哈工大高电压技术 1 液体和固体介质的极化、电导和损耗

在电气作用下，电介质中出现的电气特性可分为两大类：

弱电场：电场强度比击穿场强小得多电介质的极化、电导、介质损耗等电气特性

强电场：电场强度等于或大于起始放电场强或击穿场强电介质的放电、闪络、击穿特性第二章液体和固体介质的电气特性电介质的电气特性表现在电场作用下的（液体、固体）导电性能介电性能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：

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、硅橡胶第一节电介质的极化、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：电介质在电场作用下，正负电荷的定向移动图6.1极化现象（a）电极间为真空（b）电极间有固体介质在外施电场作用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电距，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Q’，所以极板上电荷增多，并造成电容量增大

放置固体介质时,电容量将增大为:相对介电常数：

ε0---真空的介电常数

ε---介质的介电常数

εr---介质的相对介电常数

A---极板面积，cm2

d---极间距离，cm

εr是反映电介质极化特性的一个物理量。图6.1极化现象（a）电极间为真空（b）电极间有固体介质对于平行平板电容器，极间为真空时：可见，气体εr接近于1，液体和固体的εr各不相同，大多在2～6之间。(一)电子式极化

在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，其值为,（矢量的方向为由－q指向＋q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。图6-2电子式极化

电子式极化存在于一切电介质中，它的特点：

完成极化需要的时间极短，10-15s；

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；

其介电系数有负的温度系数，但温度影响极小，工程上忽略。(二)离子式极化

固体有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。图6-3离子式极化

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。图6-3电子式极化温度对离子式极化的影响：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。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；(三)偶极子式极化

极性电介质：偶极子是正、负电荷作用中心不重合的分子，分子本身有一个永久性的偶极矩，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（a）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（b）所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。

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，10－10～10－2s，所以极性电介质的值与电源频率有较大关系偶极子极化与频率f的关系：图6-5

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，减小到图6-5

对极性液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，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。图6-6偶极子极化与温度t的关系：(四)夹层介质界面极化

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，电压分配与电容成比例：图6-7夹层介质界面极化现象一般即C1、C2上的电荷需要重新分配

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

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

用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr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εr较小的电介质，这是因为较大的εr，往往介质损耗也较大

采用εr较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流了解电介质的极化在工程上的意义

在几种绝缘材料组合使用时，应注意各种材料的εr的配合，使电场分布较为合理二、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：2、电子电导：1、离子电导：（1）液体介质的电导中性和弱极性液体，在纯净时，电导很小，而当含有杂质和水分时，其电导显著增加，绝缘性能下降，其电导主要由杂质离子构成。极性和强极性液体介质，其分解作用很强，离子数多，电导很大；一般情况下，不能作绝缘材料。液体的分子结构、极性强弱、纯净程度、介质温度等对电导影响很大，各种液体电介质的电导可能相差悬殊，工程上常用的变压器油、漆和树脂等都属于弱极性。（2）固体介质的电导固体介质电导由离子电导和电子电导两部分。离子电导很大程度取决于介质中所含杂质，特别是对中性及弱极性介质，杂质离子起主要作用。当电场很高时，由于碰撞电离和阴极电子发射，电子电导急增，预示绝缘接近击穿。中性和弱极性介质，水分子与固体介质分子的附着力很小，水分不易在介质表面形成连续水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面电阻较高，电导较小，称这类介质为憎水性介质。极性介质及离子性介质，水分子与固体介质分子的附着力很强，在介质表面形成连续水膜，表面电导较大，且与湿度有关，称这类介质为亲水性介质。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,随温度T按指数规律上升理论和实践都已证明：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，介质中的损耗将主要由电导组成，所以用体积电导率和表面电导率就能说明问题；交流电压下：除了电导损耗外，还有由于周期性极化而引起的能量损耗。交流时：流过电介质的电流此时介质的功率损耗：式中：—电源角频率；－功率因数角；－介质损耗角。图6-8

:代表介质的无损极化（电子式和离子式极化）:代表介质的有损极化（偶极子式和夹层界面极化）:代表电导损耗图6-9电介质的三支路等值电路和相量图

介质损耗角δ为功率因数角的余角，其正切tgδ又可称为介质损耗因数，常用百分数（％）来表示。通常采用介质损耗角正切tgδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标。与介质的相对介电常数εr一样，它是仅决定于材料损耗特性与其他外界因素无关的物理量(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。气体介质的tgδ与电场强度的关系

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：式中：-电介质的电导率，S/cm；E-电场强度V/cm。（W/cm2）

与温度有指数关系，P0也以指数规律随温度的上升而增大2、液体介质损耗（1）中性和弱极性液体介质

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t＝t1时达到极大值；（2）极性液体介质

在t1<t<t2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小超过了电导损耗的增加，所以总的曲线随t的升高而下降，并在t=t2时达到极小值。

在t>t2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；20ºC和50Hz时,＝2％～5％；玻璃：电导损耗＋极化损耗，损耗与玻璃成分有关。(2)有机绝缘材料可分为非极性和极性

非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；其与频率几乎无关

极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大；其与温度、频率的变化关系与极性液体介质相似讨论介质损耗的意义

设计绝缘结构时，应注意绝缘材料的tg