高电压电介质

电介质的理论基础

极化现象

1、构成电介质分子的分类（1）中性分子（原子）：分子（或原子）中正负电荷的作用重心是重合的，对外不显电性。

（如固体无机化合物云母、陶瓷、玻璃等）（2）极性分子：分子中正、负电荷的作用重心不重合，而保持一定的距离，单个分子对外显电性，由于热运动的原因，各分子的排列杂乱无章，不同分子对外电性相互抵消，故对外不显电性。（偶极分子）

（如变压器油、松香、橡胶、胶木、聚氯乙烯、纤维素等）电介质（绝缘介质）内几乎没有自由电子，但在外电场的作用下，电介质表面依然会出现电荷（束缚电荷），束缚电荷的位移或偶极性分子的转向，产生的附加电场与外电场的方向相反，使电容器极板间场强减小，这种现象称为电介质的极化。极化的几种类型位移极化和转向极化无极电介质的位移极化极性电介质的转向极化按物质构成极化可分为：电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化+-+-E=0E电子式极化+++---+-+++---+-E=0E离子式极化+-+-+-+-+--++-+-+-+-+--++-+-+-+-+-+-+-+-E=0E偶极式极化

各种极化示意图：

无极分子在没有外电场时，分子正、负电荷中心重合。但在外电场作用下，分子正、负电荷中心产生位移，形成取向外电场方向的分子电偶极矩，使介质表面出现极化电荷（束缚电荷）。极化电荷产生的附加电场方向与外电场方向相反。

电子式极化

当两层不同电介质串联构成的复合绝缘时，刚开始加压时，各层介质的极化程度不一样，各层电介质中极化产生的电荷量也不一样，于是分界面显示出电的极性来，称为夹层极化。极化结束后，电荷要重新分配，就在两层介质的交界面形成一定的吸收电流。这种过程非常缓慢，那么在去掉电压后介质内部的吸收电荷要释放出来也非常缓慢。因此对于使用过的大电容设备，应将两极短接，彻底放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来危及人生安全。+夹层式极化-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-特别是长电缆和大电容器，使用后的放电时间有时长达5——10min注意：夹层极化极化类型极化对象极化过程极化性质极化时间极化与温度的关系电子式极化中性的原子在外电场作用下，电子轨道发生变形或位移，对外显示电性弹性极化,不消耗能量10-15—10-13秒温度升高，极化减弱离子式极化离子化合物正离子顺电场方向移动，负离子逆电场方向移动,对外显示电性弹性极化，不消耗能量10-13—10-11秒温度升高极化增强偶极式极化极性偶极分子在外电场情况下,偶极分子转向,对外显示电性要消耗能量10-12—10-2秒温度升高，极化减弱夹层式极化几种不同的电介质界面交接面极化程度不一,显示出电性,并形成介质内部电流要消耗能量10-2—104秒比较几种极化的区别1、相对介电常数-+----++++++++----+----++++-Q=Q0Q=Q0+∆Q真空中的介电常数相对介电常数在工程中的意义相对介电常数以该物质为介质的电容器的电容与以真空中为介质的同样大小电容器电容量的比值，称为相对介电常数，简称介电系数。它表征电介质在电场的作用下极化程度的物理量（1）εｒ

越大，电介质极化作用越强，其绝缘性能越差。故要合理选用。例如电容器：要求εｒ

大些，这样电容器单位容量的体积和质量就会减小。电力电缆：要求εｒ

小些，则工作时的充电电流和极化损耗就会降低。（2）几种串联电介质组合在一起使用时，有如下公式ε1Ｅ1=ε2Ｅ2

即串联电介质的场强分布与εｒ成反比。εｒ越小其介质中的场强越大，εｒ越大其介质中的场强越小。故在串联介质中要合理考虑电场的分布，尽量使电场分布均匀。（3）通过测量εｒ可以判断电介质是否受潮或所含气体的多少。当电介质受潮及老化分解气体时，εｒ会明显增大。

电介质电导的基本概念1、电导：电介质并不是理想的绝缘体，在电场的作用下仍然会有一定的电流通过，表征电介质绝缘电阻的倒数这就是电介质的电导。

I=U/R=GUG—电导，单位SR=ρL/Sρ—电阻率，Ω•m

γ=1/ρ

γ—电导率，S/m2、带电质点的形成(定向移动)构成电介质的电导，其种类有（1）电子电导：是带负电荷的电子（2）离子电导：电离了的原子或原子团，它们可以带正电荷也可以带负电荷。如Na+、Cl-、

(OH)-等。（3）胶粒电导：带电的分子团，即胶粒。如油中处于悬浮状态的水滴等。3、电介质电导与金属导体电导的区别电介质电导主要是离子电导或胶粒电导

金属导体中的电导是自由电子电导

(即介质或介质中杂质分子在热运动和电场作用下离解为自由离子沿电场运动形成的电导)均匀电场中气体的导线特性

A区：U升高，I随U正比升高

B区：U升高，但I趋于饱和

C区：电荷骤增，I急剧上升

气体电介质的电导1.液体中构成电导的因素（1）液体本身离解为离子，构成离子电导。（2）液体中胶体质点，如碳渣、浮状水滴吸附电荷后形成的带电胶粒，从而构成胶粒电导，或称为电泳电导.2.液体电介质的分类（1）中性液体—本身不易发生离解，其离子主要是来于杂质分子的离解，由杂质离子所构成。如:变压器油(弱极性)（2）极性液体—除杂质外本身的分子也容易发生离解。如纯净水；乙醇；蓖麻油等。3.影响液体介质电导的主要因素（1）温度--温度升高时液体介质本身的分子和所含杂质分子离解度增大，从而使液体中自由离子数目增加。温度升高时液体的粘度减小，使离子的运动加速，导致带电质点增加。（2）杂质--受潮--发生化学变化液体电介质中的电导分为体积电导和表面电导1.体积电导—体积泄漏电流(Ig)形成原因（1）高电场下从电极下拉出的电子。（2）介质中杂质和杂质本身由于电场和热的原因而离解出的离子。2、表面电导-----表面泄漏电流(Ig’)形成原因（1）表面水分（水膜的厚度及面积）（2）污物（水分+污物）（3）介质表面吸附水分的能力。(憎水性和亲水性)亲水性介质表面可以形成连续的水膜：陶瓷，玻璃憎水性介质表面形成不连续的水珠：石蜡，硅有机物

Q:以上介质哪种表面电导小？（4）污物的类型。如金属粉末、水解性化合物如酸碱盐等。Ig’IgIgU固体电介质的电导表面电导和体积电导的倒数称为体积泄漏电阻和表面泄漏电阻，即：可见绝缘电阻是由体积泄漏电阻和表面泄漏电阻二者并联组成的。绝缘电阻因为温度升高时，绝缘介质内部离子、分子运动加剧，绝缘物内的水分及其中含有的杂质、盐分等物质也呈扩散趋势，使电导增加，绝缘电阻降低。（负温度系数）为什么介质的绝缘电阻随温度升高而减小，金属材料的电阻却随温度升高而增加？绝缘材料电阻系数很大，其导电性质是离子性的，而金属导体的导电性质是自由电子性的，在离子性导电中，作为电流流动的电荷是附在分子上的，它不能脱离分子而移动。当绝缘材料中存在一部分从结晶晶体中分离出来的离子后，则材料具有一定的导电能力，当温度升高时，材料中原子、分子的活动增加，产生离子的数目也增加，因而导电能力增加，绝缘电阻减小。而在自由电子性导电的金属中，其所具有的自由电子数目是固定不变的，而且不受温度影响，当温度升高时，材料中原子、分子的运动曾江，自由电子移动时与分子碰撞的可能性增加，因此，所受的阻力增大，即金属导体随温度升高电阻也增大了

电气设备中为什么绝缘电阻随温度升高而降低？

1、电介质电导的倒数即为介质的绝缘电阻。绝缘电阻在理论上应包括体积绝缘电阻和表面绝缘电阻两部分，通常所说的绝缘电阻一般指体积绝缘电阻。通过测量绝缘电阻可以判断绝缘是否受潮或有其它劣化现象。2、多层介质串联时在直流电压下各层的稳态电压分布与各层的电导成反比，故对直流设备应注意电导率的合理配合。3、电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导产生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升高，有时必须降低设备的工作电流。在一定的条件下，电导损耗还可能导致介质发生热击穿。电介质电导在工程上的意义1、介质损耗在外加电压下，电介质中的一部分电能转化为热能消耗在电介质中，称为介质损耗。2、介质损耗的原因（1）电导损耗—主要是由电导引起的。（2）极化损耗—偶极式极化+夹层式极化3、电离损耗电离：气体原子外层电子在外电场的作用下克服原子核的作用而形成自由电子，原子因失去电子而形成正离子的过程叫电离。电离的过程使游离的带电质点在电场的作用下碰撞气体分子使气体发热导致的能量损耗。电介质损耗的基本形成电介质的理论基础电阻性电流：(泄漏电流、电导电流)不随时间变化，绝缘受潮时比重加大。绝缘体的导电性：绝缘体在外加电压作用下的微小电流导通。导电性与所加电压、电压的频率、温度、所含杂质有关。无损极化电流：(几何电流)存在时间短。有损极化电流：(吸收电流)存在时间较长，绝缘受潮时，其持续时间变短。根据衰减的直流分量来判断绝缘是否受潮。

介质损耗的危害性介质损耗介质发热介质温度升高介质极化和电导（电离）加强损耗增大介质薄弱区域造成损害所以：介质损耗的大小反映了介质绝缘的优劣状况i—t曲线

ic：无损极化造成的电流（电子式极化+离子式极化）衰减时间短。

Ia：有损极化所造成的电流（偶极式极化+夹层式极化）衰减时间较长。

ig：电导电流。（恒定电流即泄漏电流）tiiiaicig直流电压下的介质损耗介质损耗的分析C0：反映无损极化形成的电容C0、ra：有损极化形成的电容和电阻。rg：介质的绝缘电阻。介质严重受潮后，吸收比为什么接近1？受潮绝缘戒指的吸收现象主要是在电源电场作用下形成夹层极化电荷，此电荷建立即形成吸收电流，由于水是强极性介质，又具有高电导而很快过渡为稳定的泄漏电流，故受潮介质吸收严重，吸收比接近1。rgigraiac0icca直流高压电介质直流下的等值电路（单层，多层）介质损耗的分析由前面等值电路的分析可知，电介质在直流电压作用下泄漏电流是逐渐衰减致稳定值的。这一现象在绝缘中称为吸收现象。依据吸收现象表现的情况也可以来判断绝缘的好坏。当绝缘干燥良好时，良好绝缘的吸收现象明显，故通常用加压后60s和15s的电阻比值作为判断依据，称为吸收比K。一般规定吸收比k≥1.3，表明绝缘干燥良好．

吸收现象与吸收比交流电压下介质损耗（1）电流相量图rgigraiac0icca交流高压本等值回路的电阻和电容分别

代表介质的总损耗（极化损耗和电导损耗）和介质的总电容（包括几何电容和夹层极化引起的电容增量）。φδUIcpIRI

电介质的并联等值回路

若损耗主要是由电导引起的一般采用并联等值回路。若损耗主要是由电介质极化和连接导线引起的则采用串联等值电路。交流电压下串联等值电路并联等值电路φδUIcpIRI介质损耗与介质损失角正切tgδ串联等值电路故当电介质在外加电压大小、频率、及被试品尺寸一定时，tgδ与P成正比。tgδ表达的是电介质有功电流和无功电流的比值，它如同介质的介电常数和电导率一样，仅取决于介质本身的特性和状况，与电压（在电压不是很高时）和试品的尺寸（绝缘体积）无关，因而不同的试品的tgδ可相互比较。故在工程上用tgδ来衡量介质损耗的大小。

电介质的有功损耗1、电源频率的影响2、温度的影响温度增加，tgδ逐渐增大。3、外加电压的影响工程上一般取外加额定电压为10KVωω0tgδU0Utgδ影响电介质tgδ的因素（1）选用绝缘介质，必须注意材料的tgδ。介质的损耗越大，交流下的发热越严重，这不仅使介质的容易劣化，严重时导致介质的热击穿。