电介质的极化电导和损耗

1、高电压技术高电压技术赵来军赵来军电力工程系电力工程系High Voltage Technology绪论绪论v课程地位：电气工程专业平台课之一课程地位：电气工程专业平台课之一v课程学时安排：讲课课程学时安排：讲课4040学时，学时，实验实验1616学时学时( (独立开课独立开课) )v成绩评定：考试成绩评定：考试7070( (考勤课堂回答问考勤课堂回答问题题+ +作业作业)30)30 v教材：教材：高电压技术高电压技术（第四版）沈其工等编（第四版）沈其工等编v参考书：参考书： 高电压工程高电压工程，中国电力，林福昌，中国电力，林福昌电网过电压教程电网过电压教程，中国电力，陈维贤，中国电力，陈维贤

2、高电压试验技术高电压试验技术，清华，张仁豫，清华，张仁豫高电压技术高电压技术，中国电力，赵智大，中国电力，赵智大v高压（高压（HVHV）：）： 3535220KV220KVv超高压（超高压（EHVEHV）：）：330330750KV750KVv特高压（特高压（UHVUHV）：）：1000KV1000KV及以上及以上 一输电电压等级的划分：一输电电压等级的划分：二高电压技术的研究对象二高电压技术的研究对象v高电压绝缘与试验高电压绝缘与试验： 1.1.绝缘材料绝缘材料( (电介质电介质) )的电气物理性能和击的电气物理性能和击穿的理论、规律（实践到理论）。穿的理论、规律（实践到理论）。 2.2.高

3、压试验：判断、监视绝缘质量的主要高压试验：判断、监视绝缘质量的主要试验方法。试验方法。v电力系统的过电压：电力系统的过电压： 3.3.过电压的成因与限制措施。过电压的成因与限制措施。 三、高电压学科的特点三、高电压学科的特点 6四、研究课题四、研究课题1 输变电设备的状态及绝缘监测预报输变电设备的状态及绝缘监测预报2 OVT & OCT3 输变电设备的介质损耗、局部放电测量输变电设备的介质损耗、局部放电测量4 系统谐振及防止方法系统谐振及防止方法5 电磁兼容问题电磁兼容问题6 Lightning的研究、防护方法的研究、防护方法7 气体放电理论与应用气体放电理论与应用8 新绝缘材料研究新

4、绝缘材料研究9 接地网的优化、地中电流的研究接地网的优化、地中电流的研究10 污秽及防止方法、新型绝缘子的研究污秽及防止方法、新型绝缘子的研究11 其他领域：环境保护、表面处理、可再生能源、其他领域：环境保护、表面处理、可再生能源、国防领域等国防领域等7第一篇：高电压绝缘及试验第一篇：高电压绝缘及试验v第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗v第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程v第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度v第四章第四章 固体、液体和组合绝缘的电气强固体、液体和组合绝缘的电气强度度1-1 电介质的极化电介质的极化(dielectric pol

5、arization) 极化：极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极矩）矩）第一章 电介质的极化、电导与损耗10UU0Q Q( ) a0Q QQ( ) bdAUQQC00000CCQQQr固体介质表面出现束缚固体介质表面出现束缚电荷电荷相对介电常数相对介电常数反映极化、储能特性反映极化、储能特性极化的基本形式1. 电子式极化电子式极化2. 离子式极化离子式极化3. 偶极子极化偶极子极化4. 空间电荷极化（夹层极化）空间电荷极化（夹层极化）110E 0E电子位移极化电

6、子位移极化特点：存在于一切电介质特点：存在于一切电介质建立极化时间：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 电子位移极化电子位移极化2.离子位移极化极化机理：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（无关）温度（随温度升

7、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：极微消耗能量：极微 0E 0E偶极子极化偶极子极化3.转向极化转向极化极化机理：极化机理：极性分子转向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，需时较长，10-6 10-2 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（有关）电源频率（有关）温度（低温段随温度增加，温度较高时降低）温度（低温段随温度增加，温度较高时降低）极化弹性：极化弹性：非弹性非弹性消耗能量：消耗能量：有有4.空间电荷极化

8、空间电荷极化极化机理：正负离子移动极化机理：正负离子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长建立极化时间：很长极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（低频下存在）电源频率（低频下存在）温度（有关）温度（有关）极化弹性：非弹性极化弹性：非弹性消耗能量：有消耗能量：有夹层式（界面）极化 当当t=0: 当当t=: 18 A C1 U B P G2 G1 C2 1221CCUU1221GGUU v一般情况下：一般情况下：v 电荷从电荷从t=0到到t=时会重新分配，在介质的交界面时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这

9、些电荷形成的极化形式称夹层式处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。（界面）极化。v极化的时间常数：极化的时间常数： 高压绝缘介质的电导高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。极化只有在低频时才有意义。v同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。长。注意安全。191212GGCC)/()(2121GGCC 为便于比较，将上述各种极化列为下表为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类极化种类产生场合产生场合所需时间所需时间能量损耗能量损耗产生原因产生原因电子位移极化电子位移极

10、化任何电介质任何电介质10-15 s无无束缚电子运行束缚电子运行轨道偏移轨道偏移离子位移极化离子位移极化离子式结构电离子式结构电介质介质10-13 s几乎没有几乎没有离子的相对偏离子的相对偏移移转向极化转向极化极性电介质极性电介质10-610-2 s有有偶极子的定向偶极子的定向排列排列夹层极化夹层极化多层介质的交多层介质的交界面界面10-1 s数小数小时时有有自由电荷的移自由电荷的移动动讨论极化的意义： 不同应用场合，对不同应用场合，对 大小的要求不同大小的要求不同 选择电容器的介质时，希望选择电容器的介质时，希望 大；选择电大；选择电缆绝缘结构的材料时，希望缆绝缘结构的材料时，希望 小。小。

11、 组合绝缘的配合组合绝缘的配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其层电压分布与其 成反比，要注意选择成反比，要注意选择 ，使各，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用理应用21 极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿化和热击穿 极化形成和介质损失有关，要掌握不同极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。化类型对介质损失的影响。 电气预防性试验项目的理论根据电气预防性试验项目的理论根据 在绝缘预防性试验中，夹层极化可用来判在绝缘预

12、防性试验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。断绝缘受潮情况。 例如，水分侵入电介质后，使材例如，水分侵入电介质后，使材 料的介电常数增大，料的介电常数增大，同时水分能增强夹层式极化同时水分能增强夹层式极化 作用，因此，通过测量材料作用，因此，通过测量材料的相对介电常数，就的相对介电常数，就 能判断电介质受潮程度。能判断电介质受潮程度。 1-2 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物理量n气体分子间的距离很大，密度很小，气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体的极

13、化率很小，一切气体的相对介电常数都接近常数都接近1 1n气体的介电常数随温度的升高略有减小，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，但变化很小随压力的增大略有增加，但变化很小1 气体电介质的介电常数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 atm20, 1 atm） 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1.00095二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空气空气1.00059 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、

14、硅油等，如石油、苯、四氯化碳、硅油等， r数值不大，数值不大，在在1.8 2.8范围内。介电常数和温度的关系和单位范围内。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。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，如蓖麻油、氯化联苯等， r数值数值在在4 6范围内，范围内，还能用作绝缘介质。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，如酒精、水等， r10，此类液体电介质用作，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。损耗都较大。2 液体电介质的介电常数（1）T不

15、变，f增大，r 减小。 （2）f不变， T 升 高 ，r先 增（分子间黏附力 ）后减（热运动 ）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）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； 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与介质密度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质：离

16、子性电介质： 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右3 固体电介质的介电常数固体电介质的介电常数1-3 电介质的电导电介质的电导 来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。 电子电导 电介质的电导 离子电导（主要）与导体的电导相比，电介质电导的特点：1） 主要载流子是离子2） 电导率随温度升高而指数上升。291. 定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流。移动而形成电导电流。 要点：要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率指标：

17、用电导率(s/)表示表示 绝缘材料的电阻率：绝缘材料的电阻率：1081020m导体的电阻率：导体的电阻率：10-810-4m半导体的电阻率：半导体的电阻率：10-4107m2.电介质电导与金属电导的区别电介质电导与金属电导的区别 TBAe/3.液体和固体电介质的液体和固体电介质的与温度的关系：与温度的关系： 带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）； 金属中为自由电子金属中为自由电子 数量级：电介质的数量级：电介质的小，泄漏电流小；金属的电导电流很大小，泄漏电流小；金属的电导电流很大 电导电流影响因素：电导电流影响因素：电介质中由离子数目决

18、定，对所含杂质、电介质中由离子数目决定，对所含杂质、 温度很敏感温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。主要因素。温度温度 热运动加剧热运动加剧离子迁移率离子迁移率 介质分子或杂质热离解介质分子或杂质热离解 电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温度系数。的温度系数。 分成三个区域分成三个区域 区域区域1：液体电介质：液体电介质的电导在电场比较小的的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律情况下，遵循欧姆定律 区域区域2：随着场强的：随着场强的增大，有一平坦区域增大，有

19、一平坦区域 区域区域3：场强继续增：场强继续增大超过某一极限，引起大超过某一极限，引起电流激增，最终击穿电流激增，最终击穿液体电介质中电压电流特性液体电介质中电压电流特性工程中，极其纯净的液体电介质，第二区可能观测不到。工程中，极其纯净的液体电介质，第二区可能观测不到。固体电介质中电流固体电介质中电流I与外施电压与外施电压U的关系的关系 4. 固体电介质的体积电阻和表面电阻固体电介质的体积电阻和表面电阻体积电阻电介质内部绝缘状态的真实反映。体积电阻电介质内部绝缘状态的真实反映。表面电阻受介质表面吸附的水分和污秽影响。表面电阻受介质表面吸附的水分和污秽影响。水分起着特别重要作用。水分起着特别重要

20、作用。 亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大；亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大； 憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯） 表面电导小。表面电导小。 电介质的绝缘电阻v定义：定义：v电介质中的绝缘电阻一般为电介质中的绝缘电阻一般为M v特点：特点：1） 负温度系数负温度系数2） 随外施电压上升而下降。随外施电压上升而下降。3）随加压时间延长而增大。）随加压时间延长而增大。35giUR 电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系电介质中的电流与时间的关系36i=ic+ia+igic: 电容电流电容电流ia：吸收电流吸收电流，由各种由各种 极化过程产生极化过程产

21、生ig：电导电流电导电流，或泄漏或泄漏 电流电流itgiaicii讨论电导的意义：1） 在绝缘预防性实验中，由在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻绝缘电阻或者泄漏电流判断或者泄漏电流判断绝缘是否受潮或者劣化。绝缘是否受潮或者劣化。2） 直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其电压分电压分布布与电导成反比，设计时需考虑与电导成反比，设计时需考虑。3） 设计绝缘结构时，要考虑到设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影响环境对电导的影响。4） 对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小表表面的泄漏电流面的泄漏电流以保证得到

22、高电压。以保证得到高电压。5） 有些情况下要设法有些情况下要设法减小绝缘电阻值减小绝缘电阻值。如高压套管附近。如高压套管附近涂上半导体釉等。涂上半导体釉等。371.4 电介质的损耗电介质的损耗(dielectric loss) 任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。1. 介质损耗的含介质损耗的含义义能否用介质损耗能否用介质损耗P值得大小来衡量介质的绝缘好坏？值得大小来衡量介质的绝缘好坏？2. 电介质的三支路

23、等值电路电介质的三支路等值电路u1i1C2R2C3R2i3i321iiiiC1无损极化无损极化C2-R2有损极化有损极化R3电导损耗电导损耗0)(sti1i3i2ii吸收曲线吸收曲线3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象电介质在直流电压作用下的吸收现象321iiii |充充电电电电流流 |吸吸收收电电流流 |泄泄漏漏电电流流UI1IRI2CI23I2I4. 介质损耗角正切介质损耗角正切tg 交流电压作用下的向量图：交流电压作用下的向量图： 介质损耗角介质损耗角 为功为功率因数角率因数角 的余角，其的余角，其正切正切 tg 又可称为介质损又可称为介质损耗因数，常用百分数（耗因数，常用百分数（%）来表示。）来表示。并联等值电路：并联等值电路：CRIIIUpCpRRICIUICIRI并联电路中并联电路中：pRRUIpCCUItgCUtgUIUIPpCR2ppppCRRCCURUIItg1/由相量图：由相量图：介质损耗正切角（tg )44影响极性电介质tg 的主要因素之一：温度tg和温度的关系45tg121t2tf11f2ftf2tt1:极化损耗、电导极化损耗、电导损耗都上升损耗都上升;t1tt2:极化减弱，电导极化减弱，电导上升，电导占主导上升，电导占主导;当当f增加时，极化