3.4　复合式绝缘系统的电场分布特点

在第2章中曾提出了气、液、固三态构成的复合式绝缘结构的概念，从电气绝缘技术来看，这是一个新概念，已经在第2章有所阐述，而从电机内的绝缘系统来看，这属于复合式绝缘系统的电场分布问题。

在实际的绝缘系统中，往往由不同材质、不同状态的绝缘材料组成多层电介质。如电缆、电容器用的油浸纸是由液态的矿物油和固态的绝缘纸组成；常规电机定子绝缘系统中的云母绝缘是由单纯固态的云母、胶（黏合剂）和纸或布（补强材料）组成；而本章的卧式蒸发冷却电机中的绝缘系统则是由固态的主绝缘层材料、液态与气态混合的蒸发冷却介质组成。下面以双层电介质为例，对其内的电场分布进行分析，多层电介质的电场可按同样方法类推。

3.4.1　复合式绝缘系统的介电常数和电场强度遵循的规律

设有一双层复合电介质，分析模型如图3-2所示，其中，图（a）的E₁、E₂分别为第一层、第二层介质的电场强度，ε₁、γ₁、ε₂、γ₂为第一层、第二层介质的介电常数及电导率，d₁、d₂分别为第一层、第二层介质的厚度，图（b） 为图（a）的等效电路，C₁、C₂ 、U₁、U₂分别为第一层、第二层介质的电容与分担的电压，U为施加在整个复合式电介质上的电源电压。满足以下两个条件：

①在恒定电压作用下，由于漏导，电介质中将有泄漏电流流过，因介质中各点电流密度J的方向都垂直于极板，且其大小相等，可得 J₁=J₂，而J=γE，所以E₁=γ₂E₂。由此可知在直流电压作用下，双层电介质中场强之比为

　　        （3-1）

考虑到E₁=U₁/d₁，E₂=U₂/d₂，U=U₁+U₂，进一步可得

　　        （3-2）

　　        （3-3）

②在交流电压U=U_msinωt作用下，根据电感应强度连续性，可得

　　        （3-4）

其中、，、E_2b分别为各层电介质电场强度的有效值和击穿值。由此式可知，交流电压下，双层电介质中场强之比为

　　        （3-5）

对比直流电压下的式（3-1）与交流电压下的式（3-5），能够明显看出两者的相似之处，则根据式（3-2）与式（3-3），可以直接推导出交流电压作用下的这两层电介质各自的电场强度分布与承担的电压

　　        （3-6）

　　        （3-7）

3.4.2　提高耐电压水平的条件

①从式（3-5）可得，若ε₁>ε₂，那么E₁<E₂。

假定两层电介质的厚度相同，d₁=d₂，那么

　　        （3-8）

将上述关系代入式（3-7）可得

　　        （3-9）

②当外施高电压U时，从式（3-8）、式（3-9）可知，由于第一层电介质的介电常数较大，导致第二层电介质电场过分集中，承担的电压高于第一层，存在被击穿的可能性，而如果第二层电介质先被击穿，则第二层电介质的电压为零，全部高电压U都施加在第一层电介质上了，导致它也跟着被击穿，从而使得整个绝缘系统的稳定性不高，并且随着这两层电介质的介电常数ε₁、ε₂相差的越大，绝缘系统的稳定性越差。

综合①、②的分析过程可见，为了使各层电场强度合理均匀分布，应使不同电介质层的介电常数相同或相近，或者使该电介质层的击穿电场强度E_b与第二层电介质的介电常数ε的乘积彼此相等或接近，以得到合理的电场分布，使复合绝缘系统达到或接近最大击穿电压的水平，从而保证足够的绝缘强度。