第一章
电气绝缘理论基础

1.电介质在电场作用下的主要物理现象是什么？

电介质也称为绝缘介质，在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。电介质在电场作用下的物理现象主要包括：极化、电导、损耗和击穿。

2.电介质在电场作用下的电气性能用哪些参数来表征？

可用四个参数来表征，即极化性能用介电常数 ε 表征；导电性能用绝缘电阻率 ρ 表征；介质损耗性能用介质损失角正切（也称介质损耗因数）tan δ 表征；击穿性能用击穿强度 E 表征。对气体电介质而言，由于极化、电导和损耗较弱，所以只研究其击穿性能，而对固体、液体电介质四个性能均要研究。目前的预防性试验主要是检测表征电介质电气性能的四个参数的变化。

3.电介质的极化分为哪两种类型？

电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性三种，但从宏观来看都是不呈现极性的。当电介质处于电场中，电介质就要极化，其极化形式分为两种类型。第一种类型的极化为立即瞬态过程，是完全弹性方式，无能量损耗，也无热损耗产生，这种方式称为完全弹性极化；第二种类型的极化为非瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。电子和离子极化属于第一种类型，为完全弹性极化类型，其余的属于松弛极化类型。

4.什么是绝缘的吸收现象？

在电介质上加直流电压时，初始瞬间电流很大，以后在一定时间内逐渐衰减，最后稳定下来。表现为电气设备的绝缘电阻 R 在测量中随时间的增长而逐步上升，并最终趋于稳定。这种现象叫绝缘的吸收现象。这种现象可以用双层介质模型来进行定性分析。图1-1所示为双层介质等效电路，当开关 S 合上，直流电压施加在绝缘介质上后，电流表 A 的读数变化如图1-2所示。 S 闭合瞬间，电流很大，回路电流主要由电容电流分量组成。而 S 闭合很久后，电容相当于开路，回路电流为泄漏电流 I _g ，此时 I _g 取决于绝缘电阻 R ₁ 和 R ₂ 之和，这也就完成了从最初电容电流向最终阻性电流的过渡。图1-2中阴影部分的面积为绝缘介质在充电过程中逐渐“吸收”的电荷 Q _a 。因此，对于被试品而言，加上直流电压后，流过试品的电流由两部分组成。一部分作为阻性电流，其大小与绝缘电阻成反比；另一部分为吸收电流 i _a ，其大小与成品绝缘均匀程度有关。工程上，由于电气设备不可能是理想的均匀介质，因此吸收现象十分明显。当绝缘受潮或有缺陷时，吸收现象不明显，工程上也经常利用60s及15s时绝缘电阻比值（10min和1min绝缘电阻比值）来判断试品绝缘状况。

5.为什么电介质的电导一般是指离子性电导？

离子电导是以离子为载流体，而电子电导是以自由电子为载流体。电介质的电导可分为离子电导和电子电导。理想的电介质是不含带电质点的，更没有自由电子。但实际工程上所用的电介质或多或少总含有一些带电质点（主要是杂质离子），这些离子与电介质分子联系非常弱，甚至成自由状态；有些电介质在电场或外界因素影响下（如紫外线辐射），本身就会离解成正负离子。它们在电场作用下，沿电场方向移动，形成了电导电流，这就是离子电导。电介质中的自由电子，则主要是在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞、游离激发出来的，这些电子在电场作用下移动，形成电子电导电流。当电介质中出现电子电导电流时，就表明电介质已经被击穿，因而不能再作绝缘体使用。因此，一提到电介质的电导一般都是指离子性电导。

6.什么是电介质的损耗？包括哪些损耗？是如何产生的？

在交流或直流电场中，电介质都要消耗电流，通称电介质的损耗。电介质损耗包括：

（1）电导损耗。电介质在电场作用下有电导电流流过，这个电流使电介质发热产生损耗，一般情况下，电介质的电导损耗是很小的。

（2）游离损耗。电介质中局部电场集中处，例如固体电介质中的气泡、油隙，气体电介质中电极的尖端等，当电场强度高于某一值时，就产生游离放电，又称局部放电。局部放电伴随着很大的能量损耗，这些损耗是因游离和电子注轰击而产生的。游离损耗只在外加电压超过一定值时才会出现，且随电压升高而急剧增加，这在交流和直流电场中都是存在的，但严重程度不同。

（3）极化损耗。松弛极化是要产生损耗的。由于松弛极化建立得比较缓慢，跟不上50Hz交变电场的变化，当电压从零按正弦规律变到最大值时，极化还来不及完全发展到最大，在电压经过最大值后，极化还在继续增长，并在电压已经越过最大值下降的时候达到最大值，以后极化又开始减小，比电压滞后一段时间极化减小到零，并再往负方向发展。这样，极化的发展总要滞后电压一个角度，在电压的第一个1/4周期中，极化中电荷移动的方向与电场的方向相同，即电场对移动中的电荷做功，相当于“加热”。从电压的最大值到极化的最大值这一段时间内，情况和前面一样，仍相当于“加热”。从极化的最大值到电压为零这一阶段，电场的方向未变，而电荷移动的方向却变成与电场方向相反，这时电荷反抗电场做功，丧失自己的动能而“冷却”。在一个周期内，“加热”大于“冷却”，一部分电场能不可逆地变成热能，产生了电介质的损耗，这就是因松弛极化产生的极化损耗，这种损耗只有在交变电场下才会出现。对于偶极子的电介质，在交变电场中，偶极子要随电场的变化而来回扭动，在电介质内部发生摩擦损耗，这也是极化损耗的一种形式。为表征某种绝缘材料或结构的介质损耗，一般不用W或J等单位来表示，而是用电介质中流过的电流的有功分量和无功分量的比值来表示，即tan δ 。这是一个无因次的量，它的好处是只与绝缘材料的性质有关，而与它的结构、形状、几何尺寸等无关，这样更便于比较判断。

7.什么是电介质的击穿？气体、液体、固体电介质的击穿原理是什么？

当电介质上的电压超过某临界值时，通过电介质的电流剧增，电介质发生破坏或分解，直至电介质丧失固有的绝缘性能，这种现象叫做电介质击穿。电介质发生击穿时的临界电压值，称为击穿电压 U _b ，击穿时的电场强度称为击穿场强 E _b 。在均匀电场中 E _b 和 U _b 的关系为

式中 δ ——击穿处电介质的厚度。

E _b =

（1）气体电介质的击穿。气体中电流随外施电压的提高而增大，当电压升高，气体电流经过饱和阶段进入电子碰撞阶段电流又开始增大，带电质点（主要是电子）在电场中获得巨大能量，从而将气体分子碰裂游离成正离子和电子。新形成的电子又在电场中积累能量去碰撞其他分子，使其游离，如此连锁反应，便形成了电子崩。电子崩向阳极发展，最后形成一个具有高电导的通道，导致气体击穿。气体电介质击穿电压与气压、温度、电极形状及气隙距离等有关，因此在实际工作中要考虑这些影响因素并进行校正。

当气体成分和电极材料一定时，温度不变时，击穿电压 U _b 是气体压力 P 与极间距离 d 乘积的函数，即巴申定律

U _b = f （ Pd ）

巴申曲线如图1-3所示，图中曲线都有一个最低击穿电压值。为能达到自持放电，需发生足够多的碰撞电离。设电极间距离 d 不变。当压力很小时，虽然电子自由行程较大，两次碰撞间可积累很大动能，容易引起电离，但是碰撞次数太少，导致击穿电压增大。当压力较大时，虽然碰撞次数增多，但电子自由行程较小，两次碰撞间不容易积累很大电能，引起电离可能性减少，击穿电压也会增大。由此可见，为提高气体击穿电压，可提高气压或真空度，这两项措施在工程上都有实用价值。

（2）液体电介质的击穿。在纯净的液体电介质中，其击穿也是由于游离所引起，但工程上用的液体电介质或多或少总会有杂质，如工程用的变压器油，其击穿则完全是由杂质所造成的。在电场作用下，变压器中的杂质，如水泡、纤维等聚集到两电极之间，由于它们的介电常数比油大得多（纤维素为 ε =7，水为 ε =80，油为 ε =2.3），将被吸向电场较集中的区域，可能顺着电力线排列起来，即顺电场方向构成“小桥”。小桥的电导和介电常数都比油大，因而使“小桥”及其周围的电场更为集中，降低了油的击穿电压。若杂质较多，还可构成一贯穿整个电极间隙的小桥。有时，由于较大的电导电流使小桥发热，形成油或水分局部气化，生成的气泡也沿着电力线排列形成击穿。变压器油中最常见的杂质有水分、纤维、灰尘、油泥和溶解的气体等。水分对变压器油击穿强度的影响更大，例如含有0.03%水分的变压器油的击穿强度仅为干燥时的一半。纤维容易吸收水分，纤维含量多，水分也就多，而且纤维更易顺电场方向构成桥路。油中溶解的气体一遇温度变化或搅动就容易释出形成气泡，这些气泡在较低电压下就可能游离，游离气泡的温度升高就会蒸发，因而气泡沿电场方向也易构成小桥，导致变压器油击穿。因此，变压器油中应尽可能除去杂质，一般采取真空加热过滤的方法，使其达到安全运行的标准要求。为了阻挡杂质在电极间构成桥路，特别是在不均匀电场中，应在靠近强电场电极附近加装屏障，屏障既能阻止杂质桥路形成，又能像气体间隙中的屏障那样改善间隙中电场均匀程度。这样可以大大提高电介质的击穿电压。例如高压变压器绕组外的绝缘围屏就起这个作用。

（3）固体电介质的击穿。固体电介质的击穿可分电击穿、热击穿、电化学击穿三种形式，不同击穿形式与电压作用时间和场强的关系见图1-4。

1）电击穿。与气体击穿相似，在强电场的作用下，当电介质的带电质点剧烈运动，发生碰撞游离的连锁反应时，就产生电子崩。当电场强度足够高时，电子崩足够强时，可导致介质晶格结构破坏，就会发生电击穿，此种电击穿是属于电子游离性质的击穿。

2）热击穿。在强电场作用下，由于电介质内部介质损耗而产生的热量，若发热总大于散热，将使电介质内部温度升高，而电介质的绝缘电阻或介质损耗具有负的温度系数。当温度上升时，其电阻变小，又会使电流进一步增大，损耗发热也增大，导致温度不断上升，进一步引起介质分解、炭化等。因此，导致分子结构破坏而击穿，称为热击穿。

3）电化学击穿。其主要原因往往是介质内气隙局部放电造成的。在强电场作用下，电介质内部包含的气泡首先发生碰撞游离而放电，杂质（如水分）也因受电场加热而汽化并产生气泡，于是使气泡放电进一步发展，导致整个电介质击穿。如变压器油、电缆、套管、高压电机定子线棒等，也往往因含气泡发生局部放电，如果逐步发展会使整个电极之间导通击穿。而在有机介质内部（如油浸纸、橡胶等），气泡内持续的局部放电会产生游离生成物，如臭氧及碳水等化合物，从而引起介质逐渐变质和劣化。电化学击穿与介质的电压作用时间、温度、电场均匀程度、累积效应、受潮、机械负荷等多种因素有关。

8.汤逊理论是如何描述均匀电场中自持性放电的基本物理过程的？

只有电子崩是不足以发生自持性放电的。若发生自持性放电，必须是电子崩消失前能产生新的电子（二次电子）来代替初始电子。二次电子的产生与气压 P 和气隙长度 S 乘积有关。 PS 值较小时，可用汤逊理论来说明。

从加压到第一个有效电子出现的阶段：只有在气隙中出现这个有效电子后，才开始产生碰撞游离，并不断发展，使自由电荷不断增长。

由于外界游离因素具有偶然性，所以有效电子的出现也具有偶然性。

电子崩阶段：这个阶段是从出现第一个有效电子到第一个电子崩发展成熟。在这个阶段中发生量变，量变的标志是有足够多的电子数 N -和正离子数 N ⁺ ，两者的关系是 N -= N ⁺ + 1。

自持放电阶段：在这个阶段中 γ 过程（正离子碰撞阴极，从阴极打出一个电子）起重要作用。 γ 过程出现使气隙由绝缘状态变为导电状态。因此发生了质变。 γ 过程出现是质变的标志。

汤逊理论描述火花放电过程的自持条件是

γ（e ^αs -1）=1

式中 α ——汤逊放电第一游离系数；

γ ——汤逊放电第三游离系数；

s ——气隙的距离；

e ^αs ——一个电子从阴极运动到阳极所产生的电子数。

该式的物理意义是：有一个原始电子从阴极出发跑到阳极，总共变成了e ^αs 个电子，其中有（e ^αs -1）个电子是碰撞游离产生的，与此相等的正离子运动到阳极时，只要释放出一个电子以补充原始电子的缺额，放电就自持了。

根据自持放电条件，可以导出自持放电电压与 ps 积的关系式： U _F = f （ ps ），其中 p 是气隙的压力， s 是气隙距离。这个关系被巴申用实验发现，所以，通常称为巴申定理。巴申定理至今仍有实用价值。例如真空开关、充气压设备的研制等。

9.流注理论是如何描述均匀电场中火花放电的基本物理过程的？

由上述第8题可知，由于汤逊理论在描述均匀电场火花放电时没有考虑空间电荷畸变电场的作用和光游离的概念，所以它无法解释许多实验现象。

基于对火花放电的许多实验现象的观察和研究，1940年Meek和Locb提出了描述均匀电场中火花放电物理过程的流注理论，其基本要点如下：

出现有效电子阶段：从开始加压到气隙中出现第一个有效电子。

电子崩阶段：自出现第一个有效电子开始到第一个电子崩发展成熟为止。电子崩发展成熟的标志是电子崩（主崩）能放射出一个有效的光子。所谓有效光子是指这个光子能产生光电子，而发展新的电子崩（子崩）使放电过程持续下去。主电子崩在阴极附近成熟，还是要走完全程才能成熟，主要决定于外加电压的高低。

流注阶段：从第一个电子崩放射出一个有效光子到阴极或阳极附近的空间中形成等离子体通道为止。若外加电压较高，电子崩在阴极附近就能成熟，因而在阴极附近就能形成等离子体通道，使流注从阴极向阳极发展，这种流注称为负流注。当外加电压近似等于气隙的火花放电电压时，主电子崩要走过全程才能成熟，这时在阳极附近形成等离子体通道，使流注从阳极向阴极发展，这种流注称为正流注。

流注阶段与电子崩阶段的区别：在量的方面，游离增强，空间电荷数量大大增加，一般认为当 α ≈20，e ^αs ＞10 ⁸ 时，空间电荷畸变电场的作用显著；在质的方面，光游离起着重要的作用。由于光游离引起各个子崩的同时发展，从而促进导电等离子体通道形成。

主放电阶段：当外加电压近似等于气隙火花放电电压时，这个阶段是从流注发展成熟开始到强烈游离区向阴极发展，一直到达阴极时为止。主放电阶段就是在气隙中形成高导电通道的阶段，以完成火花放电过程。

根据流注理论，在均匀电场中，流注形成的条件就是自持放电的条件。这与汤逊自持放电条件是不同的。

流注理论适用于高电压、长间隙。

汤逊理论与流注理论所描述的均匀电场气体间隙火花放电过程及其特点如表1-1所示。

10.什么叫极性效应？

在不均匀电场中，放电总是从曲率半径较小的电极表面，即间隙中场强最大的地方开始，而与该电极的电位和电压的极性无关。这是因为放电只取决于电场强度的大小。但曲率半径较小的电极的电压极性不同，放电产生的空间电荷对电场畸变不同。因此，同一间隙在不同电压极性下的电晕起始电压不同，击穿电压也不同，这就是放电极性效应。例如，在棒—板构成的不均匀不对称电场中，正棒的电晕起始电压大于负棒电晕起始电压；正棒—负板的击穿电压小于负棒—正板的击穿电压。

在分析直流高压试验问题及直流输电等问题时都会用到极性效应的概念。

11.湿度增加对气体间隙和沿面闪络电压的影响是否相同？为什么？

不相同。对气体间隙，在不均匀电场中，当湿度增加时，由于水分子能够捕捉电子形成负离子。使间隙中的电子数目减少，因而游离减弱，这样就不容易发展电子崩和流注，导致间隙击穿电压升高；在均匀电场中，由于放电的形成时延短，平均场强又较大，电子运动速度较快，不容易被水分子捕获，所以在均匀电场中，湿度增加时，可以认为间隙击穿电压基本不变，正因为如此，在球隙放电电压表中只规定了标准气压和温度，而没有规定湿度。

当间隙间放入固体介质时，湿度增加，固体介质表面吸附潮气形成水膜，在高压电场下水分子分解为离子，沿着固体介质表面向电极附近积聚电荷，会使电极附近场强增大，电极附近的空气首先发生游离，从而引起整个介质表面易于闪络，导致沿面闪络电压降低。

12.什么是标准大气条件？空气密度和湿度的校正因数是什么？

我国国家标准《高电压试验技术》（GB/T 16927.1）第一部分规定的标准大气条件是：温度 t ₀ =20℃；压力 b ₀ =1013mbar；绝对湿度 h ₀ =11g/m ³ 。

如果大气压力 b 用mbar表示，温度 t 为摄氏温度，空气密度的校正因数为

一般说来，指数 m 、 n 与电极结构型式和试验电压的种类及极性有关，但实际上，除某些特例对 m 、 n 的值另有规定外，一般取 m = n =1。此时 K _d 就等于空气的相对密度 δ ，即

若大气压力 b 用Pa表示

湿度校正因数为

式中， K 、 ω 与绝对湿度、电压形式、电压极性、电场情况以及闪络距离等因数有关，其数值可查国家标准GB/T 16927.1。

实际试验时的大气条件往往与标准大气条件不同，为便于比较，应按上述方法进行换算。

13.放电、击穿与闪络三个术语的含义是什么？

这是三个有紧密联系又有区别的术语，它们的共性都是从游离开始发生和发展，但发展的程度、应用的场合有异。具体地说，放电是一个笼统的概念，它指在电场作用下，绝缘材料由绝缘状态变为导电状态的跃变现象。这种跃变现象可能呈“贯通状”发生在电极间，即使其中的绝缘材料完全被短接而遭到破坏，此时电极间的电压迅速下降到甚低值或接近于零。跃变现象也可能发生在电极间的局部区域，使其中的绝缘材料部分地被短接，其余部分仍有良好的绝缘性能，电极间电压仍能维持一定的数值。前者称为破坏性放电，后者称为局部放电。

破坏性放电和局部放电可以发生在固体、液体、气体电介质及其组合介质中，换句话说，“放电”一词可以应用于所有电介质及其组合中。

然而，当放电发生在不同电介质及其组合中时又有特殊的称呼。当在气体或液体电介质中，电极间发生的破坏性放电称为火花放电，如空气间隙、油间隙中发生的破坏性放电，确切地说应叫火花放电。可见，火花放电这个术语只限于在气体与液体中使用。

在固体电介质中发生破坏性放电时，称为击穿。击穿时，在固体电介质中留下痕迹，使固体电介质永远丧失其绝缘能力。如绝缘纸板击穿时，会在纸板上留下一个孔。可见，击穿这个术语只局限于在固体电介质中使用。

当在气体或液体电介质中沿固体绝缘表面发生破坏性放电时，称为闪络。常见的是沿气体与固体电介质交界面发生的闪络。如沿绝缘子串表面，沿套管表面的破坏性放电应称为闪络。所以闪络这个术语只用于描述特殊条件下的放电现象。

为清晰起见，将放电、击穿、闪络的概念示意如下：

14.游离与局部放电两个术语的含义是什么？

游离与局部放电这两个术语常被混淆，其实两者的含义并不等同。所谓游离是指任何中性分子或原子变成带电质点的过程。这些带电质点可以是电子，也可以是正离子或负离子。可见，游离这个术语所包含的内容是很广泛的，它既包含由于游离所形成的各种形式的放电，也包含所有其他类型的游离过程。

由上述可知，局部放电仅是放电的一种形式，它既不能包括全部放电形式，更不是游离的全部内容，所以确切地说，局部放电只是由游离而导致的一种现象。具体指在电压作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象。

游离与局部放电的关系可示意如下：

应指出，由于用游离标称局部放电不确切，所以，由此而推演出来的术语，如“游离水平”“游离测量”也是不确切的。

15.劣化与老化的含义是什么？

这是用得最乱的两个术语，甚至在一些教科书或资料中往往含混地把两者完全等同起来，如果认真分析，两者不尽相同。所谓劣化是指绝缘在电场、热、化学、机械力、大气条件等因素作用下，其性能变劣的现象。劣化的绝缘有的是可逆的，有的是不可逆的。例如绝缘受潮后，其性能下降，但进行干燥后，又恢复其原有的绝缘性能，显然，它是可逆的。再如，某些工程塑料在湿度、温度不同的条件下，其机械性能呈可逆的起伏变化，这类可逆的变化，实质上是一种物理变化，没有触及化学结构的变化，不属于劣化。

而老化则是绝缘在各种因素长期作用下发生一系列的化学物理变化，导致绝缘电气性能和机械性能等不断下降。绝缘老化原因很多，但一般电气设备绝缘中常见的老化是电老化和热老化。例如，局部放电时会产生臭氧，很容易使绝缘材料发生臭氧裂变，导致材料性能老化；油在电弧的高温作用下，能分解出碳粒，油被氧化而生成水和酸，都会使油逐渐老化。

由上分析可知，劣化含义较广泛，而老化的含义相对就窄一些，老化仅仅是劣化的一个方面，两者具体的联系与区别示意如下：

因此，正确区分绝缘的可逆劣化和不可逆劣化（即老化），在电力设备的预防性试验中具有重要意义。

16.屏障和屏蔽是否相同？为什么？

屏障也称极间障，是指在极不均匀电场中，放入的薄片固体绝缘材料（如纸、纸板或电木板等）。在一定的条件下屏障可显著提高间隙的火花放电电压。屏障本身的绝缘强度没有什么意义，因为其本身并不起分担电压的作用，而主要是阻止空间电荷运动，造成空间电荷改变电场的效果。

屏障的作用与电压种类及极性有关。将屏障置于正棒负板之间，如图1-5（a）所示，屏障阻碍了正离子的运动，使其聚集在屏障向着棒的一面上，由于同号离子间的斥力使其均匀地分布在屏障上，将间隙分为两部分：一部分（棒和屏障间）布满了正离子，所以此处的电场强度是不大的；另一部分（屏障和平板电极间）电场和均匀电场相似，因此提高了间隙的火花放电电压，且随屏障离平板距离之增大，火花放电电压迅速提高。但当屏障离棒电极较近时，因该区域基本电场很强，屏障上电荷不能均匀分布，它们集中在较小范围，整个电场也就不会变为均匀，所以火花放电电压逐渐近于无屏障的情况。当屏障离棒极约15%～20%间隙距离处，火花放电电压提高得最多，可达无屏障时的200%～250%。

当棒电极为负极性时，如图1-5（b）所示，电子形成负离子，积聚于屏障上，同样在屏障与平板电极间会形成较均匀电场，在距尖极的距离较小时能提高火花放电电压。当距棒距离增大时，火花放电电压反而比无屏障时为低，这主要是因在无屏障时，负离子以较大速度相当分散的状态在空间移动，有一部分消失于电极，它对电场的影响很小，当有负离子分布在屏障上时，它一方面使部分电场变均匀，有提高火花放电电压的作用，但另一方面形成了聚集状态的空间电荷（负离子），又有加强电场的作用，当屏障距棒极较远时，后一种作用占优势，火花放电电压反而降低。当屏障十分靠近棒极时，由于电子速度很大，可穿过屏障在屏障与板极之间产生游离，故火花放电电压也降低。但正离子不能通过屏障而聚积在屏障上，使屏障与板极间的电场减弱，所以火花放电电压仍维持在较高的数值。如图1-5（c）所示。

在工频时，放电发生在棒极为正的半周内，所以引入屏障后，火花放电电压提高的情况同直流下正棒—负板时一样。

在冲击电压下，极间屏障也有提高火花放电电压的效果。冲击电压作用时间短暂，屏障上来不及积累起显著的空间电荷，有人认为，屏障妨碍了光子的传播，影响了流注的发展，从而提高了间隙的火花放电电压。

屏蔽通常分为电磁屏蔽和静电屏蔽，在高电压技术中，应用得较多的是静电屏蔽，它是利用良导电金属材料（如铜、铁和铝）制作成金属罩（或者网），将需要屏蔽的设备罩住，金属罩（网）必须良好接地，以消除电容耦合，防止静电感应。例如，测量电流互感器等设备的介质损耗因数tan δ 时，将顶端法兰接地或将顶端或将整个设备用金属罩子罩起来，消除外界电场对测量的影响。

另外，在高电压技术中还有一种改善电场分布的措施，也常称为屏蔽。首先，它与被屏蔽的电极具有相同的电位，其次是根据实际需要做成一定的形状，从而达到提高火花放电电压或沿面闪络电压的目的。高压试验变压器引出套管导电芯棒的顶端做出一个圆球形的罩子，就是为了减弱电场强度而设置的屏蔽。绝缘子串、避雷器顶端加装的均压环也是屏蔽的一种，前者加均压环的目的在于均匀绝缘子串的电场，从而提高绝缘子串的闪络电压，后者加装均压环的目的是改善间隙的分布电压，提高其冲击放电电压。户内绝缘子设置的内屏蔽与外屏蔽等也是为改善电压分布提高其沿面闪络电压的。

17.什么是“小桥理论”？它是如何描述变压器油的火花放电过程的？

“小桥理论”是研究工程变压器油发生火花放电（即习惯称的击穿）过程的一种广泛应用的理论。

“小桥理论”认为：变压器油发生火花放电的主要原因是杂质或气泡的影响。杂质由水分、纤维质（主要是受潮的纤维）等构成。杂质的介电常数 ε 约为变压器油的30～40倍（水的 ε =81，变压器油的 ε =2.2）。在电场中，杂质首先极化，被吸引向电场强度最强的地方，即电极附近，并按电力线方向排列。于是在电极附近形成了杂质“小桥”，如图1-6所示。如果极间距离大、杂质少，只能形成断续“小桥”，如图1-6（a）所示。“小桥”的电导率 γ 和介电常数都比变压器油大，从电磁场原理知，由于“小桥”的存在，会畸变油中的电场。因为纤维的介电常数大，使纤维端部处油中的电场加强，于是放电首先从这部分油中开始发生和发展，油在高场强下游离而分解出气体，使气泡增大，游离又增强。而后逐渐发展，使整个油间隙在气体通道中发生火花放电，所以，火花放电就可能在较低的电压下发生。

如果极间距离不大，杂质又足够多，则“小桥”可能连通两个电极，如图1-6（b）所示，这时，由于“小桥”的电导较大，沿“小桥”流过很大电流（电流大小视电源容量而定），使“小桥”强烈发热。“小桥”中的水分和附近的油沸腾汽化，造成一个气体通道——“气泡桥”而发生火花放电。如果纤维不受潮，则因“小桥”的电导很小，对于油的火花放电电压的影响也较小。上述是杂质引起变压器油发生火花放电的基本过程。显然，它与“小桥”的加热过程相联系。

应当指出，上述过程的分析只适用于稳态电压（直流和工频）和比较均匀的电场。当冲击电压作用或电场极不均匀时，杂质不易形成“小桥”，它的作用只限于畸变电场，故其火花放电过程，主要决定于外加电压的大小。

18.固体绝缘与变压器油联合使用的基本形式有哪些？效果如何？

在变压器和油断路器的实际结构中，常遇到固体绝缘与变压器油的联合使用，这种联合使用可以提高油的火花放电电压，联合使用的基本形式有：

（1）覆盖。在紧贴导体（电极）表面包一层比较薄（约为十分之几到几毫米）的固体绝缘材料，这个固体绝缘材料被称为覆盖，如图1-7（a）所示。缠在导线上的纸带或漆布以及220kV级套管均压罩表面的酚醛粉压塑料层等都是覆盖。覆盖很薄，既不能承受很高的电压，又不能明显地改变电场分布，但是，由于它的存在可以限制泄漏电流，隔断连通两极的导电“小桥”，杂质不能形成放电通道，所以能够提高火花放电电压，如图1-8所示。

实验表明，电场越均匀，电压作用时间越长。覆盖提高火花放电电压的作用越显著，例如在均匀电场中，工频火花放电电压可提高70%～100%，而极不均匀电场中，以及冲击电压下它的效果不明显。

由于覆盖能够提高油的火花放电电压，所以在充油的电力设备中很少采用裸导体。

（2）绝缘层。紧贴在导体（电极）表面包缠的一种厚度较大（一般可达几十毫米）的固体绝缘材料，被称为绝缘层，如图1-7（b）所示。变压器高压绕组的引线和绕组之间的绝缘层以及高压套管中导杆上包缠的绝缘纸层都是实际例子。绝缘层除了承受一部高压外，还能明显地改变油中的电场分布。因此绝缘层提高油间隙的火花放电电压的作用表现在两个方面：一是隔断杂质形成的导电“小桥”；二是改善电场分布，降低油中的最大电场强度。下面以圆形导线为例来说明这个重要概念。

由图1-9可见，采用绝缘层有两个好处：

1）油由原来最大场强区移到场强较低的区域，使油实际承受的场强降低了。

2）有绝缘层后，电场的分布又进一步改善。根据静电场理论

可见固体绝缘中的场强仅为替代后油实际最大场强的0.628，即固体绝缘层内的场强也相应降低了。图1-10示出了两圆柱形电极在工频电压下，绝缘层对提高火花放电电压的作用。

（3）屏障。设置在导体（电极）间的绝缘板，称为屏障（或称隔板、极间障），如图1-5（a）、（b）和图1-7（c）所示。屏障的尺寸较大，但厚度一般不大，通常为1～3mm，常用层压纸板或层压布板做成。其形状可根据需要制作，有圆筒形、角形等。例如，变压器高低压绕组之间的绝缘纸板是稍不均匀电场中的屏障。

屏障既能阻止杂质形成“小桥”，又能改变电场分布。像气体电介质那样，当电极曲率半径小的地方发生局部游离后，与电极同号的带电质点聚积在屏障一侧，使屏障与另一电极间的电场变成均匀电场，从而提高火花放电电压。显然，在极不均匀电场中屏障的效果最显著。当 S ₁ / S ≤0.4时，工频火花放电电压可达无屏障的2倍或更高。在稍不均匀电场中，采用屏障时提高25%以上。所以充油套管、多油断路器、变压器等充油设备都广泛采用油——屏障绝缘。

19.绝缘油中水分来源于何处？又以何种形态存在？

绝缘油中的水分主要来源于两个方面：一是外部侵入的水分。变压器等电力设备在制造过程中，绕组绝缘虽经真空干燥处理，但总难免还残有微量水分，特别是在安装、运输过程中，如保护措施不当，也会使绝缘再度受潮，一般新变压器内的水分含量往往可达绝缘纸重量的0.1%左右；在变压器运行过程中，由于油具有吸潮性，所以呼吸系统如漏进潮气也会通过油面渗入油内。油的吸潮性既随空气的相对湿度和油的增加而呈线性增长，又与油品的化学组成有关，油内芳香烃成分愈多，其吸潮性愈大，此外，油质老化后，其中的极性杂质将会增加，由此也会促使油的吸潮性迅速增大。二是绝缘油内部反应产生的水分。绝缘油在运行过程中由于内部汽化及热裂解作用而生成水分；在超温并有溶解氧存在的情况下，氧化作用加快，生成的水分也就较多。

一般说来，变压器在正常工作状况下，由于上述两种来源而造成绝缘油及绝缘纸每年增加的水分约为其绝缘纸重量0.1%～0.3%。

侵入充油电力设备的水分，一般以溶解水分、乳化（悬浮）水分、游离水分及固体绝缘材料吸附水分四种形态存在。水分存在的形态，在一定条件下，可以相互转换，例如，溶解水因温度等条件变化而发生过饱和时，可以从油中凝析出来成为乳化水；而乳化水在长期静止状态下或在外力作用下可能聚合沉淀形成游离水；反之，游离水与所受外力搅动后会形成乳化状态；在较高的温度下，乳化水与游离水也可以部分汽化而溶解于油变成溶解水。

20.微量水分对绝缘油特性有哪些影响？

绝缘油中的微量水分是影响绝缘特性的重要因素之一。绝缘油中微量水分的存在，对绝缘介质的电气性能与理化性能都有极大的危害，水分可导致绝缘油的火花放电电压降低，介质损耗因数tan δ 增大，促进绝缘油老化，使绝缘性能劣化，而造成受潮，损坏设备，导致电力设备的运行可靠性和寿命降低，甚至于危及人身安全。

图1-11～图1-13给出了水分对绝缘油和油浸纸的火花放电电压或击穿电压及介质损耗因数tan δ 的影响。

21.某双层介质中的相对介电常数、电导和电场强度分别为 ε ₁ 、 ε ₂ 、 g ₁ 、 g ₂ 、 E ₁ 、 E ₂ ，当加上电压以后试证明： E ₁ / E ₂ = ε ₂ / ε ₁ ，并用这个公式说明绝缘材料中含有气泡的危害性，以及受潮后的情况。

双层介质及其等值电路如图1-14所示。

当加上电压 U 时，通过介质的电流为

式中 Y ₁ 、 Y ₂ ——每层介质的等效导纳。

式中的tan δ ₁ =g ₁ / ωC ₁ ，tan δ ₂ = g ₂ / ωC ₂ 分别为每层介质损耗因数。

当tan δ ₁ ≪1，tan δ ₂ ≪1时， E ₁ / E ₂ =ε ₂ / ε ₁ ，即 ε ₁ E ₁ =ε ₂ E ₂ 。

这个公式在分析不同介质中电场分布时经常遇到，应记住。

当绝缘材料中含有气泡时，因为气泡的相对介电常数很小，接近于1。因此加上电压后，气泡中分担的场强就很大，所以易发生气泡游离或局部放电，气泡中的这种放电往往能导致整个绝缘的击穿。

当绝缘材料受潮时，因为水的介电常数很大， ε H ₂ O=81，使其相对介电常数增大，因此不像绝缘中含有气泡那样发生局部放电，但是绝缘受潮后使其绝缘强度大大下降，也会导致绝缘击穿。

22.绝缘缺陷分为哪几类？它们的特点是什么？

通常将绝缘缺陷分为集中性缺陷和分布性缺陷两类。

（1）集中性缺陷。指缺陷集中于绝缘的某个或某几个部分。例如局部受潮、局部机械损伤、绝缘内部气泡、瓷介质裂纹等，它又分为贯穿性缺陷和非贯穿性缺陷，这类缺陷的发展速度较快，因而具有较大的危险性。

（2）分布性缺陷。指由于受潮、过热、动力负荷及长时间过电压的作用导致的电力设备整体绝缘性能下降，例如绝缘整体受潮、充油设备的油变质等，它是一种普遍性的劣化，是缓慢演变而发展的。

既然电力设备绝缘有缺陷，那么它的绝缘性能就要发生变化。这样，我们就可以通过某种试验手段，测量表征其性能的有关参数，以查找绝缘存在的缺陷。目前，通常采用预防性试验手段来查找，并且它已成为我国电力生产中的一项重要制度，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。 wTAQ0cQFIaCZD5brE3kuGJYPjGi8HBT7oZmaxl3Wu+Nd9LsVKkyimJ7X5mVj687a