第九章 第三节 介质损耗

第九章高压设备的绝缘试验第三节介质损耗1、电介质的极化2、电介质的导电3、电介质的损耗4、电介质的击穿主要内容极化（polarization），指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化(偶极矩增大)、光之极化(偏振)、电极极化等。外电场作用下，电介质显示电性的现象。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。1、电子式极化电子式极化存在于所有电介质中。由于电子异常轻小，完成极化所需的时间极短，约10-15s，极化响应速度极快，通常相当于紫外线频率范围。电子式极化具有弹性。一旦外电场减小时，依靠正、负电荷之间的吸引力，其作用中心立即重合而恢复成中性。电子式极化所消耗的能量可忽略不计，称为“无损极化”。2.离子式极化

在离子式结构的电介质中，当有外电场作用时，则除了促使各个离子内部产生电子式极化之外，还将产生正负离子的相对位移，使正负离子按照电厂的方向进行有序排列，形成极化，这种极化称为离子式极化

完成离子式极化所需的时间也很短，约10-13s，其极化响应速度通常在红外线频率范围，亦可在所有频率范围发生。离子式极化也具有弹性，亦属于无损极化。3.偶极子式极化—有损极化在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时，偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种极化被称为偶极子式极化，或转向极化。4.

空间电荷极化---有损极化

由于电介质中会存在一些可以迁徙的电子或离子，因而在电场作用下这些带电质点将会发生移动，并聚积在电极附近的介质界面上，形成客观的空间电荷积累，因此这种极化称为空间电荷极化。特点：消耗能量，为有损极化；仅在低频下发生，相当于电导。5.夹层极化---有损极化夹层极化是多层电解质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。在高电压工程中，许多设备的绝缘都是采用这种复合绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器的绕组等，在两层介质之间常有油层、胶层等形成多层介质结构。对于不均匀的或含有杂质的介质，或者受潮的介质，事实上也可以等价为这种夹层介质来看待。夹层介质在电场作用下得极化称为夹层极化，其极化过程特别缓慢，所需时间由几秒到几十分钟，甚至更长，且极化过程伴随有较大的能量损耗，所以也属于有损极化。夹层极化的发生是由于各层电解质的介电常数不同，其电导率也不同，当加上电压后各层间的电场分布将会出现从加压初始瞬时按介电常数成反比分布，逐渐过渡到稳态时的按电导率成反比分布，由此在各层电介质中出现了一个电压重新分配的过程，最终导致在各层介质的交界面上出现宏观上的空间电荷堆积，形成所谓的夹层极化。1、电介质的极化2、电介质的导电3、电介质的损耗4、电介质的击穿主要内容电介质在直流电压U作用下，开始有较大的电流，一段时间后极化过程结束，电流趋于一稳定值I∞，与之对应的电阻称为绝缘电阻R∞，它的倒数称为绝缘电导。1、电介质的极化2、电介质的导电3、电介质的损耗4、电介质的击穿主要内容介质中有电流渡过，一定有能量损耗处于电场中的电介质，单位时间内消耗的能量定义为电介质功率损耗，简称介质损耗。第三节电介质的损耗

一、电介质损耗的基本概念二、介质损耗因素（）图1-10电介质的并联等值电路及相量图（a）等值电路；（b）相量图一、直流电压作用的介质损耗在直流电压作用下，产生损耗是由电导中的电流（漏导电流）引起P=IU二、交流电压作用的介质损耗在交流电压作用下，产生损耗的原因比较复杂，除电导引起损耗外，不有因介质的反复极化引起的损耗P=UicosφU、I均为有效值φ为功率因数角，电流超前电压一个角度φ，一般小于90°C电压越高，电流越大，损耗越多三、研究介质损耗的等值电路及计算公式等值电路功率因数角介质角正切或损耗因数1、对某一被试器，C一定，若U、ω为不变数，则介质损耗上tgδ决定。因此，tgδ和介电常数、电导率一样，属材料本身的特性参数，它是衡量介质本身在电场中将电场能转变为热能（损耗）的一个宏观物理参数。2、高压或高频下，应选用tgδ小的材料，以防止过度发热导致热击穿。3、只有计算意义，等值电路并不能确切地反映介质内部的物理过程。三、影响电介质损耗的因素1)材质（极化）2)温度3）频率4）电压5）湿度图9-8极性介质介损与温度和频率的关系1-对于与频率f1的曲线；

2-对应于频率f2的曲线（f1

＜f2

）介损与温度的关系决定于介质的结构。中性或弱极性介质的损耗主要来源于电导，故tgδ随温度升高而增大。由于极性介质具有电导和极化两种损耗，在某一温度范围内，以极化损耗为主。先观察频率f1这根曲线，温度较低（<θ1)时，两种损耗都很小，且都随温度增高而增大，当温度等于θ1时，极化损耗达到最大值;以后随着温度的升高(θ1<

θ<

θz)，因分子热运动加快，防碍了偶极子转向极化，故极化损耗大大减弱，tano随温度升高而减小，直至温度等于θz时，tano降到最小值。θ>θ2后，极化损耗不再是主要因素，介质损耗主要由电导损耗决定，故介质损耗又随温度上升而增加三、影响电介质损耗的因素1)材质（极化）2)温度3）频率图9-8极性介质介损与温度和频率的关系1-对于与频率f1的曲线；

2-对应于频率f2的曲线（f1

＜f2

）介损与频率的关系图9-8还给出了频率为f2时的tanδ=f(θ)的，f2>f1。这说明，对某一种绝缘材料，频率增大时，tanδ=f(θ)曲线形状不变，但极值往温度升高方向移动，其原因是:在较高频率下，偶极子不易充分转向，要使转向进行得更充分，只得升高温度，减小粘滞性，故峰值点和整条曲线向右移动。三、影响电介质损耗的因素1)材质（极化）2)温度3）频率4）电压图9-9含有气隙的介质的与电压的关系介损与电压的关系当外加电压较低时，tanδ不随电压变化而改变。但如绝缘有缺陷，如存在气泡时，则当外加电压高于空气的起始电离电压时，空气产生游离，介质损耗剧增。如图9-9所示。故可利用这一特性，通过测量tanδ和电压的关系曲线，判断绝缘内是否有分层、裂缝等局部缺陷。例如对电机绝缘就要测定不同电压下的tanδ值进行比较以资判断。三、影响电介质损耗的因素1)材质（极化）2)温度3)频率4)电压5)