高电压技术 第1章 电介质的极化、电导与损耗_XL

1、高电压技术广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院徐亮徐email:第一篇第一篇 高电压绝缘与试验高电压绝缘与试验教学目标教学目标了解电介质介电常数的物理意义；掌握电介质极化的基本形式和极化特性；掌握电介质极化的等值电路；了解相对介电常数在工程应用上的意义。教学重点教学重点 四种基本极化形式，各自的特点和影响因素。教学难点教学难点 温度和频率对偶极子极化的影响。第一章 电介质的极化、电导和损耗1-1 电介质的极化电介质的极化 （a）电极间无介质 （b） 电极间有介质 实验如图所示。平行平扳电容器放在密闭容器内，抽成真空，然后在极板上施加直流电压U。这时极板上积聚

2、有正、负电荷，其电荷量为Q0，然后把一块固体介质（厚度与极间距离相等）放在极板之间，施加同样的电压，就可发现极板上的电荷量增加到Q0+Q。这是由介质极化现象造成的：即在外施电场作用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，相应地便在极板上另外吸住了一部分电荷Q，所以极板上电荷增多，并造成电容量亦增大。 平行平板电容器在真空中的电容量为 式中 A - 极板面积，cm2； d - 极板距离，cm； 0 - 真空的介电常数，8.8610-14Fcm - 介质的介电常数显然，C C0。定义： 为相对介电常数。它是充满介质时的几何电容和真空时的静电电容的比值

3、。各种气体的r均接近于1，而常用的液体、固体介质的r则各不相同，多在26之间，且和温度、电源频率不同而各不相同，并和各种极化形式有关。 dAUQQUQC00000/rQQCA dCQA d极化的形式极化的形式 极化的类型很多，基本形式有以下四种： 电子式位移极化 任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，且正负电荷作用中心重合，对外不显电性。而在外电场作用下，原子外层电子轨轨道对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态。这就是电子式位移极化。 电子式位移极化存在于一切介质中。它有以下特点： 1.形成极化所需时间很短

4、，在各种频率下都可能发生，故r与外加电源频率无关； 2.它具有弹性，当外施电压去掉后，正、负电荷的相互吸引力又可使极化原子恢复到原有状态，因是弹性的，故无能量损耗； 3.温度对电子式极化的影响极小，r随温度上升略有降低，但工程上可忽略温度的影响。 离子式位移极化 固体有机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在无外电场时，正、负离子对称排列，各离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零。在外电场的作用下，正、负离子将发生相反方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩，对外呈现出电性。特点有： 离子式极化与电子式极化一样，也属弹性极化，几乎无损耗； 极化过程的时间较电子式极化稍长，在一

5、般使用的频率范围内，r与频率无关。 温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素：即离子的结合力随温升升高而降，使极化程度增强；但温度升高，离子的密度减小，极化程度降低。其中以第一种因素影响较大，所以其r一般具有正的温度系数。转向极化/偶极子极化 偶极子是正、负电荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正电荷，另一端呈负电荷，分子本身就是一个永久性的偶极矩。由这种永久性的偶极子构成的介质叫极性介质。例如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木、纤维素等均是常用的极性绝缘材料。单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介质分子处于不停的热运动状态，宏观上是正负电荷是平衡的，对外不显电性。在外电场的作用下，原来混乱分

6、布的极性分子沿电场方向作定向排列，因而呈现出极性。偶极子极化的特点： 1.偶极子极化是非弹性的，因为极化时极性分子旋转时克服分子间的吸引力而消耗的电场能量在复原时不可能收回； 2.极化所需时间较长，为10-1010-2 s。因此，极性介质的r与电源频率有较大的关系，随频率的增高而上升，频率很高时，偶极子来不及转向，因而其r减小。 3.温度对极性介质的r有很大影响。温度升高时，分子间联系减弱，转向容易，极化加强；但分子热运动加剧，妨碍它们有规律地运动，这又使极化减弱。所以极性电介质的r最初随温度或高而增加，以后当热运动变得较强烈时，r又随温度升高而减小。夹层极化夹层极化 以上是单一介质的情况。在

7、高压设备中常应用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器绕组等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上产生“夹层极化”现象。这种极化过程特别缓慢，且有能量损耗，属有损极化。 以平板电极间的双层介质为例说明夹 层极化，如图所示。在图中，每层介质 的面积及厚度均相等，外电压为直流电 压U0。在合闸瞬间，两层之间的电压U 与各层的电容成反比（突然合闸的瞬间 相当于很高频率的电压。 到达稳定时，各层电压与电阻成正比，即与电导成反比。 如介质是单一均匀的，则r1 = r2，C1 = C2，G1 = G2，则合闸后，两层介质之间不会产生电压重新分配过程。 如介质不均匀，合闸后，两层介质之间有

8、一个电压重新分配的过程。也即C1、C2上电荷要重新分配。随时间t的增大，U1逐渐增大而U2逐渐下降。也即C2上一群分电荷要通过G2放掉，而C1要从电源再吸收一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷。由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这一过程称为吸收过程。 吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为夹层极化。吸收过程要经过C1、C2和G1、G2进行，其放电时间常数为 =(C1+C2)(G1+G2)。由于电导G的数值很小，因而时间常数 很大，极化速度非常缓慢。当介质受潮，电导增大， 将大大降低，极化速度加快。假如外加电压频率高，因电荷来不及动作而无此极化。 同样道

9、理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也是十分缓慢的。因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危及人身安全。 夹层极化特点： 1.夹层极化是是非弹性的，且有能量损耗的。 2.极化过程很缓慢，它的形成时间从几十分之一秒到几分钟，甚至有长达几小时。因此，这种性质的极化只有在低频时才有意义。1-2 电介质的介电常数电介质的介电常数气体介质的介电常数由于密度很小，也即单位体积内所含分子的数目很少，所以不论是非极性气体还是极性气体，其r 均很小，在工程上可近似地认为其等r=1。液体介质的介电常数可分为非极性、极性与强极性三种。非极性(或弱极性)液体的r在

10、1.82.5，变压器油等矿物油属此类。极性液体的r，在26，如蓖麻油、氯化联苯即属此类。强极性液体的r很大（r10），如酒精、水等，但这类液体介质的电导也很大，所以不能用做绝缘材料。固体介质的的介电常数非极性介质：此类电介质的种类很多，聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等。介电常数不大，通常在2.02.7范围。极性介质：用作高压设备绝缘材料，如酚醛树脂、纤维、橡胶、有机玻璃、聚氯乙烯等，这类电介质的相对介电常数较大，一般为36，还可能更大。离子介质：如云母、陶瓷等，其r约在58左右，还有一些r很大的固体介质，如钛酸钡等，r1000，不能用做绝缘材料。 选择电容器中的绝缘材料时，

11、在相同耐电强度的情况下，要选择r大的材料，以使电容器单位容量的体积、重量减小；在其他绝缘结构里，希望材料的r要小些，如电缆，以减少工作时的充电电流，如电机定子绕组出口槽和套管情况，以提高交流下沿面放电电压。 在使用组合绝缘时，要注意各种材料的r的适当配合，否则会降低整体绝缘的绝缘能力。 双层串联介质结构中的电场强度是不相同的，与绝缘材料的介电常数成反比，即在介电常数小的材料中承受较大的电场强度。如果绝缘中存在气泡，由于气体的r是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生游离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。利用式所示特性，可以改善电缆中的电场分布。在电缆芯处使用r较大的材料

12、，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的耐电强度。 材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因数。 在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。1-3 电介质的电导电介质的电导 1. 电介质的电导 任何电介质都不是理想的绝缘体，在它们内部总有一些联系较弱的带电质点存在。在外电场作用下，这些带电质点作定向运动，形成电流。因而任何电介质都具有电导。 1.1 漏导电流和绝缘电阻 在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种极化的存在，流过电介质的电流很大，之后随时间而变化。经

13、过一定时间后，极化过程结束，流过介质的电流趋于一定值I，这一稳定电流称为漏导电流，与之相应的电阻称为电介质的绝缘电阻R。 IUR 这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻。 式中 R1体积绝缘电阻； R2表面绝缘电阻。 介质的绝缘电阻或介质电导决定了介质中的泄漏电流。泄漏电流大，将引起介质发热，加快绝缘介质的老化。因此，一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，相应的绝缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况，由于表面电阻受外界的影响很大，因此在工程上测量绝缘电阻时，应在测量回路中加以辅助电极，使表面泄漏电流不通过测量表。以后如不加以特殊说明，绝缘电阻均指体积绝缘电阻。212

14、1RRRRR 介质电导是离子电导，比金属电导小得多。这种电导一般包括两个方面：一是介质分子中的带电质点在热运动和电场作用下离解成自由质点，沿电场方向作定向运动而形成电导；二是介质中的杂质在电场作用下离解成沿电场方向运动而形成的电导。 介质电导的大小与带电质点的密度、速度、电荷量、外施电场有关。温度越高，参与漏导的离子越多，即电导电流越大。因此，介质电阻具有负的温度系数，与金属电阻相反。当介质中出现自由电子构成的电子电流时，表明介质即将击穿或已击穿，此时介质不能再作绝缘体，这时绝缘电阻值将急剧下降。工程介质电导的性质气体介质电导在工程中使用得最多的是空气，其带电质点来源主要有两方面：一是外界紫外

15、线、宇宙射线等照射，产生游离,离子浓度约为5001000对/cm3；二是在强电场作用下，气体中电子的碰撞游离。当电场强度很小（EE1），外电离因素产生的离子克服与气体分子碰撞的阻力而移动，迁移率接近常数，电流密度与电场强度成正比，如图(b)中区所示。当电场强度进一步增大，外界因数所造成的离子接近全部趋向电极时，电流密度即趋于饱和，如图(b)3中区所示。在该两区内气体的电导是极微小的。标准状态下的空气说，E1510-3V/cm和E2104V/cm.。场强超过E2位时，气体介质中将发生撞击游腐，从而使电流密度迅速增大，最后使气隙击穿，如图(b)中区所示。 当外加电压小于击穿场强时，空气的电导率是很

16、小的，为10-1510-16（-1cm-1），故是良好的绝缘体。气体电导主要是电子电导。 液体介质电导 液体介质中形成电导电流的带电质点主要有两种：一是构成液体的基本分子或杂质离解而成带电质点，构成离子电导。二是由于相当大的带有电荷的胶体质点构成电泳电导。 中性和弱极性液体，在纯净时，电导很小，而当含有杂质和水分时，其电导显著增加，绝缘性能下降，其电导主要由杂质离子构成。 极性和强极性液体介质，其分解作用很强，离子数多，电导很大；一般情况下，不能作绝缘材料。 液体的分子结构、极性强弱、纯净程度、介质温度等对电导影响很大，各种液体电介质的电导可能相差悬殊，工程上常用的变压器油、漆和树脂等都属于弱

17、极性。 固体介质电导 固体介质电导分为离子电导和电子电导两部分。离子电导很大程度取决于介质中所含杂质，特别是对中性及弱极性介质，杂质离子起主要作用。当电场很高时，由于碰撞游离和阴极电子发射，电子电导急增，预示绝缘接近击穿。 固体介质的表面在干燥、清洁时，其电导很小，故其表面电导主要是由于附着于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物而引起的，其中水分起着特别重要的作用。与介质本身性质有关。对中性和弱极性介质（如石蜡、聚苯乙烯、硅有机物等），水分子与固体介质分子的附着力很小，水分不易在介质表面形成连续水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面电阻较高，电导较小，称这类介质为僧水性介质。 极性介质（如

18、云母、玻璃等）及离子性介质，水分子与固体介质分子的附着力很强，在介质表面形成连续水膜，表面电导较大，且与湿度有关。称这类介质为亲水性介质。对多孔性介质，其表面、体积电阻均小，如纤维材料就属于这类。采取使介质表面洗净、光洁、烘干、或表面涂以石蜡、绝缘漆、有机硅等措施，可以降低介质表面电导。 讨论电介质电导的意义在绝缘预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象。测量绝缘电阻，实际上就是测量介质在直流电压作用下的电流。 某变压器的绝缘电阻与时间关系曲线 1-受潮时；2-经干燥后如前所述，一般电介质都可以用图所示 的等效电路来代表。图中，串联支路 Rp-Cp代表电介质的吸收特性。如绝缘

19、良 好，则Rlk和Rp的值都比较大，这就不仅 使稳定的绝缘电阻值（就是Rp的值）较高 ，而且要经过校长的时间才能达到此稳定 值（因中间串联支路的时间常数较大)。 反之，如绝缘受湘，或存在穿透性的导电 通道，则不仅最后稳定的绝缘电阻值Rp 很低，而且还会很快达到稳定值。因此，可以用绝缘电阻随时间变化的关系来反映绝缘的状况。 通常用加压60s测量的绝缘电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值（称为吸收比）可以有效地判断绝缘的好坏，即如良好、干燥的绝缘，吸收电流较大（较小），K值较大（应大于某一定值）；受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。 多层介质在直流电压下，电压分布与电导成反比，故设计用于直流的设备要注

20、意所用介质的电导，应使材料使用合理。 设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是湿度的影响。有时需要作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。 不是所有的情况下均要求绝缘电阻值高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂半导体釉，高压电机定子绕组出槽口部分涂半导体釉等，都是为了改善电压分布，消除电晕。1-4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗 电介质损耗及介质损失角正切 介质在电压作用下有能量损耗。一种是电导引起的损耗；另一种是由有损极化引起的损耗。 在直流电压下，由于无周期性极化过程，因此，当外施电压低于发生局部放电电压时，介质中损耗仍由电导引起

21、，此时用绝缘电阻这一物理量就足以表达。 而在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗，因此，引入介质损耗这一新的物理量来表示。定义为：在交流电压下，介质的有功功率损耗为介质损耗。介质损耗为： 用介质损耗P来表示介质品质好坏是不方便的，因为从上式中可以看出，P值与试验电压的平方和电源频率成正比，与试品尺寸、放置位置有关，不同试品之间难以进行比较。而当外加电压和频率一定时，P与介质的物理电容C成正比，对一定结构的试品而言，电容C是定值，P与tg 成正比，故对同类试品绝缘的优劣，可直接用tg 来代替P值，对绝缘进行判断。因此，定义 为介质损失角，它是功率因数角 的余角。介质损失

22、角正切值tg ，如同r 一样，仍取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。CtgUQtgP2 气体电介质中的损耗 气体电介质的极化率是极小的。当电场强度小于使气体分子游离所需的值时，气体介质的电导也是极小的。所以，此时气体介质中的损耗也将是极小（tg 10-8)，工程中可以略去不计。所以常用气体(如空气，N2；C02，SF6等）作为标准电容器的介质。当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加，这种现象在高压输电线上表现得极为突出，称为电晕放电。 在固体介质中含有气泡时，气泡在高压下会发生游离，并使固体介质逐渐劣化。所以常用浸油、充胶等措施来消除固体介质

23、中的气泡。对于固体介质与金属电极接触处的空气隙，则经常用适中的方法，使气隙内场强为零。如35kV瓷套内壁上涂半导体釉。通过弹性铜片与导电杆相连；高压电机定子线圈槽内绝缘外包半导体层后，再嵌入槽内等。 液体电介质中的损耗 中性液体固体电介质中的极化主要是电子位移极化和离子位移极化，它们是无损的或几乎是无损的。于是，这类介质中的损耗便主要漏导决定。介质损耗与温度、电场强度等因素的关系也就决定于电导与这些因素之间的关系。 极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分，所以，它与温度、频率等因素有较复杂的关系。 固体电介质中的损耗 固体介质的情况比较复杂。根据其结构，可分为分子式结构、离子式结构、不均匀结构和强极性介质4类。 强极性介质在高压