高电压技术：5-1电介质的极化、电导与损耗

1、第五章 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 第二节 液体介质的击穿 第三节 固体介质的击穿 第四节 组合绝缘的电气强度液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能 介电性能 电气强度表征参数：电导率 (绝缘电阻率 ) 介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗一、电介质的极化 电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产

2、生弹性位移现象和偶极子的取向现象。介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时： r是反映电介质极化特性的一个物理量。下面的表3-1列出了常用电介质的r值（20C时）可见，气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其他电气设备中往往希望选用r较小的电介质，这是因为较大的r往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的r值之间的配合，因为在工频交流电压和冲

3、击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的r成反比。 最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。现简要介绍如下：(一)电子式极化 电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。(二) 离子式极化固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。 在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。离子式极化的特点： 1、离子相对位移有限，外电

4、场消失后即恢复原状； 2、所需时间很短，其 几乎与外电场频率无关。温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其 一般具有正的温度系数。(三)偶极子极化极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称

5、为偶极子极化或转向极化。偶极子极化与频率f 的关系：偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，1010102s，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系。频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当于直流电场下的相对介电常数，f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变， 值不断下降；当f f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化， 减小到 。偶极子极化与温度t的关系：温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转

6、动比较困难，所以 很小。液体、固体介质的 在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱， 又开始随着温度的上升而减小。(四)夹层极化凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：t= ,电压分配将与电导成反比：可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总的电压U保持不变。这就意味着C1要通过G

7、1放掉一部分电荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电流称为吸收电流。 由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。二、电介质的电导电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。1、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。2、离子电导： 本征离子电导：极性电介质有较大的本征

8、离子电导，电阻率10101014 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率101710193、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。4、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。固体、液体介质的电导率 与温度T 的关系：式中：A、B 为与介质有关的常数，其中固体介质的常数B 通常比液体介质的B 值大的多。T 为绝对温度，单位为K 。该式表明

9、, 随温度T 按指数规律上升。三、电介质的损耗(一)电介质的损耗的基本概念介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。总电流表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。可采用并联等值电路或串联等值电路来分析并联电导损耗串联介质损耗此时功率损耗为：与式（3-7）所得介质损耗完全相同。2、串联等值电路有损电介

10、质可用一只理想的无损耗电容 和一个电阻r 相串联的等值电路来代替，如图所示。(二)气体、液体和固体介质的损耗1.气体介质损耗气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。2.液体介质损耗（1）中性和弱极性液体介质损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为：在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的 亦上升，并在tt1时达到极大值；在t1tt2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而 就随时间t的上升而持续增大。3.固体介质损耗(1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20C和50Hz时 25；