金属棒深埋地下至少要1.5米以下

14、型号：ZJC-150kV电压击穿测定仪/电气强度仪器

绝缘材料(常称为电介质)，具有很高的电阻率(通常为106～109Ω·m)是电工中应用最广泛的一类材料。除了气体外，还应用固体、液体材料。固体材料除了做绝缘外，还可用做载流导体的支承，或作为极间屏障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。液体绝缘材料，还常作为载流导体或磁导体(铁芯)的冷却剂，在某些开关电器中可用它做灭弧材料。因此，对液体、固体物质结构以及它们在电场作用下新发生的物理现象的研究，能使我们了解并确定它们的电、热、机械、化学、物理等方面的性能。木章主要讲述液体、固体电介质的电气性能及影响其击穿电压的因素，从而了解判断其绝缘老化或损坏程度，合理地选择和使用绝缘材料。研究绝缘材料在电场作用下的物理现象是高压电气设备绝缘预防性试验的基础知识。

第一节  电介质的极化

由大小相等，符号相反、彼此相距为d的两电荷(+q、-q）所组成的系统称为偶极子。偶极子极性的大小和方向用偶极矩来表示，偶极矩的大小为正电荷(或负电倚)的电量q与正、负电荷间距离d的乘积，方向由负电荷指向电荷。

电介质内分子问的结合力称为分子键，分子内相邻原子间的结合力称为化学键，根据原子结合成分子的方式的不同，比介质分子的化学键分为离子键和共价键两类，分子的化学键类型取决于构成分子的原子间电负性差异的大小。原子的电负性是指原子获得电子的能力。当电负性相差很大的原子相遇时，电负性小的原子（金属元素)的价电子将被电负性大的原子(非金属元素)所夺去，得到电子的原子形成离子，失去电子的原子形成正离子，正、负离子通过静电引力结合成分子，这种化学键称为离子冠，当电负性相等或相差不大的两个或多个原子相互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子，这种化学健称为共价键

化学键的极性可用键矩(即化学键的极矩)来表示，离子链中正、负离子形成一个很大的键矩，因此它是一种强极性键，共价键中，电负性相同的原子组成的共价键为非极性共价键，电负性不同的原子组成的共价键为极性共价键：由非极性共价键构成的分子是非极性分子。由极性共价键构成的分子，如果分子由一个极性共价键组成，则为极性分子；如果分子由两个或多个极性共价键组成，结构对称者为非极性分子，结构不对称为极性分子

分子由离子键构成的电介质称为离子结构的电介质。分子由共价键构成，且分子为非极性分子的电介质称为非极性电介质，分子为极性分子的电介质称为极性电介质。

如图2-1所示，先将平行板电容器放在密封容器内，并将极板间抽成真空，在极板上施加直流电压U，这时极板上分别出现正、负电荷，其电荷量为Q0，如图2-1(a)所示，然后把一块固体介质(厚度与极间距离d相同)放于极间，施加同样电压，就可发现极板上的电荷增加到Q0+Q’如图2-1(b)所示。这是因为在外加电场作用下，使介质中彼此中和的正、负电荷产生位移，形成电矩，在极板上另外吸住了一部分电荷Q’，所以极板上电荷增加了，此现象为极化引起。极间真空时的电容可用下式表示

    (2-1)

式中：A为极板面积(m2)；d为极间距离(m）；ε0为真空介电系数，ε0=1/36Π×109F/m。

极间引入固体介质后

  (2-2)

由式(2-1)、式(2-2)可得介质的相对介电系数εr，即

  (2-3)

气体的εr接近于1，而常用的液体、固体绝缘的εr则各不相同，一般为2～6。各种介质的εr与温度、电源频率的关系也不一致，且与报化形式有关。

极化种类较多，基本形式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化三种。

一、电子式极化

物质是由分子或离子构成，构成分子的原子则为具有带正电的核与带负电的电子所组成，其电荷量彼此相等。无外电场作用时(E=0)正负电荷的作用中心重合，原子对外部呈中性，如图2-2(a)所示。

当有外电场时(E≠0)，如图2-2(b)所示。此时电子轨道对原子核发生位移，其作用中心与原子核的正电荷不再重合：正负电荷作用中心分开，对外呈现出一偶极子的形态，其极化强度(即正负电荷作用中心拉开的距离)随外电场的增加而增加。这种极化的特点为：

(1)极化过程极快(因电子质量极小)，约为10-15s。所以这种极化在各种频率范围均能产生，即其εr不随频率而变化。

(2)具有弹性，外电场除去后，依靠正负电荷的吸引力，其作用中心又会重合而呈现中性，所以这种极化没有损耗。

温度对电子式极化的影响不大。当温度升高时，电子与原子核的结合力减弱，使极化略有加强；但温度升高时，介质膨胀，单位体积内质点减少，又使极化减弱。在这两种相反的作用中，后者略占优势，所以εr具有很小的负温度系数，即温度升高时εr略有下降，其变化不大，工程上可予以忽略。

电子式极化存在于一切气体、液体、固体介质中。

二、离子式极化

固体无机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电场时，正负离子作用的中心是重合的，故不呈现极性，在外电场作用下，正负离子向相应电极编移，使整个分子呈现极性（图2-3)。离子式极化也属弹性极化，几乎没有损耗；极化过程也很快，不超过

10-13s，所以在使用的频率范围内可认为εr与频率无关。

温度对离子式极化的影响，也存在相反的两种因素，即离子间结合力随温度升高面降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，可使极化程度降低，其中以第一种因素影响较大，所以εr具有正温度系数。

三、偶极子极化

某些物质是由偶极分子组成。偶极分子是一种特殊的分子，它的电子的作用中心和原子核不相重合，好像分子的一端带正电荷，而另一端带负电荷，因而形成一个永久性的偶极矩如图2-4(a)所示。具有偶极子的电介质称为极性电介质：例如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木和纤维素等均是常用的极性绝缘材料。

单个的偶极子虽然具有极性，但无外电场作用时，偶极子处在不停的热运动中，分布异常混乱，对外的作用互相抵消，所以整个介质是不呈现极性的。在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场方向转动，作较有规律的排列，如图2-4(b)，因而呈现极性。

偶极子式极化是非弹性的，极化时消耗的电场能量在复原时不可能全部收回(因极性分子旋转时要克服分子间的吸引力，可想象为分子在一种黏性媒质中旋转时阻力很大一样)，极化所需的时间也较长，约10-10～10-2s。因此，极性介质的εr与电源频率有较大的关系。频率很高时偶极子来不及跟随外电场转动。因而其εr减小。图2-5给出极性液体—苏伏油(氯化联苯)的相对介电系数与温度，图中频率f1＜f2＜f3的关系。

温度对极性电介质的εr有很大的影响。温度升高时，分子间联系减弱，使极化加强；但同时分子热运动加剧， 妨碍它们有规则的运动，这又使极化减弱。所以极性电介质的εr最初随温度的升高而增加；以后，当热运动变得较强烈时，εr又随温度上升而减小。

综上所述可知：

(1)气体介质由于密度很小，也即单位体积内所含分子的数目很少，所以不论是非极性气体还是极性气体，其εr均很小，在工程上可近似地认为其等于1，

(2)液体介质可分为非极性、极性与强极性三种。非极性(或弱极性)液体的εr在1.8～2.5，变压器油等矿物油即属此类。极性液体的εr在3～6，如蓖麻油、氯化联苯即属此类。强极性液体如酒精、水等，其εr很大(e.＞10)，但此种液体介质的电导也很大，所以不能用作绝缘材料。

(3)固体介质的情况较复杂，用作高压设备绝缘材料的极性介质（如酚醛树脂，聚氯乙烯等)，非极性介质(聚乙烯，聚苯乙烯等)，以及离子性固体介质(如云母、陶瓷等)，其εr约在2～10。还有一些εr很大的固体介质，如钛酸钡等εr＞1000，不能用作高压绝缘材料。

四、夹层式极化

高压设各的绝缘花往由几种不同的材料组成，这时会产生“夹层介质极化”现象。这种极化的过程特别缓慢，而且伴随有介质损耗。

为了分析的简便，以平行电极间的双层介质为例，如图2-6所示：在图中右面是它的等值电路。外施电压为直流，在合闸瞬间，两层介质之间的电压与各层电容成反比(突然合闸瞬间相当于很高的频率)，即

到达稳态的情况，只有电导电流，层间电压与各层电阻成正比，也就是说和电导成反比，即

若介质是均匀的，则C1/C2=g1/g2。

因为                          c=

所以                        

式中: γ₁、γ₂为介质1、2的电导率(s/m)；A为平板电极面积(m2)：d为各层介质的厚度(m)。

当ε₁=ε₂，γ₁=γ₂时，C1/ g1= C2/ g2。这样可得

也即，如介质均匀，则合闸后两层之间不会发生电荷至新分配的过程。

如介质不均匀，则。

所以合闸后，两层介质之间有一个电压重新分配的过程，也即C1、C2上的电荷要重新分配。

设C1＞C2而g1＜g2，则t=0时，U2＞U1；t→∞时，U1＞U2。 即t=0以后，U2逐渐下降而U1逐渐增大(因为U1+ U2= U是常数)。 也即U2上的一部分电荷要通过g2放掉，而C1则要从电源再吸收一都分电荷—称吸收电荷， 所以夹层的存在使整个介质的等值电容增大，因而称为夹层介质极化。

五、电介质极化在工程实际中的应用

(1)选择电容器的绝缘材料时，一方面要注意电气强度，另外则希望εr大。这样，电容器单位容量的体积和重量便可减小，但其他绝缘结构则往往希望材料的εr要小些。例如电缆的绝缘材料，其εr小时可使工作时充电电流减小。

(2)一般在高压设备中常是几种绝缘材料组合使用，这种情况下更要注意各材料εr值的配合。

当数种绝缘材料合用时，不同成分材料的介电系数的比值关系，常影响整个绝缘系统中电压分布，使外加电压的大部分常为介电系数小的材料所负担，因而降低了整个设备的绝缘能力。如图2-7所示，设有厚度为d1、d2的两种材料1、2，并用它们来负担两电极间的绝缘。这两种材料的介电系数分别为ε1、ε2，电容量分别为C1、C2。当施以交流电压U后，若略去材料的电导不计，s则有

由此可得                    

因为                    

所以              

假设ε₁＜ε₂，则E₁＞E₂,即在介电系数小的材料中承受较大的电场强度；反之，在介电系数大的材料中承受较小的电场强度。如果有气泡存在于材料中，气体的介电系数小，可以使其先行游离，使整个材料的绝缘能力降低。

(3)材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘老化和热击穿的一个重要因素

(4)夹层介质极化现象在绝缘预防性试验中，可用来判断绝缘受潮的情况。在使用电容器等电容量很大的设备时，必须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。s

第二节 电介质的电导(或绝缘电阻)

任何电介质总有一些联系弱的带电质点存在，在电场作用下，它们可作有方向的运动构成电流，因而任何电介质都具有一定的电导。在加直流电压U于介质时，初瞬间由于各种极化过程的存在，流过介质中的电流是随时间变化的，在一定时间后，极化过程结束，流过介质的电流趋于一定值I(泄漏电流)，与此对应的电阻称电介质的绝缘电阻(R∞)，可用下式求得

对固体介质，它应包括绝缘的体积绝缘电阻与表面绝缘电阻两部分。

如果要把绝缘的体积泄漏与表面泄漏分开，应在测量回路中加辅助电极，使表面造游不通过测量表计。

介质的绝缘电阻决定着介质中的泄漏电流，它将引起介质发热，加速绝缘老化。

介质电导(绝缘电阻之倒数)与金属电导不同，它比金属的电导小得多，且为离子性的（金属的电导是电子电导)，故与温度有关。温度越高，参与漏导的离子(介质本身或杂质的)越多，即电导电流越大，所以介质电阻具有负的温度系数(金属电器的温度系数是正值)。

图2-8给出了直流电压作用下流过介质的电流变化情况。i1为电容电流分量，它是由加压初瞬电极间的几何电容，以及介质中的电子式或离子式极化过程所引起的电流，i1存在时间很短，可认为瞬间完成的。i2为吸收电流分量，是由偶极式极化或夹层极化所引起，其存在时间较长，约为几分至数十分钟，有损耗。i2与时间轴所夹的面积，即为吸收电荷。一般地说吸收现象主要是由不均匀介质的夹层极化所引起的。I是泄漏电流(或称传导电流)，它与绝缘电阻值相对应，不随时间变化。于是介质中流过的总电流为

由此可画出图2-9的等值电路。其中C0代表无损极化与电极间几何电容的纯电容分支，C0中流过的电流为i1；ra、Ca代表有损耗极化电流分支，其中流过的电流为i2，即吸收电流；r∞代表泄漏电流分支，r∞中流过的电流为i∞=I。

气体介质的电导；在其伏安特性(图1-1)上，0a段可视为常数，此后就不再是常数了，通常气体绝缘工作在ab段。故只要工作在场强低于其击穿值时，可不必考虑。

液体介质电导：构成液体介质电导的因素主要有两种。一种是由液体本身的分子和杂质的分子离解为离子；另一种是液体中的胶体质点(如变压器油中悬浮的小水滴)，吸附电荷后变成带电质点。

中性液体的离子电导：主要是由杂质离子构成(杂质电导)，极性液体除杂质形成外还有本身分子形成的离子，故电导率较高，如前所述，水与精等强极性液体，本身电导已很大，不能作为绝缘材料，但在工程中，介质总不免含有一些水分，它在介质中起非常有害的影响。

影响液体介质电导的因素主要是杂质与温度，

固体介质的电导分体积电导与表面电导。体积电导由本身离子和杂质离子构成，其本身离子电导很小，故一般在温度不太高时，杂质电导起主要作用。杂质的形成可以是人为的为一定目的而加入的某种成分，有些是外界侵入的(水分)，故对多孔性材料，要进行防止水分侵入的处理

因体介质的表面，在干燥、清洁时，其电导很小。故其表面电导主要是附着于介质表面的水分与其他污物引起。此外也与介质本身的性质有关，对中性、弱极性介质、水分在其上不能形成连续的水珠，故表面电阻率较高（硅有机物、石蜡等)：有的介质部分溶于水，其电阻率较小(大部分玻璃属此类)，且与温度有关。对多孔性介质，其表面电阻、体积电阻均小(纤维材料即属此类)。

对一些防潮性差的介质，要采取表面处理，以增大其表面电阻，如绝缘子表面涂硅有机物等。

绝缘电阻在工程实际中的意义：

(1)在预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘的优劣或是否受潮。

(2)多层介质在直流电压下，电压分布与电导成反比，故设计用于直流的设备要注意所用介质的电导，应使材料使用合理。

(3)设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是湿度。

(4)并非所有情况下均要求绝缘电阻值高。如高压套管法兰附近上半导体釉，是为改善电压分布。

第三节 电介质损耗

由前所述，介质在电压作用下有能量损耗：一种是由极化引起的损耗，极性介质中偶极子转动有能量损耗，在多层介质中也会产生夹层介质极化引起损耗；另一种是电导引起的损耗。

直流电压作用下，由于无周期性的极化，因此损耗只是由电导引起，用体积电阻率和表面电阻率两个物理量已足够表达，故直流电压下不需再引入介质损耗这个概念。但在交流电压作用下，除电导损耗外，还有由于周期性的极化而引起的能量损耗：因此，需引入一新的物理量来表示，如图2-10所示。图2-10(b)为介质两端施加交流电压时的电压电流向量图（取电压为基准量)，由于介质中有损耗，所以电流不是纯电容性的电流，而是包含有功和无功两个分量，即

        (2-4)

所以电源供给的视在功率为

   (2-5)

由图2-10(b)功率三角形可见

(2-6)

用介质损耗P表示介质品质好坏是不方便的，因为P值和试验电压、试品尺寸等因素有关，不同的试品难以互相比较，故以介质损耗角正切tanδ(δ角为功率因数角φ的余角)来判断介质的品质：

有损耗的介质可以用一个理想电容器和一个有效电阻的并联或串联等值电路来表示。图2-11是用电阻、电容并联等值电路，从向量图上可看出

  (2-7)

 (2-8)

如用串联等值电路时，由于绝缘的tanδ都很小，损耗的表达式与式(2-8)相同。

该等值电路只有计算上的意义，并不能确切地反映物理过程。如果损耗主要是电导引起的，则常用并联等值电路。如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等值电路。但应注意，同一介质用不同等值电路表示时，其等值电容是不相同的。

气体介质在强电场作用下，除了电导、极化两种损耗外，还有气体游离引起的损耗。当电场强度不足以产生碰撞游离时，气体中损耗是由电导引起的，损耗极小(tanδ＜4×10-8)。所以常用气体(如空气、N2、CO2、SF2)作为标准电容器的介质。但当外施电压超过起始电压U0时，气体介质会发生局部放电，损耗刷增，如图2-12所示.这种现象在高压输电线上表现得极为突出，称电晕损耗。

固体介质中含有气泡时，在高压下也会发牛游离，并使湖体介质逐渐劣化。所以经常采用浸油、充胶等措施来消除气泡。.对于固体介质和金属电极接触处的空气隙，则经常采用短路的办法，使气隙内的电场强度降为零。例如35kV瓷内壁上半导体釉，通过弹性钢片与导杆相连；高压电机定子线圈槽内绝缘外包半导体层后，可嵌入槽内等。

中性或弱极性液体的拟耗主要来源于电导，故损耗较小。其损耗与温度的关系也和电导相似。

极性液体(如蓖麻油、氯化联苯等)以及极性与中性液体的混合物(如电缆胶是松香和变压器油的混合物)都具有电导和极化两种损耗，故损耗和温度、频率都有关系，如图2-13所示。当温度t≤t1时，由于温度低，故电导和极化损耗都很小。随着温度升高电导增加，电导损耗也增大；同时由于液体黏度是随温度上升而减少，故偶极子的极化增强，极化损耗也因而增加。所以在该段内tanδ就随温度升高而上升，直到t= t1时达极大值。在t1＜t＜t2范围内，由于分子热运动加快，妨碍偶极子在电场作用下作有规则的排列，极化强度反而减弱，所以极化损耗就随温度升高而减小，由于这一段内极化损耗的减小比电导损耗的增加更快，故总的看来tanδ随温度升高而下降。在t= t2时tanδ出现一级小值。t＞t2后，极化损耗已不起主要作用，电导损耗决定着总的损耗，故tanδ重新随温度上升而增加，

当频率增加时，tanδ的极大值出现在较高的温度下，这是因为频率高时，偶极子的转动来不及充分进行。要使极化进行充分，就必须减小黏度，即升高温度。

固体介质的情况比较复杂，通常将其分为分子式结构、离子式结构、不均匀结构和强极性电介质等四类。强极性电介质在高压设备上是不采用的。

分子式结构有中性和极性两种。中性分子式结构如纯石蜡、聚苯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等，其损耗主要由电导引起，这些介质的电导极小，故介质损耗非常小，在高频下也可使用。极性的纤维性材料有纸、纤维板等和含有极性基的聚合物，如聚氯乙烯，有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等。此类介质的tanδ与温度、频率的关系与极性液体相似，tanδ值较大，高频下更为严重。

离子式结构的介质，其tanδ与结构特性有关。结构紧密的离子晶体，且不含有使晶格畸变的杂质时，主要是电导式损耗，故tanδ极小，如云母。云母不仅tanδ小，而且电气强度高、耐热性能好、耐游离性能也好，故是优良的绝缘材料，在高频下也可使用。

在结构不紧密的离子结构中，有离子松弛式极化现象(介质中联系不紧密的离子能在外界电场作用下，从非定向的热运动中得到沿电场方向的位移)，这种极化同偶极子转向极化相似，也是有损耗的。所以这类介质的tanδ值较大，玻璃、陶瓷就属于这一类，但随成分和结构的不同，tanδ也相差悬殊。

不均匀结构介质在工程上较常遇到，如电机绝缘中使用的云母制品和广泛使用的油浸纸、胶纸绝缘。它们的损耗决定其中各成分的性能和数量间的比。

讨论介质损耗的意义在于：；

(1)在设计绝缘结构时，要注总材料的tanδ值，如tanδ值过大则会引起严重发热，使材料劣化、导致热击穿。

(2)在进行冲击测量时，其连接电缆绝缘的tanδ必须要小，否则冲击波在其中传播时波形将发生畸变，影响测量精度。

(3)在绝缘预防性试验中，tanδ的测量是一基本项目，绝缘受潮或劣化时，tanδ急剧增加，绝缘内部发生游离可根据tanδ=f(U)的曲线(如图2-12)来判断。

(4)用做绝缘材料的介质，tanδ小。用于其他场合，介质的发热有时可能成为有用。

第四节液体介质的击穿

一、液体介质击穿过程

对液体介质施加电压，当电压达一定值时，将使液体发生击穿，纯净液体介质的击穿过程可用碰撞游离来解释，即电子从电极上或液体分子本身分裂出来，是在电场作用下发生的。

纯净液体介质击穿场强虽高，但其提纯极其复杂，而且设备的制造及运行中又难免产生杂质，故在工业上应用的液体介质中总含有一些杂质，例如变压器油常因受潮而含水分，并有从固体材料中脱落的纤维，它们对油的击穿过程都有影响，由于水的介电系数很大，当被纤维吸收后，易沿电场方向排列，形成杂质“小桥”，当小桥连通电极时，将使泄漏电流增加，发热增多，因面又使水分汽化，气泡扩大。即使其不连通电极，由于吸潮纤维的存在，可使油中场强增高而导致其游离分解出气体，气泡增大，游离加强，最后可能在气体通道中形成击穿。

二、影响液体介质击穿电压的因素

(1)水分：水分可使液体介质击穿电压大大降低，如图2-14所示。因为小水珠的介电系数很大，水珠在电场力的作用下被拉长，并沿电场方向排列，当有相当数量的水珠时，便可在两极间形成一导电小桥，小桥连接两电极，就明显降低击穿电压。事实上，只有一定数量的水分能以悬浮状态存在于油中，多余的部分将沉积底部，所以水分增多，油的电气强度进一步降低是有限的。

由于液体中含有水分，故使其击穿电压随温度变化。在不同的温度下，水分在油中的存在可呈悬浮状或溶解状、溶解状时的水，由于它在油中呈高度分散，因此并不会使电气强度降低多少；相反地呈悬浮状时，将会使击穿电压显著降低，如图2-15所示。

温度由零开始上升，油中原来呈悬浮状的水逐渐随温度升高而变为溶解状，于是受潮变压器油的击穿电压明显增加(如图2-15中曲线2)，在60-80℃时，击穿电压最高；以后随温度继续升高，水分蒸发，在油中造成气泡，因而击穿电压又下降。温度由零开始下降，在0——5℃时，油中水分全部呈悬浮状，导电小桥最易形成，故击穿电压最低。温度继续下降时，水已结冰，其介电系数也下降，同时油本身也开始变稠、黏度增大，这些都使搭桥效应减弱，油的击穿压又提高。

（2）压力：油中含有气体时，其工频击穿电压随油的压力增大而升高，因压力增加时，气体在油中的溶解量增大，且气泡的局部放电起始电压也提高。

(3)纤维和其他杂质：油中杂质除水分外，还有其他固体杂质，如纤维。吸收水分的纤维在电场力的作用下，沿电场方向排列，组成导电小桥，形成击穿。此外，还有由于放电所产生的碳粒和氧化所生成的残渣等，它们都会使电场变得不均匀，还可附着于固体表面，降低沿面放电电压。

(4)电场均匀程度；油的纯净度越高时，改善电场均匀程度，就越能使工频、直流击穿电压提高。在品质较差的油中，改善电场均匀程度的效果并不显著，因杂质的影响能使电场畸变。在冲击电压作用下，由于油中杂质的作用减弱，改善了电场，能提高其击穿电压。

(5)电压作用时间：因为在油中杂质的聚集、介质发热等需要较长时间，故油间隙的击穿电压随电压作用的时间增大而下降。当液体的净度及温度增高时，将使电压作用时间对击穿电压影响减小。长期工作后的油，其电气强度的下降乃是由于油老化的结果。在油不太脏的情况下，1min耐压与长时间耐压值相差不大，因此，在试验时通常只加压1min。

油质量的检查是在标准油杯中工频电压下进行的。我国试油用的标准油杯电极尺寸(mm)如图2-16所示。

三、提高液体介质击穿电压的措施

对工程上使用的液体介质，可考虑以下方法。

(1)过滤与干燥：为除去油中水分、有机酸、纤维等杂质，常用压滤机过滤，或加吸附剂(白土、硅胶)处理。

为防止受潮，在大型变压器呼吸器内装干燥剂，或充氮保护和在油枕中用塑料气囊使油面不与空气直接接触：

(2)祛气：为除去油中气泡的影响，可采用此法，但对密封不严运行中的变压器作用不大。

(3)为消除纤维带来的导电小桥的危害，广泛采用油—固体组合绝缘，分下面三种情况。

1.覆层的作用

在稍不均匀电场中曲率半径较小的电极上，常楼盖以薄电缆纸或黄蜡布，或涂以漆膜。如图2-17(a)所示(对称电极时两个电极均应覆盖)，覆盖虽然很薄(零点儿米以下)。但它却限制了泄漏电流，阳止了杂质“小桥”的发展，使工频下击穿电压显著提高，分散性也明显下降。例如击穿电压在均匀电场中可提高70%～100%，在极不均匀电场中可提高10%~15%。因此，在充油的电力设备中极少采用裸导线。

2 绝缘层

如图2-17(b)所示，在不均匀电场曲率半径小的电极上，包以较厚的电缆纸或黄蜡布的固体绝缘层，它有一定厚度。故还可承受一定电压，改变油中电场分布，该绝缘层可使绝缘强度降低，提高整个间隙的工频击穿电压，如变压器引线上包的厚绝缘层及屏蔽线匝上的绝缘等：

3. 屏障

如图2-17(c)所示，在油隙中放置尺寸较大(与电极尺寸相适应)厚度在1-3mm的层压纸板或层压布板屏障，它既能阻止杂质“小桥”的形成，又能如气体介质中那样；当电极曲率小处先发生游离时，离子积聚在屏障一侧，使屏障与另一电极间电场变得均匀，从而使间隙的放电电压提高。屏障在极不均匀电场中效果最显著，如图2-18中，BB’为屏障，A、CC’为电极，当a/d≤0.4时，工频击穿电压可达无屏障时的两倍或更高。在均匀或稍不均匀电场中，屏障也有提高击穿电压的作用，这时其主要作用是妨碍了杂质在电极间移动形成通路。所以在充油套管、多油断路器、变压器等充油设备中都广泛采用屏障绝缘。

4.多重屏障

多重屏障将原来的油间隙分割成较小的间隙，如图2-17(e)所示，当间隙愈短时，击穿不易形成和发展，而短间隙的击穿场强较长间隙高，这样就可提高整个间隙的击穿电压。我国生产的电力变压器中已广泛采用这种薄纸筒，小油道的绝缘结构，可大大缩小变压器的尺寸。

第五节 固体介质的击穿

实验证明：随着施加于介质的电压的增加，当其达某一临界值(击穿电压)时，通过介质的电流剧增，发生了击穿。固体介质击穿后，便丧失了它的绝缘性能，变为导体(气、液态介质、当外施电压除去后绝缘性能还可恢复)

固体介质在电场作用下工作，并受热、机械、化学等的作用，都会对绝缘性能起变坏的作用，故介质的击穿过程是与以上各因素有关的。

一、固体介质的击穿过程

对固体介质加电压后，当介质中电场足够时，会使介质内存在的少量自由电子得到加速，产生碰撞游离，使电子数增多，导致击穿，这种击穿形式称为电击穿。其特点是：过程极快，约为10-6—10-8s；击穿电压值高，介质温度不高；击穿场强与电场均匀程度关系密切。与周围环境温度无关。

在固体介质受电压作用时间较长时，由于介质中发生损耗的热量大于发散的热量时，介质温度便升高，而介质又具有负的温度系数，这将会使电流进一步增大。因此，损耗发热也随之增大，最后温升过高，导致绝缘性能完全丧失，介质即被击穿。如果介质原来存在局部缺陷，则该处损耗增大，温升增高，易在此处发生击穿。这种与热的过程相关的击穿称热击穿。热击穿与环境温度有关；与电压作用时间有关，与电源频率有关，还与周围媒质的热导、散热条件及介质本身导热系数、损耗、厚度等有关。

如果设备运行时间很长以后(数千小时乃至数年)，运行中其绝缘受到热、化学、机械作用，绝缘性能逐渐变坏，这一过程可能是不可逆的，即在除去电压后，介质不再恢复它原来的特性，称此过程为老化。使介质发生老化的原因是：局部过热，高电场强度下介质内气泡的局部放电所产生的臭氧及氮的氧化物的腐蚀；机械撞击及不同温度系数造成的应力引起的损伤；或介质不均匀及电场边缘场强集中引起局部过电压。以上过程可能同时作用于介质，导致绝缘性能下降，以致在工作电压或过电压下形成击穿，称此过程为电化学击穿。

二、影响固体介质击穿的因素及提高其电气强度的措施

(1)电压作用时间：外施电压作用时间对击穿电压的影响很大，以常用的电工纸板(尺寸为mm)为例，如图2-19所示，在图中较宽范围内(B区)击穿电压与电压作用时间无关，只在时间小于微秒级时(A区)，击穿电压才升高。这与气体放电的伏秒特性相似，区域B属电击穿范围，这是因为在时间很短时，热和化学的作用尚不起作用。在C区属热击穿范围，因为在交流电压作用时间较长时的击穿，往往是热的过程起决定性作用，电压作用时间愈长，其击穿值愈低。

(2)温度：如图2-20所示，当温度在t0值以下时，击穿场强很高，且与温度几乎无关，属电击穿；在t0值以上时，周围温度越高，散热条件越差，热击穿电压就越低。对不同材料，此转折温度t0值是不同的、即使同一材料、如材料愈厚，散热困难，t0值就可能出现在更低温度处。即在较低温度时便出现热击穿。

(3)电场均匀程度：均匀致密的材料，在均匀电场中，电介质耐压较高，击穿电压与厚度有直线关系；在不均匀电场中，击穿电压大大降低，且随厚度的增加而增加很慢，如图2-21所示，当厚度增 加时，散热困难，可能出现热击穿，故增加厚度的意义不大。常用的固休介质往往很不均匀致密，即使处于均匀出场中，由于气孔或其他缺陷将会使电场畸变，气孔中先行游离，对固体介质是有害的。经干燥、浸渍处理过的绝缘材料，可明显提高其电气强度。

(4)电压种类：在相同情况下，介质在交、直流及冲击下的击穿电压往往不同，其冲击系数(冲击击穿电压与工频击穿电压幅值之比)常大下1，在直流下击穿电压也常比工频时高得多，因为直流下固体介质中损耗小，局部放电弱之故：

所加电压频率高时，局部放电及损耗都大，发热严重，能导致热击穿，或局部放电带来的化学变化，使绝缘损伤、劣化、发生电化学击穿。

(5)累积效应：在不均匀电场中，当外施较高电压时，虽然已发生较强的局部放电，但由于电压作用的时间很短，未形成击穿，而在介质内形成局部损伤，故在下次施加电压时，便会形成击穿，所以，当介质随外加冲击或工频试验电压次数增多时，其击穿电压将会下降。

(6)受潮：介质受潮会使其击穿电压下降，这与介质本身的性能有关。易吸潮的介质，吸潮后击穿电压下降很大，故高压下使用的绝缘在制造中要注意除去水分，并在运行中注意防潮。

(7)机械负荷：固体材料在使用中有时能遇到较大的积械负荷作用，使材料发生裂缝，其击穿电压显著降低。例如，悬式绝缘子工作时受机械和电的作用，故出厂前要经机电负荷联合试验。

此外，有机固体材料在运行中受热、化学的作用，可能变脆，裂开失去弹性，不能再作为绝缘材料使用。

第六节 电介质的其他性能

除了电气性能之外，在实际使用中，介质的其他性能也很重要。

一、电介质的热性能

电气设备的运行中，导体或磁性材料所发的热都要传到介质中，并且其自身也因损耗而发热，设备工作在高温环境中，其绝缘介质的工作温度是自其的热性能决定的。耐热性能是保证可靠运行的最高容许温度，介责在运行中不能超过此温度，根据材料的耐热性能来确定其工作温度、可划分为表2-1中的几个等级

表2-1                     绝绿材料的粉热等级

注：使用温度如超过表2-1中规定时，绝缘材料将迅速老化，寿命缩短。

一些材料在低温下使用时，常发生固化、变脆或开裂，所以对运行于低温下的设备，也要注意到它的寒性，如选择变压器油时，注意其凝固点应低于环境的最低温度（油的牌号10号、25号、40号，分别表示其凝固温度为-10、-25、-40℃等）。

耐弧性能对可能发生滑面闪络的情况是重要的，有的材料能经受电弧高温而不破坏，有的会留下烧伤痕迹，有的则会被电弧完全破坏。所以，须根据工作条件选择材料。

脆性材料(玻璃、陶瓷、塑料等)在剧烈变化的温度(热冲击)作用下，由于材料内外层间温差和不均匀的膨胀（或收缩）能形成裂缝。这种性质称为耐热冲击稳定性，对户外装置是很重要的。因为会遇到骤冷骤热的怀况，故在电瓷工试验中，有冷热试验项目。