课程电介质物理第三章

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Equipment第三章电介质的损耗电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment3-1概述电介质的损耗在电压U的作用下，电介质单位时间内消耗的能量

电导损耗松弛极化典型的为偶极子转向极化产生原因电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment∴在直流电压作用下，介质损耗决定于。在直流电压作用下，介质中存在载流子，有泄露电流电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment交变电场作用下,除了泄漏电流，还有极化电流只用来描述就不够了，必须要用其它量来描述介质的品质，即介质损耗角正切（lossfactor）电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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是电压U与电流I的相位差电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment介质损耗角正切的意义介质损耗由于①当恒定时，②是描述交变电场作用下介质损耗的宏观参数；③的研究对介质的研究很有意义。电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗光频以下（即电频范围内），交变电场下介质损耗：②极化损耗——主要是松弛极化损耗；

结构不均匀的损耗——界面极化损耗局部放电损耗——气隙击穿引起损耗

①漏电导损耗

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Equipment电介质的损耗3-2阶跃电压作用下极化建立的过程、吸收电流恒定电场下

介质的任何极化机构都来的及建立为静态介电常数电场频率低，极化来得及建立，交变电场下电场频率高，极化来不及建立，电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment根据极化响应时间将极化分为两大类：

瞬时位移极化——DisplacementPolarization：包括电子、离子位移极化；电子位移极化建立时间离子位移极化建立时间极化强度用表示。

松弛极化——RelaxationPolarization：包括转向、热离子和夹层极化。

极化建立时间为或者更长，这种极化属于缓慢极化过程，极化强度用表示。电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment在介质中，同时存在瞬时极化和松弛极化：

在阶跃电压作用下，升压过程用一般可用如下表达式描述介质的松弛极化过程：电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment移去电压后，立即释放，而按指数下降。电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment时间常数τ的意义①

表示松弛极化建立和消失的快慢建立消失②电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗2、在阶跃电压下，极化建立过程中的电流，吸收电流现象在一个电容器上加阶跃电压，——介质的位移电流，D为电感应强度电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗——真空中的位移电流瞬时量，真空几何电容的充电电流——是各种极化建立引起的电流瞬时位移极化电流电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗令真空位移电流+瞬时位移极化电流——吸收电流，AbsorptionCurent

——松弛极化的初始电导率（等效）——介电常数，

——光频下介电常数电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗时，撤去电压（为瞬时放电电流，没有电压）数值上与相等，方向相反。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗是瞬时充电电荷是瞬时放电电荷吸收电流充电电荷反向吸收电流放电电荷电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗3-3交变电场下电解质的损耗1、吸收电流的响应函数阶跃电场

E=

0

1

S=0

——吸收电流的响应函数电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗2、在交变电场作用下电解质中的电流外施交变电场：——在时间时阶跃增量的高度——时间时单位阶跃函数响应函数：电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗

无限小时则变化为积分

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Equipment电介质的损耗正弦电场向量表示

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Equipment电介质的损耗—同电场周期—与电场垂直超前90°，为电容分量有功无功电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗总电流：—瞬时电流——有功分量，E是有效值电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗——表示有功部分——介质松弛极化损耗所导致电导率——无功分量，E是有效值瞬时极化产生松弛极化产生——电容分量部分电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗3、交变电场下电介质的动态介电常数介质损耗介质损耗角正切与频率温度的关系交变电场下电介质的各参数的含义如果介质中有位移极化、松弛极化和电导时，无功分量电导可做如下表示：无功电流：

—松弛极化贡献，与部分有关，

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Equipment电介质的损耗总功率：

单位体积介质损耗：a)直流作用下，g=0，b)交流作用下有g作用松弛极化的特效电场率介质损耗角正切：g为等效电导电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗

各种极化均来得及建立、单位体积的介质损耗主要是电导损耗，极化跟得上电场的变化，极化损耗很小可以不计

，

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Equipment电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗

松弛极化跟不上电场的变化，只有位移极化跟得上，故只考虑位移极化的影响。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗

是松弛极化的起始电导率。←起始时频率很高，也是松弛极化的高频电导率。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗与温度T的关系，主要与相关体现松弛极化建立不起来，极化形式主要是电子位移极化电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗不计的作用电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗松弛极化完全能够建立起来当T进一步升高时，分子热运动无序化加剧，。

指数上升指数上升电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗图示:与温度的关系3—4复介电常数与柯尔－柯尔图根据第二章电介质相对介电常数：

交变电场下仍有，

引入复指数D,E相位差复介电常数电容电流可写成：

由课本3-33式：比较上述两式得进一步推广：其中，

的另一种表示形式德拜方程的性质：①讨论与角频率和温度T的关系②与，T的关系，

与p的极大值出现的位置一样当时，

变化最快的点是

出现极大值与一致还未出现，即将出现而图3-16注：①没有松弛损耗

②③介质仅有位移极化

的频率区域内激剧下降，

出现峰值，

出现极化能量的耗散；

出现峰值，这种现象称为色散区。色散现象。这个区域称为Cole-Cole图由消去得到∴出现图示情况3-17单一松弛时间的柯尔—柯尔图作用：在实验中常用它来校核德拜松弛过程，即松弛是不是德拜型。

由Debye方程推得：如果不是单一的德拜方程引起的，可能会出现图形的不吻合。3—5松弛时间的分布事实：大多数曲线与Debye方程有出

入，表现为

曲线变平坦，变宽。

Cole-Cole半圆→圆弧3-18原因是：Debye方程假设松弛时间是单一的，实际上，介质的结构，分子所处的状态，分子间的相互作用，热运动松弛时间不可能是单一的。为松弛时间分布函数松弛时间以到区间的分子的几率。（归一化过程）因此，复合常数实部虚部上述称为Schweider方程，是Debye方程的推广由If：的两种分布形式：A：正态分布（高斯分布）函数是常数，为最可几的松弛时间由于是Wagner首先用，也称为Wagner分布函数。B：Kirkwood—Fours分布函数用于线性高分子化合物，玻璃中的松弛极化。

但是，

一个简单的分布函数来概括试验结果的努力，即

的形式简单，

的关系就变得十分复杂；

因此，分布函数仅仅用来说明松弛时间分布的道理，难以用来处理实际问题。通常采用的经验公式来表达，概括试验结果。

没有收到很大成效。复介电常数松弛时间参数：表示松弛时间的分散程度，当=0Debye方程

松弛时间分布变宽。↑

时，

半径变长了利用实验测得的实验数据，求一组松弛时间的Cole—Cole图电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment3-6气体电介质的损耗

气体电介质特点：，且与频率无关。等效电导率。只在低电场下成立，为外加电场频率。

电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗①当服从ohmlaw：②出现饱和电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗标准电容器中实际值上比计算值大，因为固体支撑体有附加损耗。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment3-7液体电介质的损耗

电介质的损耗一、非极性和弱极性液体电介质由于，在时跟得上电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗将代入电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗二、极性液体电介质极性液体电介质的特点：①②偶极距的转动容易液体的粘性转向模型

后为匀速运动，是逐渐趋于稳定的过程，与昂扎杰模型假设类似。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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EquipmentStokes定律是活化能松弛时间随温度的变化规律与粘度随T的关系规律类似。电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗

通过改变粘度，曲线，为工程应用服务，改变的温度范围。常常调节液体粘度而调节峰值出现的位置，从而使使用区间中的为合适值。图示电缆浸渍剂与温度关系电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗3-8固体电介质的损耗

一、固体的无机电介质

无机晶体——

较小，损耗主要来源于电导损耗。如食盐Nacl晶体，石英，云母等。损耗主要来自电导电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗温度低频65oC50Hz6×10-41×10101.4×1011高频276oC3×106Hz3×10-43.5×1064×106结论：①

与基本相当；②高频（2×106Hz）下，介质损耗也是电导损耗。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗无机玻璃——以共价键结合为主，无机玻璃的基本结构SiO2或B2O3形成具有近规则的空间网。1、纯玻璃结构紧密无弱束缚离子，只有很小的电导

石英玻璃硼玻璃2、工程玻璃结构变松，弱束缚离子增多电导损耗松弛损耗结构损耗热离子损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗3、陶瓷介质①瓷——较常用绝缘子②玻璃③有机——复合的陶瓷：不均匀结构，含三相①结晶相，②玻璃相，③气隙1、富含玻璃态的陶瓷，大量玻璃相和少量微晶结构，如普通绝缘瓷，大。

a玻璃相中离子电导损耗

b结构较送的多晶点阵结构引起的松弛损耗

c气隙含水一起的界面附加损耗2、不含或含有极少量玻璃相，由大量微晶晶粒组成，有Al2O3高频瓷，MgSiO4为基础的块滑石瓷等，小。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗二、固体的有机电介质非极性：含PE、PS、PTFE、天然石蜡、地蜡等极性：PVC、CF(甲酚-甲醛树脂)、EP（环氧树脂）用途：工频和高频绝缘材料电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗3-9不均匀介质的界面极化和损耗实际应用中，材料大多数是由多种成分组成的，为不均匀介质。问题

假设试样由几种共有特性，的相结合而成。当阶跃函数电压加到试样时：①初始电压分布，仅对应于介电常数的空间分布。②稳态电压分布，仅对应于电导率的空间分布。

如果电容不同于电导率分布，那么体系随着时间将从一个状态变化到另一个状态。这样对交变电压的响应就是一个类似松弛的过程。称为Maxwell—Wagner松弛，也称为界面极化或空间极化。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗现以最简单的双层介质来对界面极化加以说明。界面电荷→由电导、自由载流子而形成；产生宏观的偶极距→极化→夹层损耗。

，；，电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗、阶跃电场作用下的双层极化介质充电过程过渡过程的三要素法电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗电导电流流入双层介质界面的净电流积聚在界面上的电荷电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗界面上积聚的界面电荷密度

可见当时，界面不积聚电荷，电压一加上就进入稳态，无界面极化。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗双层介质界面上的全电流是连续的吸收电流电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗对于正弦交变电压，表示成复指数形式：其中为有功功率，为无功功率。

有功分量无功分量电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗对应于e是双层介质电容器的附加电容，由界面积聚的空间电荷引起。

是夹层极化的作用，不计。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电介质的损耗C随温度T变化不大电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment3-10电介质在光频范围的色散和吸收在无线电频率范围内，研究了偶极子转向极化，热离子极化，和夹层极化的松弛过程。在光频范围内，电子或离子极化的松弛。色散现象：介电常数随频率变化（增高）而显著变化的现象。色散包括松弛色散和谐振色散。松弛色散——偶极子转向极化在电频范围的色散现象。谐振色散——电子极化或原子极化在光频范围内的色散现象。介质吸收曲线——损耗因素随频率变化曲线，即出现色散的同时有明显的损耗。电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment1、光频范围内的电子位移色散和吸收假设：原子或分子中，由于电子质量比原子核小得多，在E的作用下，F电场力+F库伦力的共同作用，电子云的运动与简谐振子的运动相似。H原子模型角频率电力设备电气绝缘国家重点实验室StateKey

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Equipment电子运动方程

加速度电子的准弹性恢复力注意：的方向，以电场的方向作为基准，m是电子云质量，e电子云电荷。电子云固有谐振角频率