文章目录
- [第2章 液体电介质的绝缘特性与电气强度------课程总结与拓展](#第2章 液体电介质的绝缘特性与电气强度——课程总结与拓展)
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- 一、电介质的四个电气性能与主要参数
- 二、电介质的极化
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- [2.1 电子式极化](#2.1 电子式极化)
- [2.2 离子式极化](#2.2 离子式极化)
- [2.3 偶极子极化](#2.3 偶极子极化)
- [2.4 夹层极化](#2.4 夹层极化)
- [2.5 四种极化比较](#2.5 四种极化比较)
- 三、液体电介质的极化
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- [3.1 非极性和弱极性液体电介质](#3.1 非极性和弱极性液体电介质)
- [3.2 极性液体电介质](#3.2 极性液体电介质)
- 四、液体电介质的损耗
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- [4.1 非极性和弱极性液体电介质](#4.1 非极性和弱极性液体电介质)
- [4.2 极性液体电介质](#4.2 极性液体电介质)
- 五、液体电介质的电导
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- [5.1 液体电介质中离子的来源](#5.1 液体电介质中离子的来源)
- [5.2 液体电介质电导率与温度的关系](#5.2 液体电介质电导率与温度的关系)
- [5.3 液体电介质的电泳电导与华尔屯定律](#5.3 液体电介质的电泳电导与华尔屯定律)
- [5.4 液体电介质在强电场下的电导](#5.4 液体电介质在强电场下的电导)
- 六、液体电介质的击穿
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- [6.1 高度纯净去气液体电介质的电击穿理论](#6.1 高度纯净去气液体电介质的电击穿理论)
- [6.2 含气纯净液体电介质的气泡击穿理论](#6.2 含气纯净液体电介质的气泡击穿理论)
- [6.3 工程纯液体电介质的杂质击穿](#6.3 工程纯液体电介质的杂质击穿)
- 七、本章核心结论速记
- 八、拓展：从液体介质理论到工程绝缘
第2章 液体电介质的绝缘特性与电气强度------课程总结与拓展
本章逻辑主线：电介质的四个电气参数 → 液体电介质的极化（介电常数） → 液体电介质的损耗（tanδ） → 液体电介质的电导（离子电导、电泳电导、强场电导） → 液体电介质的击穿（纯净液体电击穿、含气液体气泡击穿、工程纯液体杂质击穿）。
一、电介质的四个电气性能与主要参数
电介质的电气性能可分为四类：
| 电气性能 | 主要物理量 | 核心内容 |
|---|---|---|
| 介电特性（极化） | 介电常数 (\varepsilon) | 极化机理、介电常数 |
| 介电损耗特性 | 介质损耗角正切 (\tan\delta) | 损耗机理、发热与老化 |
| 电气传导特性 | 绝缘电阻、泄漏电流 | 载流子移动、高场强下电导机理 |
| 电气击穿特性 | 击穿场强 | 击穿机理、劣化、电压---时间特性（V-t曲线） |
介电常数也称电容率，是描述电介质极化程度的宏观参数。电介质两端面出现的电荷称为极化电荷，极化电荷建立的反向电场 (E') 削弱外电场 (E_0)：
其中 (E_0) 为真空电场强度，(E') 为电介质自建电场强度，(E) 为有电介质时的电场强度。
常见材料相对介电常数（20℃）：
- 气体：空气约 1.00058；
- 液体：弱极性变压器油 2.2~2.5，硅有机液体 2.2~2.8；极性蓖麻油 4.5，氯化联苯 4.6~5.2；强极性丙酮 22、酒精 33、水 81；
- 固体：中性或弱极性石蜡 2.0~2.5、聚苯乙烯 2.5~2.6、聚四氟乙烯 2.0~2.2、松香 2.5~2.6、沥青 2.6~2.7；极性纤维素 6.5、胶水 4.5、聚氯乙烯 3.0~3.5；离子性云母 5~7、电瓷 5.5~6.5。
二、电介质的极化
最基本的极化型式包括电子式极化、离子式极化、偶极子极化和夹层极化。
2.1 电子式极化
每个原子由带正电的原子核和带负电的电子构成。无外电场时，电子云中心与原子核重合；加外电场后，电子运动轨道相对原子核发生弹性位移，正、负电荷作用中心不再重合，出现感应偶极矩：m =ql
矢量 (l) 的方向由 (-q) 指向 (+q)。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。它存在于任何电介质中，所需时间极短，几乎没有能量损耗。
2.2 离子式极化
固体无机化合物大多属离子式结构，如云母、陶瓷等。无外电场时，晶体正、负离子对称排列，各离子对偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零；加外电场后，正、负离子发生方向相反的偏移，平均偶极矩不再为零，介质被极化。这种极化称为离子式极化或离子位移极化。它存在于离子式结构电介质中，所需时间极短，几乎没有能量损耗。
2.3 偶极子极化
每个极性分子都是偶极子，具有一定电矩。无外电场时，偶极子因热运动杂乱无序排列，宏观电矩为零，整个电介质对外不表现极性；加外电场后，偶极子沿电场方向转动，作较有规则排列。这种极化称为偶极子极化或转向极化。它存在于极性电介质中，所需时间较长，有能量损耗（偶极子转向摩擦发热）。
2.4 夹层极化
由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，加外电场后，各层电压从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。电压重新分配过程中，夹层界面上积聚电荷，使整个介质等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。它存在于多层介质交界面，所需时间最长，有能量损耗，原因是自由电荷移动。
2.5 四种极化比较
| 极化种类 | 产生场所 | 所需时间 | 能量损耗 | 产生原因 |
|---|---|---|---|---|
| 电子式极化 | 任何电介质 | 极短 | 无 | 束缚电子运行轨道偏移 |
| 离子式极化 | 离子式结构电介质 | 极短 | 几乎没有 | 正负离子相对偏移 |
| 偶极子极化 | 极性电介质 | 较长 | 有 | 偶极子定向排列 |
| 夹层极化 | 多层介质交界面 | 最长 | 有 | 自由电荷移动 |
拓展：极化决定介电常数，影响电容器电容、电场分布和介质损耗。夹层极化在直流电压下会引起界面电荷积聚和吸收现象，是直流绝缘结构设计和试验中需要关注的问题。
三、液体电介质的极化
3.1 非极性和弱极性液体电介质
非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化。其相对介电常数与折射率 (n) 近似保持麦克斯韦关系：
这类液体介质的介电常数一般在 2.5 左右，如四氯化碳、苯、二甲苯、变压器油等。其介电常数与频率关系不大。
3.2 极性液体电介质
极性液体电介质的 (\varepsilon_r) 与电源频率有较大关系。频率太高时偶极子来不及转动，(\varepsilon_r) 值变小：
- 低频时，偶极子跟得上电场变化，(\varepsilon_r) 接近直流电场下的 (\varepsilon_{r0})；
- (f>f_1) 后，偶极子越来越跟不上电场交变，(\varepsilon_r) 不断下降；
- 当 (f=f_2) 时，偶极子完全跟不上电场转动，只存在电子式极化，(\varepsilon_r) 降至 (\varepsilon_{r\infty})。
温度对极性液体 (\varepsilon_r) 也有很大影响：
- 温度很低时，分子间联系紧密，液体黏度大，偶极子转动困难，(\varepsilon_r) 很小；
- 温度升高，黏度减小，偶极子转动幅度变大，(\varepsilon_r) 随之变大；
- 温度继续升高，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场方向运动，(\varepsilon_r) 又下降。
因此极性液体 (\varepsilon_r) 随温度出现峰值。
四、液体电介质的损耗
4.1 非极性和弱极性液体电介质
非极性和弱极性液体介质的极化主要是电子位移极化，相对介电常数与频率无关，介质损耗主要来源于电导：
一般非极性和弱极性液体电介质电导率 (\gamma) 很小，室温下约 (10^{-12}\ \text{S/m})。若取 (\varepsilon_r=2)、(f=50\ \text{Hz})，则 (\tan\delta\approx1.8\times10^{-4})，与实验结果相符。
低频下，这类液体的 (\varepsilon)、(P)、(\tan\delta) 与频率 (\omega) 的关系为：(P) 和 (\varepsilon) 近似不随频率变化，(\tan\delta) 随 (\omega) 增大而减小。高频下由于极性杂质等因素，可能使 (\tan\delta) 显著变化。
4.2 极性液体电介质
极性液体介质的介质损耗与黏度有关。极性分子在黏性媒质中作热运动，在交变电场作用下，电场力矩使极性分子作趋向于外场方向的转动，定向转动过程中因摩擦发热而引起能量损耗。
- 黏度相当大时，分子极化跟不上电场变化；
- 黏度很小时，分子定向转动时几乎无摩擦；
- 这两种情况下，偶极子转向极化引起的损耗都很小；
- 中等黏度下，该损耗显著，在某一黏度下出现极值。
电力电缆用的矿物油和松香组成的黏性复合浸渍剂，是一种极性液体介质。矿物油是稀释剂，油成分增加时复合剂黏度减小，对应于一定频率下出现 (\tan\delta) 最大值的温度向低温移动，而对应于恒温下出现 (\tan\delta) 最大值的频率向高频移动。工频下不同配方松香---矿物油复合剂的 (\tan\delta)---温度曲线会出现不同的峰值温度。
拓展：介质损耗会使绝缘发热，加速老化，甚至导致热击穿。(\tan\delta) 是绝缘预防性试验和在线监测的重要指标。极性液体用于电容器、电缆浸渍剂时，必须综合考虑频率、温度和黏度对损耗的影响。
五、液体电介质的电导
5.1 液体电介质中离子的来源
液体电介质的离子电导可分为本征离子电导和杂质离子电导：
- 本征离子：由组成液体本身的基本分子热电离解而产生的离子；
- 杂质离子：由外来杂质分子（水、酸、碱、有机盐等）或液体基本分子老化产物（有机酸、醇、酚、脂等）离解而生成的离子。
液体分子间距离远小于气体而接近固体，微观结构与非晶态固体类似，具有短程有序性；同时液体分子热运动比固体强，分子有强烈迁移现象。
液体中离子所处状态可用势能图描述：常温下正离子处于势能最低位置作振动，振动频率为 (\nu)。当离子热振动能超过邻近分子对它的束缚势垒 (u_0) 时，离子离开稳定位置而迁移；这种热振动引起的迁移在无外电场时也存在。
加外电场后，正离子由 A 向 B 迁移所需克服的势垒降低 (\Delta u)，由 B 向 A 迁移所需克服的势垒升高 (\Delta u)。电场使离子沿电场方向跃迁概率增大，形成定向迁移。
5.2 液体电介质电导率与温度的关系
一般工程纯液体介质在常温下主要是杂质离子电导。当外加电场强度远小于击穿场强时，液体介质的离子电导率 (\gamma) 与场强无关。电导率随温度增加可近似写成：
即 (\ln\gamma) 与 (1/T) 具有线性关系。
5.3 液体电介质的电泳电导与华尔屯定律
工程应用中，在液体介质中加入一定量树脂（如在矿物油中混入松香），树脂部分呈溶解状态，部分可能呈胶粒状悬浮，形成胶体溶液；水分进入某些液体介质也可能造成乳化状态的胶体溶液。
胶粒均带有一定电荷：当胶粒的介电常数大于液体的介电常数时，胶粒带正电；反之带负电。胶粒相对于液体的电位一般恒定（约 0.05~0.07 V）。在电场作用下，胶粒定向迁移构成"电泳电导"，胶粒是液体介质中导电的载流子之一。
设胶粒呈球形，半径为 (r)，液体相对介电常数为 (\varepsilon_r)，胶粒带电量为 (q)，在电场 (E) 中受电场力：
电泳电导率与液体黏度 (\eta) 的乘积在 (n_0)、(\varepsilon_r)、(U_0)、(r) 不变时为常数：
这一关系称为华尔屯（Walden）定律，表明电泳电导率与黏度的乘积可能是与温度无关的常数。
5.4 液体电介质在强电场下的电导
弱电场区，液体介质电流正比于电场强度，遵循欧姆定律。在 (E\ge10^7\ \text{V/m}) 的强电场区，电流随电场强度呈指数关系增长；除极纯净液体介质外，一般不存在明显的饱和电流区：
其中 (j_0) 为 (E=E_2) 时的电流密度，(C) 为常数。
该式可用离子迁移率和离子离解度在强电场中的增加来说明。在 (E>2kT/(q\delta)) 的强电场区，离子迁移率随场强增加而增加。但若以 (E_2=2kT/(q\delta)) 计算，(E_2\approx5\times10^8\ \text{V/m})，比实验结果约高一个数量级。因此把液体介质在强场下电导的激增完全归之于离子电导，与实验结果不符。
实验结果表明：液体电介质在强电场下电导具有电子碰撞电离的特点，可能是电子电导引起。乙醇对电子有强烈吸附作用，加入乙醇使电子电导下降。随着极间距离 (d) 增加，电流增加、曲线上移，也表明液体介质在强电场下的电导可能是电子电导所引起的。
拓展：液体电导决定绝缘电阻和泄漏电流。水分、酸、碱、有机盐、老化产物和胶粒都会显著增加电导。工程上通过测量绝缘油的体积电阻率、介质损耗和微水含量来判断油质劣化。
六、液体电介质的击穿
液体被广泛用作电气设备的内绝缘，如变压器油、电容器油、电缆油等。关于液体电介质击穿机理，由于问题复杂，液体介质击穿理论还很不完善。液体介质的击穿与其含气、含杂质情况密切相关；在液体净化技术不完善的条件下，实验结果差异很大。近年来随着净化技术提高，建立了一些比较实用化的液体介质击穿学说。
工程中实际使用的液体介质并非完全纯净，往往含有水分、气体、固体颗粒和纤维素等杂质，对击穿过程有很大影响。减少杂质影响的措施包括：过滤、防潮、祛气、用固体介质减少油中杂质影响。影响液体介质击穿的因素包括：油品质、温度、电压作用时间。
6.1 高度纯净去气液体电介质的电击穿理论
（1）碰撞电离开始作为击穿条件
阴极场致发射或热发射产生的电子在电场中被加速获得动能，碰撞液体分子时把能量传递给液体分子。假设液体分子热振动能量是量子化的，液体分子与电子一次碰撞中平均吸收能量为一个振动能量子 (h\nu)（(h) 为普朗克常数，(\nu) 为液体分子基团固有振动频率）。当电子在相邻两次碰撞间从电场中得到的能量大于 (h\nu) 时，电子就能在运动过程中逐渐积累能量，直到电子能量大到一定值时，电子与液体相互作用便导致碰撞电离。
碰撞电离临界条件与电子平均自由程 (\lambda)、电子电荷 (e)、电场强度 (E) 有关。击穿场强可表示为：
其中 (C) 为大于1的整数。对直链型碳氢化合物液体，击穿场强与 ((m-1)\rho/M) 成正比（(m) 为组成分子的原子个数，(\rho) 为液体密度，(M) 为分子量），与实验结果一致。
（2）电子崩发展至一定大小为击穿条件
类似气体放电原理，定义 (\alpha) 为液体介质中一个电子沿电场方向行经单位距离平均发生的碰撞电离次数，则 (\alpha) 正比于碰撞总数 (1/\lambda) 乘以电离概率：
设击穿条件为：
其中 (d) 为电极间距离，(A) 为常数。联合上式得：
说明在其他参数一定时，(E_b\propto 1/\ln d)，即液体介质层厚度减薄时，击穿场强应增大。
6.2 含气纯净液体电介质的气泡击穿理论
（1）热气化击穿
夏博（Sharbaugh）等人提出：当液体平均场强达到 (107\sim108\ \text{V/m}) 时，阴极表面微尖端处场强可能达到 (10^8\ \text{V/m}) 以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面微尖端注入液体中，电流密度可达 (10^5 \text{A/m}^2) 以上。按此电流密度估算发热，单位体积、单位时间发热量约为 (10^{13} \text{J/(s·m}^3))。当液体得到的能量（转化为热量）等于电极附近液体气化所需热量时，便产生气泡。以产生气泡条件作为液体击穿条件：
其中 (m) 为空间电荷影响常数，约1.5~2；(\tau) 为液体在电极粗糙处强场区滞留时间；(A) 为常数；(c) 为液体比热；(l_b) 为液体气化热。该式表明，液体温度升高时，击穿场强下降。
（2）电离化气击穿
研究气体放电对绝缘油的影响时发现，油在放电作用下产生低分子气体，主要是氢气、甲烷等。化气过程可解释为电离产生的高能电子使液体分子 C---H 键（或 C---C 键）断裂。当液体介质中电场很强、出现高能电子时，也会发生类似过程，液体放气，这就是电离化气观点。放电时产生的气体并不是蒸汽，而是氢气。对绝缘油击穿时的气体进行光谱分析，证明不存在残留空气及油蒸气，主要存在的是氢气。
6.3 工程纯液体电介质的杂质击穿
纯净液体介质精制、提纯极其复杂，电气设备制造过程中难免有杂质重新混入，运行中也会因液体介质劣化而分解出气体或低分子物。工程纯液体介质的击穿中，杂质起决定性作用。杂质主要有水分和固体杂质两类。
（1）水分的影响
- 水分溶解于液体介质中，对击穿电压影响不大；
- 水分呈悬浮状态时，击穿电压明显下降，影响严重。
吉孟特的水桥击穿模型：水分在液体中呈悬浮状态存在时，水分呈圆球状（胶粒），均匀悬浮在液体中，直径约 (10{-2}\sim10{-4}\ \text{cm})。外电场作用下，水的介电常数很大，水球容易极化而沿电场方向伸长成椭圆球；如果定向排列的椭圆水球贯穿于电极间形成连续水桥，则液体介质在较低电压下发生击穿。
变压器油工频击穿电压与温度的关系：
- 在 (0\sim60^\circ\text{C})，随温度升高，水在油中溶解度增大，部分悬浮状态水变成溶解状态，相当于胶粒水珠体积浓度下降，击穿场强随温度升高而增加；
- 约在 (60\sim80^\circ\text{C}) 内出现最大值；
- 温度更高时，油中所含水分汽化增多，又使击穿场强下降；
- 纯净干燥变压器油在 (0\sim80^\circ\text{C}) 范围内击穿电压变化较小。
工程用液体介质含水量质量分数增加时，击穿场强 (E_b) 下降。
（2）固体杂质的影响
液体介质中有悬浮固体杂质微粒时，使液体介质击穿场强降低。一般固体悬浮粒子的介电常数比液体大，在电场力作用下，这些粒子在电极表面电场集中处逐渐积聚。考克根据这种现象提出液体介质杂质小桥击穿模型，由悬浮粒子所受电场力与运动阻尼力间的平衡关系，并考虑粒子扩散作用，得出击穿场强与杂质粒子半径的 (r^{-3/2}) 成正比，即：
E_b\\propto r\^{-3/2}
悬浮粒子半径减小，击穿场强增大。
当液体介质含有杂质时，杂质粒子移动能使液体内电场发生畸变，均匀电场实际上已被畸变为不均匀电场，所以杂质对击穿电压影响较大。相反，在极不均匀电场情况下，杂质粒子移动到电场强度最大处，出现较多空间电荷，从而削弱强电场，致使杂质对击穿电压影响变弱。
电场越均匀，杂质对击穿电压的影响越大，击穿电压分散性也越大；不均匀电场中杂质影响较小。对于冲击击穿电压，杂质影响也较小，因为在冲击电压短时作用下，杂质还来不及形成"小桥"。
七、本章核心结论速记
| 主题 | 核心结论 |
|---|---|
| 极化 | 电子式、离子式极化快且几乎无损耗；偶极子极化有损耗；夹层极化最慢、有损耗、界面电荷积聚 |
| 非极性液体 | 电子位移极化为主，(\varepsilon_r\approx n^2)，(\varepsilon_r) 约2.5，损耗主要来自电导 |
| 极性液体 | (\varepsilon_r) 随频率升高而下降，随温度出现峰值；损耗与黏度有关，中等黏度损耗最大 |
| 离子电导 | 本征离子与杂质离子；弱场下 (\gamma) 与场强无关；(\ln\gamma) 与 (1/T) 线性 |
| 电泳电导 | 胶粒定向迁移；Walden定律：(\gamma_e\eta) 近似为与温度无关的常数 |
| 强场电导 | (E\ge10^7\ \text{V/m}) 后电流指数增长；实验支持电子电导，而非单纯离子电导 |
| 纯净液体击穿 | 碰撞电离/电子崩理论；(E_b\propto1/\ln d)，厚度减薄击穿场强增大 |
| 含气液体击穿 | 热气化击穿、电离化气击穿；气泡是薄弱点，温度升高击穿场强下降 |
| 工程液体击穿 | 杂质主导；水分形成水桥，固体杂质形成小桥；均匀电场中杂质影响大，冲击电压下影响小 |
八、拓展：从液体介质理论到工程绝缘
拓展一：变压器油的三大作用与性能要求
变压器油在油浸式变压器中同时起绝缘、散热和灭弧作用（油断路器）。工程要求：高击穿电压、低介质损耗、低电导、低含水量、低含气量、良好氧化安定性和低温流动性。油质劣化会产生有机酸、醇、酚等极性杂质，使 (\tan\delta) 和电导增大，击穿电压下降。
拓展二：极性液体与电缆浸渍剂配方
矿物油---松香复合浸渍剂是典型极性液体。通过调整松香与矿物油配比，可改变黏度，从而移动 (\tan\delta) 峰值对应的温度或频率，使电缆在工作温度范围内损耗较小。这体现了"极性液体损耗---黏度---温度---频率"关系在工程配方设计中的应用。
拓展三：液体击穿的V-t特性与绝缘设计
液体介质击穿电压随电压作用时间增加而降低。短时冲击击穿场强较高，长期工作场强必须远低于短时击穿场强。工程绝缘设计不能仅看短时击穿电压，还要考虑局部放电、发热、杂质积聚和老化引起的长期劣化。
拓展四：净化与在线监测
工程纯液体击穿由杂质主导，因此"净化"往往比"提高本征强度"更有效。常用措施：过滤去除固体颗粒、真空脱气去除气泡、脱水防潮、吸附去除极性杂质。在线监测包括油中微水、颗粒度、溶解气体分析（DGA）、介质损耗 (\tan\delta)、体积电阻率等。
拓展五：环保液体介质与纳米改性
传统矿物油存在燃点较低、生物降解性差等问题。环保植物油（如FR3）燃点高、可降解、无毒，但黏度较高、氧化安定性需改进，常用于配电变压器和海上风电。纳米改性绝缘油通过添加少量 TiO₂、Al₂O₃、SiO₂ 等纳米粒子，可提升击穿场强、散热性能和局部放电耐受能力，是当前液体绝缘研究的重要方向。
拓展六：液体击穿与气体击穿的联系
纯净去气液体的电子崩击穿与气体汤逊/流注理论有相似之处；气泡击穿本质上可看作液体中气隙的击穿；杂质小桥击穿则是液体介质特有的工程击穿形式。工程纯液体击穿往往由杂质和气泡主导，因此液体绝缘的工程问题核心是"控制杂质、控制气泡、控制水分、控制老化"。