第三章固体液体极化电导和损耗

1、高电压技术高电压技术邱巍邱巍电气工程系电气工程系输电教研室输电教研室High Voltage Technology第三章液体和固体介质的电气特性第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗n电场下电介质的变化电场下电介质的变化n1. 在弱电场下，主要有极化、电导、介质在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等损耗等 2. 在强电场下，主要有放电、闪络、击穿在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等等第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗(dielectric polarization）1、电介质、电介质(dielectric)：n定义：电阻率高的绝缘材料定义：电阻率高的绝缘材料n作用：隔离不同电压作用：

2、隔离不同电压n分类：气体、液体、固体分类：气体、液体、固体电介质的极化电介质的极化 将电介质放入电场，表面出现电荷。将电介质放入电场，表面出现电荷。0E 这种在外电场作用下电介质表面这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做出现电荷的现象叫做电介质的极化电介质的极化。所产生的电荷称之为所产生的电荷称之为“极化电荷极化电荷”。 在电介质上出现的极化电荷是正负在电介质上出现的极化电荷是正负电荷在分子范围内微小移动的结果，电荷在分子范围内微小移动的结果，所以极化电荷也叫所以极化电荷也叫“束缚电荷束缚电荷”。1.1.极化现象极化现象电介质是绝缘体电介质是绝缘体,电介质体内只有极少自由电子电介质体内

3、只有极少自由电子1-1 电介质的极化n （a）电极间无介质）电极间无介质 （b） 电极间有介质电极间有介质n极化现象造成：在外施电场作用下，固体中原来极化现象造成：在外施电场作用下，固体中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，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另外吸住了一部分电荷 Q，所以极板上电荷增多，所以极板上电荷增多，并造成电容量亦增大。并造成电容量亦增大。UQ束缚电荷束缚电荷UCQ000000QQQCCr相对介电常数CUQQQ0dSC00 每个分子负电荷对外影响均可等

4、效为单独每个分子负电荷对外影响均可等效为单独一个静止的负电荷一个静止的负电荷 的作用。其大小为分子中的作用。其大小为分子中所有负电之和，所有负电之和，这个等效负电荷的作用位置这个等效负电荷的作用位置称为分子的称为分子的“负电作用中心负电作用中心”。-从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、有极分子。有极分子。2.2.电介质极化的微观机制电介质极化的微观机制 同样，所有正电荷的作用也可等效同样，所有正电荷的作用也可等效一个静止的正电荷的作用，这个一个静止的正电荷的作用，这个等效正等效正电荷作用的位置电荷作用的位置称为称为“正电作用中心正电作用中

5、心”。+无极分子：无极分子：正负电荷作用中心重合的分子；正负电荷作用中心重合的分子；如如H2、N2、O2、CO2有极分子：有极分子：正负电荷作用中心不重正负电荷作用中心不重合的分子。合的分子。如如H2O、CO、SO2、NH3.+-+H2在无外场作用下整个分子在无外场作用下整个分子无电矩无电矩。-+OH+H+H2O+- 有极分子对外影响等效为一有极分子对外影响等效为一个电偶极子，个电偶极子，在无外场作用下存在无外场作用下存在在固有电偶极矩固有电偶极矩。第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗2 、电介质的极化电介质的极化定义：电介质由于电场作用，沿电场方向定义：电介质由于电场作用，沿电场方向表面

6、出现束缚电荷，形成偶极子的表面出现束缚电荷，形成偶极子的现象。现象。电子式极化 （2）离子式极化）离子式极化E0E 0E偶极子极化偶极子极化n出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，规则的排列， 因而显出极性，这种极化称为因而显出极性，这种极化称为偶极子极化偶极子极化或或转向极化转向极化（4）空间电荷极化）空间电荷极化(夹层极化夹层极化)各种极化表各种极化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式极化电子式极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式极化

7、离子式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偶极子极化偶极子极化极性电介质极性电介质10-1010-2 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介电常数介电常数n介电常数介电常数n相对介电常数是反映相对介电常数是反映电介质极化程度的参电介质极化程度的参数数n气体分子间的距离很气体分子间的距离很大，密度很小，气体大，密度很小，气体的极化率很小，一切的极化率很小，一切气体的相对介电常数气体的相对介电常数都接近都接近121210EEr液体电介质

8、的介电常数液体电介质的介电常数n液体电介质的介电常数液体电介质的介电常数 非极性和弱极性电介质如石油、苯、四氯化碳、硅油等，非极性和弱极性电介质如石油、苯、四氯化碳、硅油等， 数值不大，数值不大， 在在1.8 2.5范围内。范围内。n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， 数值在数值在2 6范围内。范围内。 还能用作绝缘介质。还能用作绝缘介质。n强极性电介质强极性电介质 如酒精、水等如酒精、水等, 10，其电导也很大，不能用做绝缘材料。，其电导也很大，不能用做绝缘材料。用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通常用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通

9、常损耗都较大。损耗都较大。rrr固体电介质的介电常数固体电介质的介电常数n非极性和弱极性固体电介质非极性和弱极性固体电介质 如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉石棉、无机玻璃等无机玻璃等，电介质只有电子式极化和离子，电介质只有电子式极化和离子式极化式极化， 在在2.0 2.7范围范围；n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、聚氯乙烯和树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等涤纶等 较大，一般为较大，一般为36 6；n离子性电介质离子性电介质 如陶瓷，云母等，相对介电常数如陶瓷，云母等，相对介电常数

10、一般在一般在58左右。左右。rrr场强与场强与 的配合的配合n电缆芯处使用电缆芯处使用 较大的较大的材料，可减小电缆芯处材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整均匀一些，从而提高整体的耐电强度。体的耐电强度。rr12212122121dsQdsQCQCQdUdUEE电介质的电导电介质的电导(electrical conduction)定义：定义：介质在电场作用下介质在电场作用下, 内部联系较内部联系较弱的带电粒子作有规律的运动形弱的带电粒子作有规律的运动形成电流成电流,即泄漏电流即泄漏电流.这种物理现这种物理现象称为电导象称为电导.要点：要点： 电介质中

11、的带电质点主要是离电介质中的带电质点主要是离子，也称离子式电导子，也称离子式电导 指标：指标：用电导率表示用电导率表示 气体介质的电导气体介质的电导oa段段:随着电压升高，到达阳极的带随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增电质点数量和速度也随之增大大ab段：段：电流不再随电压的增大而增大电流不再随电压的增大而增大bc段：段：电流又再随电压的增大而增大电流又再随电压的增大而增大c点点:电流急剧突增电流急剧突增均匀电场中气体的伏安特性液体电介质的电导液体电介质的电导液体中极化发展快，液体中极化发展快，电导构成：离子电导、电泳电导电导构成：离子电导、电泳电导 离子电导：离子电导：由液体本

12、身的分子和杂质的由液体本身的分子和杂质的分子解离为离子分子解离为离子 电泳电导：电泳电导：液体中的胶体质点（如变压液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点构成成带电质点构成液体电介质的电导液体电介质的电导a:电导在电场比较小的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆情况下，遵循欧姆 定律定律b:电流饱和趋势区，与电流饱和趋势区，与气体类似气体类似C:液体分子发生了游离，液体分子发生了游离，电导迅速增大。电导迅速增大。液体电解质中的电流和外施电压的关系固体电解质的电导固体电解质的电导n中性分子电介质的电导中性分子电介质的电导主要是杂质离主要

13、是杂质离子子n极性电介质，极性电介质，因本身能解离，此外还因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电导较有杂质离子共同决定电导，故电导较大，大，固体电解质的电导固体电解质的电导n和液体、气体不同，和液体、气体不同，固体中的电流电固体中的电流电压特性没有饱和状压特性没有饱和状态态电导在工程上的意义电导在工程上的意义n绝缘预防性试验的理论依据绝缘预防性试验的理论依据 预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况收比判断设备的绝缘状况n直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻

14、率，实现各层之间的成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压合理分压n 注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理注意亲水性材料的表面防水处理n电导损耗导致热击穿电导损耗导致热击穿电介质的损耗电介质的损耗(dielectric loss)n介质的能量损耗：介质的能量损耗：n产生原因：极化产生原因：极化+电导电导n直流直流电导损耗电导损耗n交流交流电导和极化损耗电导和极化损耗介质损耗介质损耗n介质损耗定义介质损耗定义 介质在交流电压下的有功功率损耗介质在交流电压下的有功功率损耗并联等值电路：并联等值电路：并联电路中并联电路中：R

15、UIRPCPCUItgCUtgUIUIPpCPR2RCCURUIItgPPCPR1/由相量图：由相量图：电介质的三支路等值电路电介质的三支路等值电路uci0CaraCgraigiC1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gaciiii0)(sticigii吸收曲线吸收曲线电介质在直流电压作用下的吸电介质在直流电压作用下的吸收现象收现象gaciiii |充充电电电电流流 |吸吸收收电电流流 |泄泄漏漏电电流流aiUIcIarIacIgIaI 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

16、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。用用tg作为综合反映介质损耗特性优劣的指标作为综合反映介质损耗特性优劣的指标 tg 的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中常通过测量常通过测量tg来判断设备绝缘的好坏。来判断设备绝缘的好坏。tgCUtgUIUIPpCPR2介质损失角正切值介质损失角正切值 tgn介质损失角正切值介质损失角正切值 tg ，如同，如同 一样，一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，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。可以方便地

17、表示介质的品质。rCPRIItg气体电介质的损耗n当电场强度小于使气体分子电当电场强度小于使气体分子电离所需的值时离所需的值时，气体介质中的，气体介质中的损耗极小（损耗极小（tg 10-8），工），工程中可以略去不计。所以常用程中可以略去不计。所以常用气体（如空气，气体（如空气，N2；C02，SF6等）作为标准电容器的介质等）作为标准电容器的介质n当外施电压当外施电压U超过起始放电电超过起始放电电压压U0时时，将发生局部放电，损，将发生局部放电，损耗急剧增加耗急剧增加液体电介质中的损耗n中性液体固体电介质中的损耗主要由漏导决定中性液体固体电介质中的损耗主要由漏导决定.极性液体介质中的损耗与温度

18、的关系n极性液体介质中的损耗主要包括电导损耗和极极性液体介质中的损耗主要包括电导损耗和极化损耗（偶极子式损耗）两部分化损耗（偶极子式损耗）两部分n损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系。损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系。固体电介质中的损耗n中性电介质，中性电介质，如石蜡、聚苯乙烯等，其如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起，通常很小，损耗主要由电导引起，通常很小，n极性电介质，极性电介质，纤维材料（纸、纤维板等）纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机，材料（聚氯乙烯、和含有极性基的有机，材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），tg 值较大，高频下更为严重。值较大，高频下更为严重。离子式电介质n离子式结构的介质，离子式结构的介质，n结构紧密的不含杂质的离子晶体结构紧密的不含杂质的离子晶体，如云母，其，如云母，其tg 主要是由电导引起，主要是由电导引起，tg 极小，且云母的电气强极小，且云母的电气强度高