《城市轨道交通电气设备测试（第2版）》 课件2.1电介质的极化、电导和损耗

《绝缘材料特性》电介质的极化、电导和损耗目录01绝缘材料定义与特性02电介质的极化03电介质电导04电介质损耗05影响绝缘材料性能的指标01绝缘材料定义与特性

绝缘材料是用于电气绝缘的材料，具有高电阻率（10^9～10^22Ω·m）。绝缘材料定义与特性其特性主要包括以下几条：（1）耐化学侵蚀。（2）具光泽，部分透明或半透明。（3）大部分为良好绝缘体。（4）重量轻且坚固。（5）用途广泛、效用多、耐高温。绝缘材料分类：绝缘材料定义与特性由两种绝缘材料加工制成。混合绝缘材料如橡胶、树脂、虫胶等。有机绝缘材料如云母、大理石、玻璃等。无机绝缘材料

了解绝缘材料及其绝缘机理，对绝缘设备运行和维护都具有相当重要的意义，可以根据不同的绝缘材料特性，提高绝缘耐压水平，减少设备故障率。

研究介质传导电流的意义在于了解绝缘绝缘材料的绝缘特性，减少电流通过，在外界不同因素下，电流在介质中增大时，介质内部会发热，促进绝缘劣化，增加事故的发生率。而研究电介质的极化、电导和损耗则是了解绝缘状态的三个重要指标。绝缘材料定义与特性02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生弹性位移现象和偶极子的取向现象。这时电荷的偏移大都是在原子或分子的范围内作微观移动，并产生电矩（即偶极矩）。

电介质的介电常数也称为电容率，是描述电介质极化的宏观参数。电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。电介质的极化2.1电介质的极化定义

根据静电场中关于均匀各向同性的电介质相对介电常数的定义，电介质的相对介电常数为式中D、E——分别为电介质中电通量密度、宏观电场强度。电介质的极化03电介质电导

气体中无吸收电流，气体离子的浓度为500～1000对/cm2。电介质电导3.1气体电介质电导3.2液体电介质电导

液体电介质电导一是由液体本身的分子和杂质的分子解离成离子，构成离子电导；二是由液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，变成带电质点，构成电泳电导。液体电介质电导与液体纯净度、离解度、电场强度、温度有关。液体杂质越多，电导越大。液体离解度大，介电常数越大，电导就越大。当液体场强到达一定程度后，电导将迅速增大。温度升高，液体电介质或离子的热离解度增加，黏度降低，离子迁移率增加，电导增大。电介质电导3.3固体电介质的表面电导

固体电介质由附着于介质表面的水分和污秽引起。讨论介质电导的意义在于以下方面：（1）绝缘电阻和泄漏电流的应用。

在绝缘预防性试验中，要测绝缘电阻和泄漏电流以判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象。在试验中需注意将表面电导与体积电导区别开来。吸收比K是加压60s测量的绝缘电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值，如良好、干燥的绝缘，吸收电流较大，K值较大（应大于某一定值）；受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。利用这个特性可以有效地判断绝缘的好坏。如图2-1所示为某变压器的绝缘电阻与时间关系曲线。电介质电导图2-1某变压器的绝缘电阻与时间关系曲线1受潮时；2经干燥后电介质电导（2）绝缘材料与环境关系

设计绝缘结构时要考虑到环境条件，特别是湿度的影响。注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理。（3）绝缘电阻工程应用

并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小或者平衡绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导体釉，高压电机定子绕组出口部分涂半导体漆等，都是为了改善电压分布，以消除电晕。04电介质损耗电介质损耗4.1电介质损耗形式

（1）电导损耗：由电介质中的泄漏电流引起，气体、液体和固体均存在。

（2）极化损耗：由偶极子极化和夹层极化引起，与电源频率有关，f增大，损耗增加。直流下无极化损耗。

（3）游离损耗：气体在电场作用下游离产生的损耗。电压较高时各种含气泡的介质都产生。4.2介质的优劣状况

介质损耗角正切值tan反映了介质损失的大小。介质损失角正切值意义在于研究介质的优劣状况。

介质就是绝缘材料，绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小愈好。把在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。电介质损耗如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化（发脆、分解等），如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，丧失绝缘能力，导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。

在外加交流电压作用下，绝缘介质就流过电流，电流在介质中产生能量损耗，这种损耗称为介质损耗。介质损耗很大时，就会使介质温度升高而老化，甚至导致热击穿。因此，介质损耗的大小就反映了介质的优劣状况。

在电场的影响下，绝缘材料因介质电导与介质极化产生的滞后效应，使材料内部中出现了大量的能量消耗，这种现象也就是介质损失，又称介质损耗。电介质损耗电介质损耗的作用就在于：在变电场作用下，使电介质内部产生大量的热量能量，而这些能量的存在会引起电介质的温度迅速提高，导致出现发热量超出散热量的恶性循环现象，从而导致电介质出现熔化及烧焦等现象，使其绝缘性能完全消失。

因此，在电气绝缘材料中，尤其是应用在高电场强度场合的绝缘材料，必须要尽可能采取介质损耗因数，也就是电介质损耗角正切tan比较低的材料。具体常用绝缘材料等级与温度如表2-1所示。4.3绝缘材料等级与温度电介质损耗绝缘等级工作温度材料用途Y级极限工作温度为90°C如木材、棉花、纸、纤维极易于热分解和融化点低的塑料绝缘物A级极限工作温度为105°C如变压器油、漆包线、漆布、沥青、天然丝等E级极限工作温度为120°C如高强度漆包线等B级极限工作温度为130°C如环氧布板、玻璃纤维、石棉等F级极限工作温度为155°C如有机纤维材料、玻璃丝聚酯漆等绝缘物H级极限工作温度为180°C如聚酰亚胺薄膜C级极限工作温度超过180°C指不采用任何有机黏合剂，如石英玻璃和电瓷材料表2-1常用绝缘材料等级与温度电介质损耗4.4绝缘材料电气强度

绝缘材料都有一定的机械强度和电气强度。机械强度是指绝缘承受机械荷载（张力、压力、弯曲等）的本领；电气强度（或称绝缘强度）是指绝缘抵抗电击穿的本领。促使变压器绝缘老化的主要因素有：温度、湿度、氧气及油的老化产物，变压器绝缘的损坏，多由热作用开始，温度升高，降低了绝缘的电气性能和机械性能，从而加速绝缘的老化。

绝缘老化则是绝缘在长期的高温、电场、环境等各种因素作用下发生一系列的化学物理变化，导致绝缘电气性能和机械性能等不断下降。一般电气设备绝缘中常见的老化是电老化和热老化。电介质损耗

以油浸式变压器绝缘为例，变压器的材料有金属材料和绝缘材料两大类。虽然金属材料能耐受较高的温度不致损坏，但是高温下，线圈的绝缘在几秒钟内就会烧毁。因此运行时间和温度是影响变压器寿命的主要因素。油浸变压器绝缘等级属于A级。国家标准GB1094—2013中规定的线圈温升65C和最高环境温度40C，是以A级绝缘等级为基础加上环境温度，即65C+40C＝105C，这是变压器线圈的极限工作温度。如图2-2所示为变压器温度控制器。黑色指针为变压器油面温度，随变压器油实际温度变化，红色指针为变压器绕组出厂设定温控固定值，当黑色指针超过设定的红色指针报警值时，接点闭合报警并启动风扇冷却，当超过设定的跳闸阀值时，变压器跳闸停运。电介质损耗图2-2变压器温度控制器05影响绝缘材料性能的指标影响绝缘材料性能的指标5.1绝缘电阻和电阻率

电阻是电导的倒数，电阻率是单位体积内的电阻。材料导电越小，其电阻越大，两者呈倒数关系，对绝缘材料来说，总是希望电阻率尽可能高。5.2相对介电常数和介质损耗角正切

绝缘材料用途包括各部件的相互绝缘和绝缘介质性能。两者都要求介质损耗角正切小，尤其是在高频与高压下应用的绝缘材料，为使介质损耗小，都要求采用介质损耗角正切小的绝缘材料。5.3击穿电压和电气强度

在某一个强电场下绝缘材料发生破坏，失去绝缘性能变为导电状态，称为击穿。击穿时的电压称为击穿电压（介电强度）。电气强度是在规定条件下发生击穿时电压与承受外施电压的两电极间距离之商，也就是单位厚度所承受的击穿电压。对于绝缘材料而言，一般其击穿电压、电气强度的值越高越好。影响绝缘材料性能的指标5.4拉伸强度

在拉伸试验中，试品承受的最大拉伸应力即为拉伸强度。它是绝缘材料力学性能试验应用最广、最有代表性的试验。5.5耐燃烧性

耐燃烧性指绝缘材料接触火焰时抵制燃烧或离开火焰时阻止继续燃烧的能力。随着绝缘材料应用日益扩大，对其耐燃烧性要求更显重要，耐燃烧性越高，其安全性越好。5.6耐电弧

耐电弧是在规定的试验条件下，绝缘材料耐受沿其表面的电弧作用的能力。试验时采用交流高压小电流，借高压在