第二章电介质理论(一)

1、1第二章第二章 电介质的电气性能（一）电介质的电气性能（一）2电介质的电气性能电介质的电气性能n研究电介质电气性能的意义研究电介质电气性能的意义n电介质电气性能的划分电介质电气性能的划分n电介质的极化及介电常数电介质的极化及介电常数n电介质的电导特性电介质的电导特性n电介质中的能量损耗及介质损失角正切电介质中的能量损耗及介质损失角正切n液体电介质的击穿液体电介质的击穿n固体电介质的击穿固体电介质的击穿n电介质的其它性能电介质的其它性能 3一、研究电介质电气性能意义一、研究电介质电气性能意义n设备绝缘的基础设备绝缘的基础n超高压大容量的发展超高压大容量的发展n新材料促进了电力工业的进步新材料促进

2、了电力工业的进步n我国绝缘材料发展的现状我国绝缘材料发展的现状n加强绝缘材料的研究，促进科技发展加强绝缘材料的研究，促进科技发展4二、电介质电气性能的划分二、电介质电气性能的划分极化特性极化特性 电气传导特性电气传导特性 损耗特性损耗特性 电气击穿特性电气击穿特性极化特性：极化特性：指介电常数指介电常数损耗特性：损耗特性：介损介损tg电气传导特性：电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传导机理载流子移动、高场强下的电气传导机理等，电导等，电导G 或电阻或电阻 R电气击穿特性：电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压包括击穿机理、劣化、电压-时间特性时间特性曲线（曲线（Vt ）等，击穿电压）等，

3、击穿电压UC 或击穿或击穿场强场强EC5三、电介质的极化与介电常数三、电介质的极化与介电常数n电介质物质结构的基本形式电介质物质结构的基本形式n极化极化 (polarization)与电介质与电介质 (dielectrics) n电介质极化的基本类型电介质极化的基本类型n电介质的介电常数电介质的介电常数n讨论极化的意义讨论极化的意义6( (一一) )电介质物质结构的基本形式电介质物质结构的基本形式n形成分子和聚集态的各种健形成分子和聚集态的各种健离子健离子健共价键共价键分子健分子健n电介质的分类：根据化学结构分为电介质的分类：根据化学结构分为3类类非极性及弱极性电介质非极性及弱极性电介质偶极性

4、电介质偶极性电介质离子性电介质离子性电介质7极化现象极化现象平板真空电容器电容：平板真空电容器电容：C0插入固体电解质后电容：插入固体电解质后电容：C= rC0电容量增大的原因在于电介质的极化现象，电容量增大的原因在于电介质的极化现象， 是由电介质是由电介质极化引起的束缚电荷极化引起的束缚电荷( (二二) )极化与电介质极化与电介质 Vacuum + - + + - - E E E E0 8极化与电介质极化与电介质极化概念极化概念：电场中有电介质时，由于电场的作用电介质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变化。这个过程称作极化 E0 极化前 极化后 + + + + + + + - - -

5、 - - - - 9偶极子偶极子(dipole)：单位体积电介质在施加电场前内部的电荷是均匀分布的，在电场的作用下这些电荷发生位移，这个单位体积就形成一对偶极子极化强度：极化强度：偶极子的扭矩称作极化强度P每单位体积的电荷量：每单位体积的电荷量：极化电荷：极化电荷：P是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度，称作极化电荷。这些电荷由于是极化引起的，不能单独取出来真实电荷真实电荷: 导体中带电的电荷可以自由地取出Pdivp10( (三）电介质极化基本类型三）电介质极化基本类型电介质的极化有五种基本形式：电介质的极化有五种基本形式：电子位移极化离子位移极化转向极化夹层介质界面极化空间电荷极化 11极化

6、机理：电子偏离轨道极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质介质类型：所有介质建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-14 10-15s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（无关）温度（无关）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：无消耗能量：无 1. 1.电子位移极化电子位移极化12极化机理：正负离子位移极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-1210-13 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无

7、关）温度（随温度升高而增加）温度（随温度升高而增加）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：无消耗能量：无 2.2.离子位移极化离子位移极化13极化机理：极化机理：极性分子转向介质类型：介质类型：偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质建立极化时间：建立极化时间：需时较长，10-610-2 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关）温度（温度较高时降低，低温段随温度增加）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有3.3.转向极化（偶极弛豫极化）转向极化（偶极弛豫极化）144.4.夹层介质界面极化夹层介质界面极化夹层介质界面极化概念：夹层介质界面极化概念： 当当t=0

8、: 当当t=: A C1 U B P G2 G1 C2 1221CCUU1221GGUU C1 U G2 G1 C2 15 一般有一般有 电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化夹层介质界面极化。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，高压绝缘介质的电导通常都很小，这种性质的极化只有在低频时才有意义 1212GGCC16极化机理：极化机理：带电质点移动介质类型：介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：建立极化时间：很长极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有1

9、7极化机理：极化机理：正负离子移动介质类型：介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：建立极化时间：很长极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有5.5.空间电荷极化空间电荷极化18图中：单位面积的电荷：真空中：E0= 0极化电荷密度为： 介质中：E=(- )/0 rEE00r Vacuum + - + + - - E E E E0 （四（四) )电介质的介电常数电介质的介电常数相对介电常数及其物理意义相对介电常数及其物理意义相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量相对介电常数是反映电介质极化程度的

10、物理量19n气体分子间的距离很大，密度很小，气体的气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近近1 1n气体的介电常数随温度的升高略有减小，随气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小压力的增大略有增加，但变化很小气体电介质的介电常数气体电介质的介电常数20部分气体的相对介电常数（环境条件部分气体的相对介电常数（环境条件 20, 1 20, 1 atmatm） 气体种类气体种类相对介电常数相对介电常数氦氦1.000072氢氢1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095

11、二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空气空气1.0005921非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r数值不大，在1.82.5范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似极性电介质：极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等 r数值在26范围内。还能用作绝缘介质强极性电介质：强极性电介质：如酒精、水等 r10，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大液体电介质的介电常数液体电介质的介电常数22根据转向极化的特点，对介电常数随温度及频变化的趋势作出解释： （1）T不变 f增大，r 减小 （2）f不变 T

12、升高，r先增后减0246-30-10103050温度T ()相对介电常数f1f3f2频率频率 f1f2f3介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）23非极性和弱极性固体电介质：非极性和弱极性固体电介质： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类 电介质只有电子式极化和离子式极化， r不大，通常在2.02.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近极性固体电介质：极性固体电介质： 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，还可能更大。 r和T及f的关系和极性液体的相似离子性电介

13、质：离子性电介质： 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右固体电介质的介电常数固体电介质的介电常数24 ( (五）讨论极化的意义五）讨论极化的意义n选择绝缘选择绝缘 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r 较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的介质25( (五）讨论极化的意义五）讨论极化的意义n多层介质的合理配合多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r 成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用n研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依

14、据 极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响n电气预防性试验：电气预防性试验：项目的理论根据n研发新型材料研发新型材料26 平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。电介质极化应用实例一电介质极化应用实例一27解：解：(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm(2)插入后：Vs/Va= a / s，得 Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV)Es=16.7 kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV)Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强故插入聚乙烯