西南交通大学电气设备状态监测期末复习

第一章

1、电介质的定义

电介质是指在电场作用能产生极化的一切物质。广义上说来，电介质不仅包括绝缘材料，而且包括各种功能材料，如压电、热释电、光电、铁电等材料。

2、电介质的分类方法

（1）根据正负电荷在分子中的分布特性，可把电介质分为三类：?非极性电介质?极性电介质?离子型。（2）根据实际应用情况，按照电介质的凝聚形态，可将其分为四种基本类型：固体电介质、液体电介质、气体电介质、真空绝缘

3、不同类型电介质在绝缘特性上的差异

4、常用的气体、液体、固体电介质的特点及其适用场合

液体电介质又称绝缘油，在常温下为液态，在电气设备中起绝缘、传热、浸渍及填充作用，（特点）：流动性，击穿后有自愈性，电气强度比气体的高，用液体电介质制造的高压电气设备体积小，节省材料，液体电介质可燃，易氧化变质，产生水分、酸、油泥等导致电气性能变坏。（适用场合）：主要用在变压器、油断路器、电容器和电缆等电气设备中。

气体电介质应具有绝缘强度高、化学及热稳定性好、对结构材料的腐蚀作用很小、不燃、不爆、液化温度低、热导率高、在电弧条件下耐分解、不产生有毒及腐蚀性分子等特性。?此外，还要求成本低，净化维护方便。

真空绝缘（特点）：采用真空作为开关灭弧介质，成本低、维修费用低、无爆炸危险，另外，由于灭弧室具有高真空度，空气分子十分稀薄，真空间隙的绝缘强度比常温下的空气和SF6高得多。（适用场合）：主要应用于中压开关设备上，具有优良的绝缘性能和灭弧性能。

5、SF6气体在电气绝缘领域的应用及其优缺点

SF6气体综合性能优异，具有很高的绝缘强度和灭弧性能，广泛应用于高压断路器、电容器、电缆、变压器及气体绝缘变电站(GIS)放电后的分解对含Si02的陶瓷和玻璃等无机材料有强的腐蚀性；密度大，在检修充SF6电气设备时易引起工作人员窒息；价格较贵。

6、电气设备对不同电介质的具体要求

液体介质的要求：（1）电气性能好，例如绝缘强度高、电阻率高、介质

损耗及介电常数小（电容器则要求介电常数高）（2）散热及流动性好，即粘度低、导热好、物理及化学性质稳定、不易燃、无毒及其它一些特殊要求.

对气体电介质的要求应具有绝缘强度高、化学及热稳定性好、对结构材料的腐蚀作用很小、不燃、不爆、液化温度低、热导率高、在电弧条件下耐分解、不产生有毒及腐蚀性分子等特性。此外，还要求成本低，净化维护方便。

7、为什么要用组合绝缘结构8、典型的电气设备组合绝缘有那些

第二章

1.介电常数的定义及其物理意义；

介电常数亦称为电容率，是描述电介质极化的宏观参数。是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米. 它是一个在电的位移和电场强度之间存在的比例常量。

2.相对介电常数的定义；

相对介电常数，表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数。其值等于以预测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比.

3.电介质极化的宏观与微观参数的关系；

P = Nμ, N——电介质单位体积中的分子数,P ——电介质极化强度, 感应偶极矩为μ,

比例常数α称为分子极化率

4.宏观电场强度与有效电场强度，不同电介质的有效电场强度及介电常数。

电介质的宏观电场强度E,是指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化分子形成的偶极矩共同在该点产生的场强。

电介质的有效场强 E i , 是指极板上的自由电荷以及除某极化分子以外其它极化分子形成的偶极矩共同在该分子产生的场强。洛伦兹（Lorentz）首先对有效电场作了近似计算。

5. 电介质极化的定义及极化强度；

置于电场中的电介质，沿电场方向产生偶极距，在电介质表面产生束缚电荷的现象称为电介质的极化.

极化强度P定义为电介质单位体积内电偶极矩向量和，即

极化强度是表征电介质在电场作用下极化程度的向量。

6.交变电场下电介质的极化过程；

7.吸收电流的形成。

充电时随时间增长的电荷(Q2-Q1)称为介质的吸收电荷，它是介质松弛极化所引起的积聚电荷Qr，所以它相应产生松弛极化电流。这部分电流只是当电压发生变化时才存在它是时间的函数，并随时间的增长而减小，最后降至零，故又称为介质的吸收电流。

8.电介质宏观参数和微观参数之间的关系。?

9.对比分析气体、液体、固体损耗的形成及其特点。

(1) 气体分子之间的距离很大，所以分子间的互相作用可以忽略，因此无论是电子位移极化还是偶极子的转向极化都基本上不会引起损耗；在没有引起放电的情况下，气体介质只有电导损耗，由其直流电导率决定

（2）液体电介质

极性液体电介质

极性分子在粘性媒质中作热运动，在交变电场作用下，电场力矩将使极性分子作趋向于外场方向的转动，在定向转动过程中，因摩擦发热而引起能量的损耗。极性液体介质的介质损耗与粘度有关。

–粘度相当大，分子极化跟不上电场的变化，松弛损耗甚微；

–粘度很小，分子定向转动时无摩擦，松弛损耗都甚微；

–中等粘度下，松弛损耗显著，在某一粘度下出现极值；

粘度决定了松弛过程，粘度愈大，反常色散频率愈低。

2．固体有机电介质

非极性有机介质在外电场作用下只有电子位移极化，介质损耗主要由杂质电导引起。电导率一般很小，tan δ的值也很小，被广泛用做工频和高频绝缘材料。极性有机介质在软化范围内ε不随温度升高而增大，反而是减小，同时出现tan δ最大值。这类介质的损耗，主要决定于极性基的松弛损耗，在高频下的损耗也很大，不能作为高频介质应用。

10.相对介电常数、介质损耗角正切的定义及测量原理，测量结果的影响因素。

相对介电常数见上，介电损耗角正切，表征电介质材料在施加电场后介质损耗大小的物理量，

以tanδ来表示，δ是介电损耗角。

绝缘材料的相对介电常数与损耗角正切的测量方法

分为两大类：电桥法谐振法，电桥法用于低频测量，谐振法用于高频测量。电桥法

测试原理：把试样作为一个桥臂，其它三个桥臂的

阻抗已知，调节电桥达到平衡，根据平衡条件，求

出试样的并联等效电容与电阻，从而计算出试样的

相对介电常数和损耗角正切。

谐振法

当测量频率增高至上kHz时，对于绝缘材料的相对介电常数与介质损耗角正切的测量，广泛使用谐法。

工作原理

接入试样除去试样，二次谐振下测频率与L都不变,总电容不变。C x = C 2 ?C1

测量结果的影响因素

测量频率测量应在绝缘材料所使用的频率下进行，如果材料在较宽的频率范围内应用，则应在一定频率范围内测量数次。测量电压测量绝缘材料的相对介电常数与损耗角正切时，必须注意所加电压，不使材料内部或表面发生电离。温度损耗角正切的温度系数视测量频率相对于松弛频率的关系或正或负。夹层极化的松弛频率通常低于1Hz，相应的损耗角正切的温度系数在通常的测量频率下是正的。湿度增加夹层极化；增加了相对介电常数和损耗角正切；增加了直流电导。其它因素，例如气候、浸水、老化等，都会影响

11.分析极化与介质损耗之间的关系。

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗

第三章

电导的基本概念:电介质并非理想绝缘体，在电场作用下均有一定的电流通过，此为电介质的电导。

表示方法:一般用电阻率或电导率来表示:

在含有m种载流子导电的情况下，电介质的电导率

可表示为：

电导率受那些微观参数的影响:物质的导电性与其凝聚状态及组成结构有关；

决定物质导电性强弱的微观参数是载流子的浓度和迁移率的大小：

金属、半导体和绝缘体的能带结构

电导的分类及其特点:

按导电载流子种类，电介质的电导可分为：

电子电导（包括空穴电导）

离子电导胶粒电导

气体介质的电导:

液体介质的电导:

液体介质的电导按载流子的不同可分为离子电导，胶粒电导和电子电导三种。特点：

胶体溶液中胶粒相对于液体的电位U0一般是恒定的（约为0.05~0.07V），在电场作用

下定向的迁移构成“电泳电导”。

液体电介质在强电场下的电导具有电子碰撞电离的特点。

固体介质的电导:

固体电介质的电导按导电载流子种类可分为离子电导和电子电导两种。在弱电场中，主要是离子电导.

电阻率:

体积电阻率是绝缘体内的直流电场强度与体积内部泄漏电流密度之比。

表面电阻率是绝缘体表面层的直流电场强度与通过表面层的电流线密度之比绝缘材料的电阻率一般指体积电阻率。

电阻率与微电流的定义及测量原理:

测量结果的影响因素:温度、湿度、电场强度、辐射的影响、放电时间

电阻率和微电流的测试方法：

数字式兆欧表

1：断开被试品的电源，拆除或断开较大的被试品更应充分充电。

2;用干燥清洁柔软的布擦去被试品表面的污垢；

3：调试兆欧表的零点和无穷处；

4：驱动兆欧表表达额定转速，待指针稳定后，读取绝缘电阻的数值；

5：测量吸收比或极化指数时，先驱动兆欧表达额定转速，待指针指到无穷大，用绝缘工具将火线立即接至被试品上，同时记录时间，分别读取15s和60s或10min时的绝缘电阻；

6：读取数值后，先断开接至被试品的火线，然后再将兆欧表停止运转；

7：在湿度较大的条件下进行测量，可在被试品表面加等电位屏蔽

8：若测得的绝缘电阻值过低或三相不平衡时，应进行解体试验，查明绝缘不良部分。

第四章

电介质老化的影响因素

老化的类型；热老化；热氧化老化，光老化，臭氧老化，化学老化，生物老化，疲劳，高能辐射老化，电老化

老化的检测和诊断方法：色谱分析法；波谱分析法；热分析法；显微分析；

介电谱；TSC ；质谱分析法；电子顺磁共振分析；

热老化的定义，热老化是材料在热等因素作用下，材料发生失重、相对分子质量降低、熔化、结晶度与交联度变化等过程从而使性能下降的现象。

热老化的机理，热作用下的降解，在单一老化因子热的作用下，高分子材料主要发生热降解反应。按主链是否断裂可分为三种形式：

温度与绝缘寿命的关系：通常情况下，温度增加，有机绝缘材料的耐放电

性能降低，电老化寿命缩短

电老化的分类

局部放电（电晕放电）老化

电弧放电老化和电痕化老化

树枝化老

局部放电（电晕放电）老化，电晕放电对材料的作用：产生大量氢气局部高温活性产物的老化作用，直接石墨化或生成无定形炭，产生气态产物而离开母体材料

电弧放电老化：主要因素是高温、燃烧，使材料分解、炭化；

在电弧放电过程中，先生成不完全燃烧的中间产物或有机半导体，

然后进一步生成导电能力强的有机半导体；

电痕化老化，：绝缘材料在户外或在其它有污秽的环境中工作时，在沿面电场和表面污秽的联合作用下，表面逐渐形成导电痕迹的老化

树枝化老化的形成及特点：

（1）电树枝化

老化的过程：

绝缘中存在尖端电极在施加电压后，在尖端处发生电场局部集中现象，并从该尖端长出树枝状痕迹，最后发展到击穿。

电树枝的诱发因素：尖端无气隙时，是从尖端注入载流子或尖端附近局部电击穿，当尖端存在气隙时，可能与气隙放电有关

（2）水树枝化

水树枝是在电场和水联合作用下在高分子电介质中所产生的树枝状痕迹。

水树枝诱发后，往往由它进一步发展为电树枝直至击穿

高分子电介质在某些化学物质（例如H2S）与电场联合作用下也能产生树枝，称为化学树枝

特殊环境中老化的影响因素及其作用

1.高能辐照老化

高能辐照包括电磁辐照（X射照，射线），粒子，(质子、氘子，粒子及中子)射线，高能辐照能量达eV,对聚合物最重要的作用是裂解和交联

2.微生物老化

微生物引起的发霉现象比较普遍，影响也大。微生物通过酶对材料作用，防止的办法是加入各种防霉剂破坏微生物的细胞构造或酶的活性，起到杀死或抑制的目的

3.绝缘材料的疲劳，

疲劳，是多次重复施加应力或应变后，力学性能降低甚至丧失的现象，在机械力作用下，聚合物疲劳的原因中，最重要的是机械降解作用产生大游离基。由于机械降解作用中也产生游离基，因此许多防老剂也可作为防疲劳剂。

电介质击穿的定义——在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力的现象。

气体电介质的击穿机理和击穿过程——正常气体中的载流子在外电场的作用下迁移，形成电流；电流随电压增加而增加；电离产生的载流子来不及符合，全部到达电极；气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升；载流子数剧增，气体中的电流无限增大；气体由绝缘转台变为良导体，从而丧失绝缘性能。

均匀电场中的气体击穿——气体击穿的汤逊理论和流注理论。气体击穿的汤逊理论：形成电子崩，由碰撞电力产生大量的电子，是非自持放电；气体击穿的流注理论：形成电子崩，当电子崩发展到足够程度后，电子崩中出现了大量的空间电荷，电场明显畸变，是自持放电。

不均匀电场中的气体击穿——极不均匀（针——板间隙）：电晕放电是极不均匀电场所持有的一种自持放电形式，在电压还不足以导致击穿前，大曲率电极电场做强处已发展起相当剧烈的电离现象，大量空间电荷的积累使间隙中的电场畸变；随着电压的升高，针极附近形成电晕。

液体击穿的理论及机理——高度纯净去液体电介质的击穿理论：1.碰撞电离开始作为击穿条件2.电子崩发展至一定大小作为击穿条件；含气纯净液体电介质的气泡击穿理论：1.热化气击穿2.电离气化击穿；工程纯液体电介质的杂质击穿。

固体击穿的理论及机理——热击穿：是由于电介质内部热不稳定过程所造成的，当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高，有瓦格纳热击穿理论；电击穿：是在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象，有本征电击穿理论和雪崩电击穿理论；不均匀电介质的击穿：有复合电介质的击穿，局部放电，聚合物电介质的树枝化击穿。

老化与击穿的关系——电介质老化后，绝缘性能下降，使击穿更容易发生。

1聚合物绝缘材料的特性，绝缘纸、织物的浸胶和浸油及其对绝缘性能的影响:

2常用的加聚物绝缘材料、缩聚物绝缘材料的主要电气、机械和热性等方面的性能及其在电气绝缘领域的用途。

1.绝缘纸:聚合物薄膜与绝缘纸比较，其抗撕裂性偏低，伸长

率过大，耐油性较差，浸渍性很差。电机槽绝缘、油纸电缆绝缘、电容器和变压器绝缘均以绝缘纸为基础。为了提高它的介电性能以满足高压电缆及其它高压电力设备的要求，正在发展合成纸、纤维与塑料薄膜复合纸等。

2.织物的浸胶

提高温度和真空度

1浸胶后在胶的固化过程中，因为胶发生固化收缩，

相邻的气囊体积随之扩大，甚至产生气体通道；

②浸胶后开始升温，进入固化阶段，气囊因受热膨胀，

气体穿过未完全固化的胶而留下气体通道，给多相体

系留下吸潮的隐患。

3.浸油

油纸绝缘的电容器或电缆的工作电场强度很高，高真空干燥工序是浸油工艺所特有的，其真空度高达0.133～2Pa，而且要求逐步提高真

空度以控制单位时间蒸发量。有利于保持纸的实际温度，并且不会因高真空所产生的水分快速蒸发而损伤纤维。

浸油要求在高真空下进行，直到不再出现气泡

时才停止抽真空。

4.各种聚合物（加聚和缩聚）

（1）加聚物绝缘材料

1`聚乙烯（PE）

聚乙烯在常温下呈半透明、乳白色蜡状，无毒、易燃。

聚乙烯基本上是非极性，电性能优良。耐水、耐溶剂，常

温下能耐化学腐蚀，化学稳定性好；有一定的机械强度。

低密度聚乙烯主要用作电缆绝缘材料和护套材料；高密度

聚乙烯主要用于通信电缆。

2聚丙烯（PP）

乳白色、密度较小，具有优异的介电性能；抗张强度、

刚性以及耐环境应力开裂性等都较好。缺点：耐寒性差、

耐热氧化及光氧化性能差。可制造成塑料、纤维和薄膜。

表面经过粗化处理的聚丙烯薄膜是制造电力电容器的重要

材料，聚丙烯也可用作电线电缆及通信电缆的绝缘材料。

3聚氯乙烯（PVC）

极性较强，不能用于高频和高压绝缘，常用作中、低

压电线电缆绝缘以及电缆的护层；PVC具有不延燃、耐酸等

优点，可溶于有机溶剂。缺点：分子中含有不稳定的烯丙

基氯结构；分子链刚性大，较难直接加工和应用。

4聚四氟乙烯（PTFE）

由游离基聚合制得，外观为白色结晶粉末，分子对称

性好，结晶度高。优点：具有优异的介电性能；耐热、耐寒性好；具有卓越的耐化学腐蚀性能；摩擦系数低；有自熄性。缺点：很难用通常热塑性塑料的成型方法进行加工，耐辐照性、耐电晕性以及黏附性都较差。

通常用于耐高温产品和低压、高频通信电缆绝缘。

5丁苯橡胶是当前产量最大的合成橡胶，可用于制造电线、电缆。与天然橡胶相比，丁苯橡胶的耐磨性、耐热性、耐臭氧性和耐老化性较好，但机械强度、耐寒性、弹性及黏结性较差

（2）缩聚物绝缘材料

1热塑性树脂( 单体f=2) ,属于线形聚合物，特点

是可溶可熔．

?热固性树脂( 至少有一种单体f=3,4) ，最终产

物是体形聚合物，特点是不溶不熔．

1聚酯:

（1）PET耐化学腐蚀和耐溶剂性好，但耐碱性较差，并

易水解

（2）聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）

热变形温度高，可在150℃空气中长期使用；具有低吸湿性，可在潮湿环境下保持优良的电性；加工性能好，可用作松套式光纤塑套。（3）聚芳酯（U聚合物）

突出的性能是耐高温（溶点高430℃，接近分解温度）；阻燃；模量高。

可作架空或地埋光缆的线芯加强材料，代替钢丝；

也可与环氧复合后作光缆的加强芯。

2．聚酰胺

聚酰胺即尼龙（PA），主链上含有酰胺键，主要应用形式是纤维和塑料制品。

（1）聚酰胺-1010（PA1010）

PA1010主要用作电器设备的支架、罩壳、轴及在电线电缆中作护层。（2）聚酰胺-12（PA12）

PA12可作电工制品的零部件，电线电缆护层，也是光纤理想的塑套材料。

（3）聚芳酰胺

聚间苯二甲酰间苯二胺主要应用形式是纤维的薄膜，

3．聚酰亚胺（PI）

PI可用作电机和电缆的耐热绝缘衬垫和绕包材料，也

常作为冷冻机内的电机绝缘及挠性印刷线路的基板。PI在电工中也常作为漆包线漆和浸渍漆应用。

4．聚氨酯

热塑性聚氨酯弹性体耐磨、耐油，低温弹性好，可作油井及矿井的电缆护套，以及软质泡沫塑料。

而另一种缩聚体型聚氨酯用于制造硬质泡沫塑料和漆包线漆等。作为漆包线漆时，属E级绝缘。其突出的优点是直焊性和可染色性