1、第三章 液体和固体介质的电气特性,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为： 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（介电常数和介质损耗正切） 电气强度,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗,一、电介质的极化,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。极化概念：电场中有电介质时，由于电场的作用电介质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变化。这个过程称作极化。,介电
2、常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时： 放置固体介质时,电容量将增大为： 相对介电常数：0-真空的介电常数 -介质的介电常数 r-介质的相对介电常数 A -极板面积，cm2 d -极间距离，cm,电容量增大的原因在于电介质的极化现象。是由电介质极化引起的束缚电荷。 r是反映电介质极化特性的一个物理量。气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。,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 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 极化机理：电
3、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,（二）离子式极化固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。 在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。 极化机理：正负离子的相对偏移 介质类型：离子式结构电介质 建立极化时间：极短，约10-13 s 极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加） 离子的结合力随温度升高而减小，使极
4、化程度增强； 离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱极化弹性：弹性； 消耗能量：无,（三）偶极子极化（转向极化） 极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。 极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。 出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。,极化机理：偶极子的定向排列 介质类型：极性电介质 建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s 极化程度影响因素：电
5、场强度（有关）电源频率（有关）温度（温度较高时降低，低温段随温 度增加，即先增后降） 极化弹性：非弹性； 消耗能量：有,偶极子极化与电源频率f 的关系： 频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当于直流电场下的相对介电常数。 f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变， 值不断下降；当f f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化， 减小到 。,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，所以很小。液体
6、、固体介质的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， 又开始随着温度的上升而减小。,（四）夹层极化夹层介质界面极化概念：合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定。稳态时分压比由电导决定。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化。当t=0:当t :,如果 则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上很难满足上述条件， 电荷要重新分配，这样在两层介介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。极化机理：自由电荷的移动。夹层极化所引起的电荷积聚过程中所形成的电流称为吸收电
7、流。这种极化形式存在于不均匀夹层介质中，伴随有能量损失，夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，高压绝缘介质的电导通常都很小，极化建立需时很长，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，这种性质的极化只有在直流和低频时才有意义。,二电介质的电导 电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。 1、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。 2、离子电导： 本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率10101014 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导
8、，电阻率10171019 空穴又称电洞（Electron hole），在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现像。,3、电泳电导：在液体介质中载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。 4、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。 固体、液体介质的电导率 与温度 的关系可近似地用下式表示式中：A、B 为与介质有关的常数，其中固体介质的常数B 通常比液体
9、介质的B 值大的多。T 为绝对温度，单位为K 。该式表明, 随温度T 按指数规律上升。 绝对零度，也就是-273.15（摄氏度）。热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是Tt273.15。,三、电介质中的损耗,（一）电介质的损耗的基本概念 介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。,/22,交流时：流过电介质的电流 包含有功分
10、量 和无功分量即,此时介质的功率损耗： 介质损耗角为功率因数角 的余角，其正切tg又可称为介质损耗因数，常用百分数（）来表示。 通常采用tg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？）,介质损失角正切的概念：由于存在损耗，U和I之间的夹角不再是90的关系，IC代表流过介质总的无功电流，IR代表流过介质的总有功电流，IR包括了漏导损失和极化损失。从直观看，IR大则损失大，定义一个新的物理量，即介质损失角正切值tg来代表介质在交流电压下的损耗tg仅反映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关,介质的电压电流向量图,/22,有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流 ，吸收电
11、流 和传导电流 三个分量叠加在一起为总电流,在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。 电容电流 在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是一极短暂的充电电流；吸收电流 随着电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，约经数十分钟才衰减到零，具体时间长短取决于绝缘的种类、不均匀程度和结构；传导电流 是唯一长期存在的电流分量。（交流电压？）,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。,由向量图有： 由于：
12、所以：介质损耗角 值一般很小，所以：,并联等值回路中： tg=IR/IC=1/CpRP=U2/R=CpU2tg,串联等值回路中： tg=Ur/Uc=CsrP=I2r=,/22,介质损耗因数： 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。,1.气体介质损耗 气体分子间的距离很大，相互间的作用力很弱，所以极化过程中不会引起损耗。如外加电场不足以引起电离，则气体中只存在很小的电导损耗。 气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。,/22,(二)气体、液体和固体介质的损耗,2.液体介质损耗 （1）中性和弱极性液
13、体介质损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为 (W/cm3) 式中 电介质的电导率，S/cm电场强度，V/cm由于 与温度有指数关系（3-6），故P0也以指数规律随温度的升高而增大。,（2）极性液体介质除了电导损耗外，还存在极化损耗。 在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的 亦上升，并在tt1时达到极大值； 在t1tt2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小超过了电导损耗的增加，所以总的 曲线随t的升高而下降，并在t=t2时
14、达到极小值,在tt2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而 就随时间t的上升而持续增大。,极性液体介质的 和 与电源角频率 的关系如右图所示。 当 较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小， 也小，且主要由电导损耗引起。如 减至很小， 反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。,随 增大，转向极化逐渐跟不上电场交变， 开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、 增大。一旦大到偶极子完全来不及转向时， 值变得最小而趋于某一定值， 也变得很小 ，因为这时只剩下电子式极化
15、了。 在这样的变化过程中，一定有一个 的极大值，其对应的角频率为,3.固体介质损耗 (1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃 云母：由电导引起损耗，电导率小，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 电工陶瓷（电瓷）：既有电导损耗，又有极化损耗；常温下电导很小。20C和50Hz时 电瓷的 25； 玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。 (2)有机绝缘材料 可分为非极性和极性 非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。,讨论损耗的意义 (1) 选择绝缘。tg 过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容
16、器就因为 tg 大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流 (2) 预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘受潮或劣化，tg将急剧上升，在预防试验中可通过tgU的关系曲线来判断是否发生局部放电 (3) 当tg大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损的发热。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法,/22,第二节 液体介质的击穿纯净液体介质的击穿理论 工程用变压器油的击穿过程及其特点 变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法,一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体
17、介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。 液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。,一、纯净液体电介质的电击穿理论（一）电子碰撞电离理论液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离，形成电子崩。与此同时，由碰撞产生的正离子在阴极附近集结成空间电荷层，增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流会急剧增大，从而导致液体介质的击穿。液体的密度比气体大得多，电子的平均自由行程很小，积累能量比较困难，必须大
18、大提高电场强度才能开始碰撞电离，所以纯净液体介质的击穿场强比气体介质高得多（约高一个数量级）。,/22,纯净液体电介质的气泡击穿理论 （二）气泡击穿理论当外加电场较高时，液体介质内会由于各种原因产生气泡，如： 电子电流加热液体，分解出气体； 电子碰撞液体分子，使之解离产出气体； 静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大； 电极凸起处的电晕引起液体气化。由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡r = 1，小于液体的r ，因而气泡承担比液体更高的场强，偏偏气体耐电强度又低，所以气泡先行电离，一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通
19、道内发生,/22,二、非纯净液体电介质的小桥击穿理论,(a) 形成“小桥” (b) 未形成“小桥”受潮纤维在电极间定向示意图液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥，由于水和纤维的介电常数分别为81和6 - 7，比油的介电常数1.8 - 2.8大得多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成小桥,/22,“小桥理论”工程上所用的液体介质中总难免会混入一些杂质，如变压器油中常因受潮而含有水分，还有从固体绝缘材料中脱落的纤维或其他杂质，当油中含有水分和纤维时，由于水和纤维的介电常数很大，尤其是纤维吸潮后，很容易沿电场方向极化定向排列，排列成杂质小桥，并在
20、电极间形成电导较大的通道，引起泄漏电流增大，温度升高，促使油和水分汽化，气泡扩大，最后击穿。,判断变压器油的质量，主要依靠测其电气强度、 和含水量等。 在不均匀电场中，间隙中强电场出发生的局部放电使液体介质发生波动，杂质不易搭成小桥，液体的击穿电压受到杂质的影响减小，不能正确判断油的品质，所以必须作成均匀电场。 在标准试油杯中，液体（变压器油）的击穿电压为20-60KV，其平均击穿场强为20-60KV/0.25cm=80-240KV/cm。而均匀电场中空气的击穿场强30KV/cm，所以气体的击穿场强比液体的低很多。,三、变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法 (一)水分和其他杂质 水在变压器
21、油中有两种状态：溶解状态:高度分散、且分布非常均匀； 悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。溶解状态的水分只要不因含水量过大而使油的电导显著增加，对油的击穿电压影响不大。悬浮状态的小水滴能够在电场作用下极化并在极间排成导电的“小桥”，使油的击穿电压显著下降。,从图中可见，变压器油的含水量仅达到十万分之几时，变压器油的击穿电压就显著降低。当含水量超过0.02%时，多余的水分常沉积在容器的底部，故对油的击穿电压进一步降低是有一定限度的。,(二)油温 温度对液体击穿电压的影响与水分的状态密切相关。 1、当温度由00C开始逐渐上升时，水在油中的溶解度逐渐增大，原来悬浮状态的水分逐渐转化为溶解状态，使油
22、的击穿电压逐渐升高。 2、当温度超过800C时，温度再升高，则水分开始汽化，油也开始汽化，产生气泡，使击穿电压降低，从而在60- 800C的范围内出现最大值。 3、在0-50C时，油中水分是悬浮状态的，击穿电压最低。 4、温度再降低，水将结成冰粒，油也将逐渐凝固，使击穿电压提高。,(三)电场均匀度 优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。品质差的油：改善电场对于提 高其工频击穿电压的效果较差。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。,(四)电压作用时间油隙的击穿电压会随电压作
23、用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。 从图320的两条曲线可以看出： 在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很高，击穿有时延特性，属电击穿； 电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，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； 电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。,（五）油压的影响不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。,六、提高液体介质击穿电压的措施,措施： 1、提高液体品质（1）过滤。在油中先加
24、入白土、硅胶等吸附剂后用滤油机滤纸阻隔油中的纤维等固态杂物，吸收部分水分等液体杂质；（2）干燥。绝缘及夹件、绕组等浸油前必须烘干，必要时采用真空干燥法去除水分，在油箱呼吸器的空气入口处放干燥剂。,2、限制小桥的形成（1）覆盖。在电场中曲率半径小的电极上覆盖很薄的电缆纸（或黄蜡布或涂漆膜），组成油纸绝缘组合。在均匀电场中覆盖能够使击穿电压提高70%100%，在极不均匀电场中能够提高10%15%，所以充油设备中很少采用裸导体的。（2）绝缘层。（3）屏障。,途径：提高液体的品质，限制小桥的形成。,第三节 固体介质的击穿,固体介质的击穿理论 电击穿理论 热击穿理论 电化学击穿 影响固体介质击穿电压的主
25、要因素 电压作用时间 电场均匀程度 温度 受潮 累积效应,在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿： 电过程（电击穿） 热过程（热击穿） 电化学过程（电化学击穿）实际电气设备中的固体击穿过程是错综复杂的，常取决于下列多种因素： 介质本身的特性 绝缘结构型式 电场均匀度 外加电压波形 加压时间 工作环境,常用的有机绝缘材料，如纤维材料(纸、布和纤维板)以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。,一、固体介质的击穿理论 (
26、一)电击穿理论 1、固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。 2、在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况下，固体介质的击穿通常为电击穿，击穿场强可达105-106kV/m。 3、电击穿的主要特征： 与周围环境温度有关； 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； 介质发热不显著； 电场均匀程度对击穿有显著影响。,(二)热击穿理论热击穿的概念：由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中会逐渐发热升温，温度的升高又会导致固体电介质电阻的下降，使电流进一步增大，损耗发热也随之增大。在电介质不断发热升温的同时，也存在一个通过电极及其它介质向
27、外不断散热的过程。如果同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称电介质的热击穿过程。,热击穿的理论分析电压：U1U2U3曲线1,2,3 ：电介质发热量Q与介质中最高温度tm的关系 直线4：表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0 时，散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,曲线 1：发热永远大于散热，介质温度将不断升 高，在电压U1下最终必定发生热击穿,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,曲线3：t ta时：曲线在直线4之上，不发生热击穿，介质温度逐渐升高并稳定在ta，称ta为稳定热平衡点t
28、tb时：情况类似曲线 1，最终发生热击穿t = tb时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡点 ta t tb：不会发生热击穿，介质温度将稳定在ta,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,曲线2：与直线4相切，U2为临界热击穿电压；tK为临界热击穿温度,不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系,(三)电化学击穿固体介质在长期工作电压作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。局部放电是介质内部的缺陷（如气隙或气泡）引起的局部性质的放电。局部放电使介质劣化、损伤、电气强度下
29、降的主要原因为： 1)产生活性气体对介质氧化、腐蚀； 2)温升使局部介质损耗增加； 3)切断分子结构，导致介质破坏。,Tree-like 树枝状,Bush-like 灌木丛状,chestnut-like 栗子状,树枝老化的一般形状,电介质中的树枝老化,电化学击穿电压的大小与施加电压时间的关系非常密切，但也因介质种类的不同而异。图3-23是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：曲线l、2下降较快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放电的性能差； 曲线3接近水平，表示硅有机玻璃云母带的击穿场强随加电压时间的增加下降很少。 可见无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。,二、影响固体介质击穿电压主要
30、因素,（一）电压作用时间（二）电场均匀程度（三）温度（四）受潮（五）累积效应,第四节 组合绝缘的电气强度对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，除了必须有优异的电气性能外，还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理-化学性能，单一品质电介质往往难以同时满足这些要求，所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合： 例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成，而其内绝缘更是由纸、布、胶木筒、聚合物、变压器油等固体和液体介质联合组成。,绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其电气强度成正比。 直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度
31、与其电导率成反比。 工频交流和冲击电压下：各层所承担的电压和各层电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。,一、“油屏障”式绝缘油浸电力变压器主绝缘采用的是“油-屏障式绝缘结构，在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质，在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高3050。 1、覆盖紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有零点几毫米。 2、绝缘层当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿
32、电压。,3.屏障放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高。 二、油纸绝缘电气设备中使用的绝缘纸(包括纸板)纤维间含有大量的空隙，因而干纸的电气强度是不高的，用绝缘油浸渍后，整体绝缘性能可大大提高。前面介绍的“油屏障”式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘，采用覆盖、绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度，而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘，液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂，因此这种组合绝缘的击穿场强很高，但散热条件较差.,绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可达500600kVcm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的
33、击穿场强约为200kVcm，而干纸只有100150kVcm)。各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。 油纸绝缘的最大缺点:易受污染(包括受潮)因为纤维素是多孔性的极性介质，很易吸收水分。即使经过细致的真空干燥、浸渍处理并浸在油中，它仍将逐渐吸潮和劣化。,三、组合绝缘中的电场 1.均匀电场双层介质模型在组合绝缘中，同时采用多种电介质，在需要对这一类绝缘结构中电场作定性分析时，常常采用最简单的均匀电场双层介质模型，如图3-25所示：,在这一模型中，最基本的关系式为： 由此可得：,2.分阶绝缘 超高压交流电缆常为单相圆芯结构，由于其绝缘层较厚，一般采用分阶结构，以减小
34、缆芯附近的最大电场强度。所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘。分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。如：内层绝缘采用高密度的薄纸(纸的纤维含量高，质地致密)，其介电常数较大，击穿场强也较大; 外层绝缘则采用密度较低、厚度较大的纸，其介电常数较小、击穿场强也较小。,先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数。如果施加交流电压U，则其绝缘层中距电缆轴心r处的电场E可由下式求得：式中 r0、R分别为电缆芯线的半径和外电极(金属护套)的半径。,绝缘层中最大电场强度Emax位于芯线的表面上 而最小电场强度Emin位于绝缘层的外表面 (rR)处。此时的平均电场强度Eav应为:,绝缘中平均场强与最大场强之比称为该绝缘的利用系数 ，则此时: 值越大，则电场分布越均匀，亦即绝缘材料利用得越充分。平板电容器绝缘的 值可视为1。但对超高压电缆来说，因绝缘层较厚，(R-r0)值较大，如采用一种单一的介质、则 值将较小;为提高利用系数应采用分阶绝缘。,
