固体电介质特性

1、第二章第二章 液体、固体电介质液体、固体电介质的绝缘特性的绝缘特性一、液体、固体电介质的一、液体、固体电介质的绝缘特性绝缘特性u电气强度高u液体兼做灭弧；固体兼做支撑u电气强度不受外界影响u不可自恢复u会逐渐老化液体、固体电介质的绝缘特性液体、固体电介质的绝缘特性3二、电介质的极化、电导与损耗二、电介质的极化、电导与损耗极化的概念极化的概念UU0Q Q( ) a0Q QQ( ) bdAUQQC00000CCQQQr固体介质表面出现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性极化的基本形式极化的基本形式电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化极化机理：电子偏离轨道极化机理：电子偏离轨

2、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. 电子式极化电子式极化极化机理：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（随温度升高而增加，离子结合力温度（

3、随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：无消耗能量：无 2. 2. 离子式极化离子式极化极化机理：偶极子定向排列极化机理：偶极子定向排列介质类型：介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：建立极化时间：需时较长，10-1010-2 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，频率升高，极化减弱） 温度（低温段增加，高温段降低（热运动）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有3. 3. 偶极子极化偶极子极化极化机理：极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累发生条件：发生条件： 存在不均匀夹层介质中建立极化时间：建立极化时间

4、：很长，从数s到数h因此夹层极化只有在低频时才有意义。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4.4.夹层式（界面）极化夹层式（界面）极化极化机理：极化机理：正负自由离子移动到电极附近， 形成空间电荷介质类型：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讨论极化的意义：讨论极化的意义：u选择电容器的填充介质时，希望 大

5、；u选择其他绝缘结构的材料，希望小。u优化组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。u极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。u在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。 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。注: 空气击穿场强是30 kV/cm电介质极化应用实例电介质极化应用实例解：设空气电介质常数为解：设空气电介质常数为1， 设设聚乙烯板电介电介 质常数为质常数为2(1)插入电介质电介质前：E1=U0/d=55

6、/2=27.5 kV/cm(2)插入电介质电介质后： 1E1= / 2E2 U1/U2= C2 / C1U1/U2= 2 / 1，得 U1=2.3U2U0=U1+U2=3.3U2U2=U0/3.3=55/3.3=16.7 (kV)E2=16.7 kV/cmU1=U0-U2=55-16.7=38.3 (kV)E1=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强 所以所以,插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿。求电极间允许放入聚乙烯板(r=2.3)的最大厚度 x?30 30 (2)552.3xxx列方程：解得 =0.295cm三、电介质的电导三、电介质的电导来源来源：电

7、介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下做定向移动，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。1 1、电介质的吸收现象、电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+igic: 电容电流ia：吸收电流，由各种 极化过程产生ig：电导电流，或泄漏 电流itgiaicii2 2、电介质的绝缘电阻、电介质的绝缘电阻定义定义：电介质中的绝缘电阻一般为M特点：1） 负温度系数2） 随外施电压上升而下降。3）随加压时间延长而增大。)()(tiUtRiURg3 3、讨论电导的意义

8、：、讨论电导的意义：1） 在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏 电流判断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）， 其直流电压分布与电导成反比，设计时需考虑。3） 设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影 响。4） 对于某些能量较小的电源，如静电发生器， 要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。5） 有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压 套管附近涂上半导体釉等。固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本

9、身固有的性质 固体介质的表面电导四、电介质的损耗四、电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有）介质损耗正切角（介质损耗正切角（tg tg ）（并联模型）（并联模型）RCCURUIItgCR1/CtgUtgUIUIPc2cos介损：介损：损耗功率：损耗功率：介质损耗正切角（介质损耗正切角（tg tg ）（串联模型）（串联模型）ssssCRCRCIIRUUtgss1tan2sRCIIUPS介损：介损：损耗功率：损耗功率：介质损耗正切角（介质损耗正切角（tg tg ) )讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义 u在进行绝缘结构设计时，必须注意绝缘材料的tg值，如果过大而引起严重发热

10、，将使材料容易劣化，故尽可能选择tg较小的材料。u当绝缘受潮或恶化时，tg会急剧增大，因此经常监测tg值并进行对比，可判断绝缘的状况，及时发现问题。u通过测量tgU的关系曲线，可判断绝缘内部是否发生了局部放电。u介质损耗引起的介质发热有时也可以利用，例如利用介质损耗发热来加速干燥过程。 影响影响tg tg 的主要因素之一：温度的主要因素之一：温度tg和温度的关系tg121t2tf11f2ftf2tt1:极化损耗、电导损耗都上升t1tt2:极化减弱，电导损耗上升，电导占主导当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度才能达到最大值。CtgUtgUIUIPc2cos影响影响tg tg 的主要因素之二

11、：频率的主要因素之二：频率u当频率不太高时，随f增加，偶极子转向加快，损耗增加u当频率大过某一值后，偶极子来不及转向，损耗减小tg和频率的关系影响影响tg tg 的主要因素之三：外加电压的主要因素之三：外加电压u外加电压低， 总损耗电导损耗极化损耗u外加电压超过U0时，介质内部开始出现局部放电，消耗电离能 总损耗电导损耗极化损耗电离损耗tg和外加电压的关系五、液体电介质的击穿五、液体电介质的击穿（一）（一） 电击穿理论电击穿理论主要用于纯净液体的击穿解释主要用于纯净液体的击穿解释 机理：当电场强度超过1MV/cm时，液体电介质中原有的少量自由电子，以及因场致发射或因强电场作用增强了的热电子发射

12、而脱离阴极的电子，在电场作用下运动、加速、积累能量、碰撞液体分子，而且以一定的概率使液体电介质的分子电离。 只要电场足够强，电子在向阳极运动的过程中，就不断碰撞液体分子，使之电离，致使电子迅速增加。这样，电流急剧增加，液体电介质失去绝缘能力，发生击穿。 类似于汤逊放电理论类似于汤逊放电理论（二）气泡击穿理论（小桥理论）（二）气泡击穿理论（小桥理论）机理：1）液体中的气泡先发生放电，产生的带电粒子 撞击液体分子，使之分解，又产生气泡。气 泡逐渐增，形成贯通两级的气泡“小桥”通道。2）液体中的杂质（水、纤维）极化，并沿电场 方向排列，逐渐形成小桥。杂质的电导大， 引起泄漏电流增大，温度升高，水分气

13、化， 形成气泡，贯通两级后，击穿。主要用于不纯净的液体主要用于不纯净的液体影响液体电介质击穿的主要因素影响液体电介质击穿的主要因素u自身品质自身品质u温度温度u电压作用时间电压作用时间u电场均匀度电场均匀度u压力压力影响因素自身品质影响因素自身品质总的来说，杂质多，击穿电压降低。与水分的关系与水分的关系： 与纤维的关系与纤维的关系： 击穿电压与含水量的关系 均匀电场：纤维越多， 击穿电压越低 不均匀电场：高场强处 发生的局放使液体产 扰动 ，不易形成小桥 ，杂质影响小 冲击电压：作用时间短 ，也不易形成小桥。影响因素温度影响因素温度干燥的变压器油：击穿电压随温度升高而单调降低；受潮的变压器油：

14、当温度在5以下时，油很稠，小桥排列困难；在060 范围内，由于油中的悬浮状态的水分随温度升高转变为融解状态，击穿电压升高；温度更高时，油中水分开始气化，产生气泡，易形成小桥，又使击穿电压降低。 击穿电压与温度的关击穿电压与温度的关系较复杂，随液体介系较复杂，随液体介质的品质、电场的均质的品质、电场的均匀程度、电压形式的匀程度、电压形式的不同而不同。不同而不同。水分子分布水分子分布状态的改变状态的改变33影响因素（影响因素（3 3）：电压作用时间）：电压作用时间u击穿电压随加压时间的增加而下降。当液体介质的纯净度及温度提高时，电压作用时间对击穿电压的影响减小。u经过长时间工作后，液体介质的击穿电压会缓慢下降，这是由于介质劣化、杂质增多等因素造成的。极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线( (虚线表示未经研究的区域虚线表示未经研究的区域) ) 影响