高电压技术第2章习题答案

《高电压技术》机械工业出版社 主编：吴广宁

第二章 液体的绝缘特性与介质的电气强度

2-1电介质极化的基本形式有哪几种，各有什么特点？

2-2如何用电介质极化的微观参数去表征宏观现象？

2-3非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？

2-4极性液体的介电常数与温度、电压、频率有什么样的关系？

2-5液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？

2-6目前液体电介质的击穿理论主要有哪些？

2-7液体电介质中气体对其电击穿有何影响？

2-8水分、固体杂质对液体电介质的绝缘性能有何影响？

2-9如何提高液体电介质的击穿电压？

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2-1电介质极化的基本形式有哪几种，各有什么特点？

答：电介质极化的基本形式有

（１）电子位移极化

图（1） 电子式极化

（２）偶极子极化

图（2） 偶极子极化

（a）无外电场时 （b）有外电场时

1—电极 2—电介质（极性分子）

2-2如何用电介质极化的微观参数去表征宏观现象？

答：克劳休斯方程表明，要由电介质的微观参数（N、 ）求得宏观参数—介电常数 r，必须先求得电介质的有效电场Ei。

（１）对于非极性和弱极性液体介质，有效电场强度

Ei E P3 0 r 23E

式中，P为极化强度（P 0( r 1)E）。

上式称为莫索缔（Mosotti）有效电场强度，将其代入克劳休斯方程[式(2-11)]，得到非极性与弱极性液体介质的极化方程为

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r 1

r 2 N 3 0

（２）对于极性液体介质，由于极性液体分子具有固有偶极矩，它们之间的距离近，相互作用强，造成强的附加电场，洛伦兹球内分子作用的电场E2≠0，莫索缔有效电场不适用。

2-3非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？

答：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，偶极子极化对极化的贡献甚微；极性液体介质包括中极性和强极性液体介质，这类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，还有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子的转向极化往往起主要作用。

2-4极性液体的介电常数与温度、电压、频率有什么样的关系？

答：（１）温度对极性液体电介质的 r值的影响

如图2-2所示，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，液体电介质黏度很大，偶极子转动困难，所以 r很小；随着温度的升高，液体电介质黏度减小，偶极子转动幅度变大， 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取向，使极化减弱， r又开始减小。

（２）频率对极性液体电介质的 r值的影响

如图2-1所示，频率太高时偶极子来不及转动，因而 r值变小。其中 r0相当于直流电

场下的介电常数，f>f1以后偶极子越来越跟不上电场的交变， r值不断下降；当频率f=f2

时，偶极子已经完全跟不上电场转动了，这时只存在电子式极化， r减小到 r ，常温下，

极性液体电介质的 r≈3～6。

2-5液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？

答：液体电介质电导的形成：

（１）离子电导——分为本征离子电导和杂质离子电导。设离子为正离子，它们处于图２－５中A、B、C等势能最低的位置上作振动，其振动频率为υ，当离子的热振动能超过邻近分子对它的束缚势垒u0时，离子即能离开其稳定位置而迁移。

（２）电泳电导——在工程中，为了改善液体介质的某些理化性能，往往在液体介质中

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加入一定量的树脂，这些树脂在液体介质中部分呈溶解状态，部分可能呈胶粒状悬浮在液体介质中，形成胶体溶液，此外，水分进入某些液体介质也可能造成乳化状态的胶体溶液。这些胶粒均带有一定的电荷，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，胶粒带负电。胶粒相对于液体的电位U0一般是恒定的，在电场作用下定向的迁移构成“电

泳电导”。

电场强度的影响

（１）弱电场区：在通常条件下，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 是与电场强度无关的常数，其导电规律遵从欧姆定律。

（２）强电场区：在E≥107V/m的强电场区，电流随电场强度呈指数关系增长，除极纯净的液体介质外，一般不存在明显的饱和电流区。液体电介质在强电场下的电导具有电子碰撞电离的特点。

2-6目前液体电介质的击穿理论主要有哪些？

答：液体介质的击穿理论主要有三类：

（１）高度纯净去气液体电介质的电击穿理论

（２）含气纯净液体电介质的气泡击穿理论

（３）工程纯液体电介质的杂质击穿理论

2-7液体电介质中气体对其电击穿有何影响？

答：气泡击穿观点认为，不论由于何种原因使液体中存在气泡时，由于交变电压下两串联介质中电场强度与介质介电常数成反比，气泡中的电场强度比液体介质高，而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以总是气泡先发生电离，这又使气泡温度升高，体积膨胀，电离将进一步发展；而气泡电离产生的高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成更多的气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时，液体介质就能在此通道中发生击穿。

热化气击穿观点认为，当液体中平均场强达到107～108V/m时，阴极表面微尖端处的场强就可能达到108V/m以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面的微尖端注入到液体中，估计电流密度可达105A/m2以上。按这样的电流密度来估算发热，单位体积、单位时间中的发热量约为1013J/（s·m），这些热量用来加热附近的液体，足以使液体气化。当液体得到的能量等于电极附近液体气化所需的热量时，便产生气泡，液体击穿。 3

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电离化气击穿观点认为，当液体介质中电场很强时，高能电子出现，使液体分子C—H键（C—C键）断裂，液体放气。

2-8水分、固体杂质对液体电介质的绝缘性能有何影响？

答：（１）水分的影响

当水分在液体中呈悬浮状态存在时，由于表面张力的作用，水分呈圆球状（即胶粒），均匀悬浮在液体中，一般水球的直径约为10-2～10-4cm。在外电场作用下，由于水的介电常数很大，水球容易极化而沿电场方向伸长成为椭圆球，如果定向排列的椭圆水球贯穿于电极间形成连续水桥，则液体介质在较低的电压下发生击穿。

（２）固体杂质的影响

一般固体悬浮粒子的介电常数比液体的大，在电场力作用下，这些粒子向电场强度最大的区域运动，在电极表面电场集中处逐渐积聚起来，使液体介质击穿场强降低。

2-9如何提高液体电介质的击穿电压？

答：工程应用上经常对液体介质进行过滤、吸附等处理，除去粗大的杂质粒子，以提高液体介质的击穿电压。

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