第九章 第一节 电介质的极化

1、第九章 高压设备的绝缘试验第一节 电介质的极化变压器、互感器、断路器设备的导电部分要用气体、液体、固体绝缘材料或它们的组合与接地的外壳或支架隔离开，以保持设备的正常运行。高压设备在电场的作用下，绝缘物质会发生各种物理现象：极化、损耗、电离、击穿放电等等但有些现象至今未能从理论上获得完满的解释，因此在高电压技术领域中，不论是教学还是科研，都要倚重试验技术。1、电介质的极化2、电介质的导电3、电介质的损耗4、电介质的击穿主要内容极化（polarization），指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化(偶极矩增大)、光之极化(偏振)、电极极化等。外电场作用下

2、，电介质显示电性的现象。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。 一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。一一 电介质的极化电介质的极化电荷质点就会顺电场方向产生有限的位移电介质的极化内部电荷总和为零，但产生一个与外电场相反的内部电场 图图9-1 电介质的极化电介质的极化(a)极间为真空极间为真空 (b)极间放入介质极间放

3、入介质00CCr一一 电介质的极化电介质的极化二、极化的基本形式1.电子式极化：电子式极化：这个过程主要是由电子在电场作用下的位移所造成。 图图9-2 电子式极化电子式极化（a）无外加电场；（）无外加电场；（b）有外加电场）有外加电场电子式极化的特点：电子式极化的特点：(1)电子式极化存在于所有电介质中。电子式极化存在于所有电介质中。(2)由于电子异常轻小，完成极化所需的时间极短，约由于电子异常轻小，完成极化所需的时间极短，约10-15s，极化响应速度极快，通常相当于紫外线频率范围。极化响应速度极快，通常相当于紫外线频率范围。(3)电子式极化具有弹性。一旦外电场减小时，依靠正、负电电子式极化具

4、有弹性。一旦外电场减小时，依靠正、负电荷之间的吸引力，其作用中心立即重合而恢复成中性。荷之间的吸引力，其作用中心立即重合而恢复成中性。 (4) 电子式极化所消耗的能量可忽略不计，称为电子式极化所消耗的能量可忽略不计，称为“无损极化无损极化”。 2. 离子式极化离子式极化图图9-3 离子式极化离子式极化（a）无外加电场；（）无外加电场；（b）有外加电场）有外加电场 在离子式结构的电介质中，当有外电场作用时，则除了促使各个离子内部产生电子式极化之外，还将产生正负离子的相对位移，使正负离子按照电厂的方向进行有序排列，形成极化，这种极化称为离子式极化l 完成离子式极化所需的时间也很短，约完成离子式极化

5、所需的时间也很短，约10-13s ，其极化响应，其极化响应速度通常在红外线频率范围，亦可在所有频率范围发生。速度通常在红外线频率范围，亦可在所有频率范围发生。l离子式极化也具有弹性，亦属于无损极化离子式极化也具有弹性，亦属于无损极化。3. 3. 偶极子式极化偶极子式极化有损极化有损极化图图9-4 偶极子式极化偶极子式极化（a）无外加电场；（）无外加电场；（b）有外加电场）有外加电场在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时，偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种极化被称为偶极子式极化，或转向极化。r图图9-6 极性介质极性介质 与温度的关系与温度的关系r图图9-5 极性介质极性介质r与频

6、率的关系与频率的关系 在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时，偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种极化被称为偶极子式极化，或转向极化。综上所述（综上所述（3 3点）点）：1）气体介质由于密度很小，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，其相对介电常数均很小，在工程上可近似地认为其等于1。2）液体介质可分为非极性、极性和强极性3种。l非极性（或弱极性）非极性（或弱极性）液体的相对介电常数在1.82.5，变压器油等矿物油属此类。l极性液体极性液体的相对介电常数在26，如蓖麻油、氯化联苯即属此类。l强极性液体强极性液体的相对介电常数很大（10），如酒精、水等，

7、但这类液体介质的电导也很大，所以不能用做绝缘材料。3）固体介质的情况比较复杂。 用作高压设备绝缘材料的极性介质（如酚醛树脂、聚氯乙烯），非极性介质（聚乙烯、聚苯乙稀等），以及离子介质（如云母、陶瓷等），其相对介电常数在210的范围内，还有一些相对介电常数很大的固体介质，如钛酸钡等，其相对介电常数大于1000，不能用做绝缘材料。聚氯乙烯 PVC 材料的电缆聚苯乙烯聚苯乙烯电容云母绝缘垫圈 陶瓷绝缘子4. 空间电荷极化空间电荷极化-有损极化有损极化 由于电介质中会存在一些可以迁徙的电子或离子，因而在电由于电介质中会存在一些可以迁徙的电子或离子，因而在电场作用下这些带电质点将会发生移动，并聚积在电极

8、附近的场作用下这些带电质点将会发生移动，并聚积在电极附近的介质界面上，形成客观的空间电荷积累，因此这种极化称为介质界面上，形成客观的空间电荷积累，因此这种极化称为空间电荷极化。空间电荷极化。特点：消耗能量，为有损极化；仅在低频下发生，相当于电导。特点：消耗能量，为有损极化；仅在低频下发生，相当于电导。5.夹层极化夹层极化-有损极化有损极化夹层极化是多层电解质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。在高电压工程中，许多设备的绝缘都是采用这种复合绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器的绕组等，在两层介质之间常有油层、胶层等形成多层介质结构。对于不均匀的或含有杂质的介质，或者受潮的介质，事实上也可

9、以等价为这种夹层介质来看待。夹层介质在电场作用下得极化称为夹层极化，其极化过程特别缓慢，所需时间由几秒到几十分钟，甚至更长，且极化过程伴随有较大的能量损耗，所以也属于有损极化。夹层极化的发生是由于各层电解质的介电常数不同，其电导率也不同，当加上电压后各层间的电场分布将会出现从加压初始瞬时按介电常数成反比分布，逐渐过渡到稳态时的按电导率成反比分布，由此在各层电介质中出现了一个电压重新分配的过程，最终导致在各层介质的交界面上出现宏观上的空间电荷堆积，形成所谓的夹层极化。5.夹层极化夹层极化-有损极化有损极化UK1U2U1C2C1g2gKU极化特性的实用意义极化特性的实用意义 在制造电容器时，选择适

10、当的电介质。为了追求一定的电容在制造电容器时，选择适当的电介质。为了追求一定的电容器具有较大的电容量，应选择介电常数较大的电介质。器具有较大的电容量，应选择介电常数较大的电介质。 设计某些绝缘结构时，为了减小通过绝缘的电容电流及由极设计某些绝缘结构时，为了减小通过绝缘的电容电流及由极化引起的发热损耗，这时就不宜选择介电常数太大的电介质。化引起的发热损耗，这时就不宜选择介电常数太大的电介质。 交流及冲击电压下，多层串联介质中的场强按电容分布，交流及冲击电压下，多层串联介质中的场强按电容分布，因此可利用不同的介质适当组合来改善绝缘中的电场分布，因此可利用不同的介质适当组合来改善绝缘中的电场分布，使之尽可能趋于均匀，以充分利用电介质的绝缘强度，优化使之尽可能趋于均匀，以充分利用电介质的绝缘强度，优化绝缘结构。绝缘结构。12021CCUUt1221GGUUt假设C1C2，G1G221UU 21UU 时0t时t C2上一部分电荷要通过G2放掉，而C1要从电源再吸引一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷吸收电荷。 由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现