3.4　復合式絕緣系統的電場分布特點

在第2章中曾提出了氣、液、固三態構成的復合式絕緣結構的概念，從電氣絕緣技術來看，這是一個新概念，已經在第2章有所闡述，而從電機內的絕緣系統來看，這屬于復合式絕緣系統的電場分布問題。

在實際的絕緣系統中，往往由不同材質、不同狀態的絕緣材料組成多層電介質。如電纜、電容器用的油浸紙是由液態的礦物油和固態的絕緣紙組成；常規電機定子絕緣系統中的云母絕緣是由單純固態的云母、膠（黏合劑）和紙或布（補強材料）組成；而本章的臥式蒸發冷卻電機中的絕緣系統則是由固態的主絕緣層材料、液態與氣態混合的蒸發冷卻介質組成。下面以雙層電介質為例，對其內的電場分布進行分析，多層電介質的電場可按同樣方法類推。

3.4.1　復合式絕緣系統的介電常數和電場強度遵循的規律

設有一雙層復合電介質，分析模型如圖3-2所示，其中，圖（a）的E₁、E₂分別為第一層、第二層介質的電場強度，ε₁、γ₁、ε₂、γ₂為第一層、第二層介質的介電常數及電導率，d₁、d₂分別為第一層、第二層介質的厚度，圖（b） 為圖（a）的等效電路，C₁、C₂ 、U₁、U₂分別為第一層、第二層介質的電容與分擔的電壓，U為施加在整個復合式電介質上的電源電壓。滿足以下兩個條件：

①在恒定電壓作用下，由于漏導，電介質中將有泄漏電流流過，因介質中各點電流密度J的方向都垂直于極板，且其大小相等，可得 J₁=J₂，而J=γE，所以E₁=γ₂E₂。由此可知在直流電壓作用下，雙層電介質中場強之比為

　　        （3-1）

考慮到E₁=U₁/d₁，E₂=U₂/d₂，U=U₁+U₂，進一步可得

　　        （3-2）

　　        （3-3）

②在交流電壓U=U_msinωt作用下，根據電感應強度連續性，可得

　　        （3-4）

其中、，、E_2b分別為各層電介質電場強度的有效值和擊穿值。由此式可知，交流電壓下，雙層電介質中場強之比為

　　        （3-5）

對比直流電壓下的式（3-1）與交流電壓下的式（3-5），能夠明顯看出兩者的相似之處，則根據式（3-2）與式（3-3），可以直接推導出交流電壓作用下的這兩層電介質各自的電場強度分布與承擔的電壓

　　        （3-6）

　　        （3-7）

3.4.2　提高耐電壓水平的條件

①從式（3-5）可得，若ε₁>ε₂，那么E₁<E₂。

假定兩層電介質的厚度相同，d₁=d₂，那么

　　        （3-8）

將上述關系代入式（3-7）可得

　　        （3-9）

②當外施高電壓U時，從式（3-8）、式（3-9）可知，由于第一層電介質的介電常數較大，導致第二層電介質電場過分集中，承擔的電壓高于第一層，存在被擊穿的可能性，而如果第二層電介質先被擊穿，則第二層電介質的電壓為零，全部高電壓U都施加在第一層電介質上了，導致它也跟著被擊穿，從而使得整個絕緣系統的穩定性不高，并且隨著這兩層電介質的介電常數ε₁、ε₂相差的越大，絕緣系統的穩定性越差。

綜合①、②的分析過程可見，為了使各層電場強度合理均勻分布，應使不同電介質層的介電常數相同或相近，或者使該電介質層的擊穿電場強度E_b與第二層電介質的介電常數ε的乘積彼此相等或接近，以得到合理的電場分布，使復合絕緣系統達到或接近最大擊穿電壓的水平，從而保證足夠的絕緣強度。