第二章 電介質(zhì)理論(一)

1、1第二章第二章 電介質(zhì)的電氣性能（一）電介質(zhì)的電氣性能（一）2電介質(zhì)的電氣性能電介質(zhì)的電氣性能n研究電介質(zhì)電氣性能的意義研究電介質(zhì)電氣性能的意義n電介質(zhì)電氣性能的劃分電介質(zhì)電氣性能的劃分n電介質(zhì)的極化及介電常數(shù)電介質(zhì)的極化及介電常數(shù)n電介質(zhì)的電導(dǎo)特性電介質(zhì)的電導(dǎo)特性n電介質(zhì)中的能量損耗及介質(zhì)損失角正切電介質(zhì)中的能量損耗及介質(zhì)損失角正切n液體電介質(zhì)的擊穿液體電介質(zhì)的擊穿n固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿n電介質(zhì)的其它性能電介質(zhì)的其它性能 3一、研究電介質(zhì)電氣性能意義一、研究電介質(zhì)電氣性能意義n設(shè)備絕緣的基礎(chǔ)設(shè)備絕緣的基礎(chǔ)n超高壓大容量的發(fā)展超高壓大容量的發(fā)展n新材料促進(jìn)了電力工業(yè)的進(jìn)步新材料促進(jìn)

2、了電力工業(yè)的進(jìn)步n我國(guó)絕緣材料發(fā)展的現(xiàn)狀我國(guó)絕緣材料發(fā)展的現(xiàn)狀n加強(qiáng)絕緣材料的研究，促進(jìn)科技發(fā)展加強(qiáng)絕緣材料的研究，促進(jìn)科技發(fā)展4二、電介質(zhì)電氣性能的劃分二、電介質(zhì)電氣性能的劃分極化特性極化特性 電氣傳導(dǎo)特性電氣傳導(dǎo)特性 損耗特性損耗特性 電氣擊穿特性電氣擊穿特性極化特性：極化特性：指介電常數(shù)指介電常數(shù)損耗特性：損耗特性：介損介損tg電氣傳導(dǎo)特性：電氣傳導(dǎo)特性：載流子移動(dòng)、高場(chǎng)強(qiáng)下的電氣傳導(dǎo)機(jī)理載流子移動(dòng)、高場(chǎng)強(qiáng)下的電氣傳導(dǎo)機(jī)理等，電導(dǎo)等，電導(dǎo)G 或電阻或電阻 R電氣擊穿特性：電氣擊穿特性：包括擊穿機(jī)理、劣化、電壓包括擊穿機(jī)理、劣化、電壓-時(shí)間特性時(shí)間特性曲線（曲線（Vt ）等，擊穿電壓）等，

3、擊穿電壓UC 或擊穿或擊穿場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)EC5三、電介質(zhì)的極化與介電常數(shù)三、電介質(zhì)的極化與介電常數(shù)n電介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本形式電介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本形式n極化極化 (polarization)與電介質(zhì)與電介質(zhì) (dielectrics) n電介質(zhì)極化的基本類(lèi)型電介質(zhì)極化的基本類(lèi)型n電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)n討論極化的意義討論極化的意義6( (一一) )電介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本形式電介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本形式n形成分子和聚集態(tài)的各種健形成分子和聚集態(tài)的各種健離子健離子健共價(jià)鍵共價(jià)鍵分子健分子健n電介質(zhì)的分類(lèi)：根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)分為電介質(zhì)的分類(lèi)：根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)分為3類(lèi)類(lèi)非極性及弱極性電介質(zhì)非極性及弱極性電介質(zhì)偶極性

4、電介質(zhì)偶極性電介質(zhì)離子性電介質(zhì)離子性電介質(zhì)7極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象平板真空電容器電容：平板真空電容器電容：C0插入固體電解質(zhì)后電容：插入固體電解質(zhì)后電容：C= rC0電容量增大的原因在于電介質(zhì)的極化現(xiàn)象，電容量增大的原因在于電介質(zhì)的極化現(xiàn)象， 是由電介質(zhì)是由電介質(zhì)極化引起的束縛電荷極化引起的束縛電荷( (二二) )極化與電介質(zhì)極化與電介質(zhì) Vacuum + - + + - - E E E E0 8極化與電介質(zhì)極化與電介質(zhì)極化概念極化概念：電場(chǎng)中有電介質(zhì)時(shí)，由于電場(chǎng)的作用電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生形變，結(jié)果導(dǎo)致電介質(zhì)內(nèi)部電荷分布的變化。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)作極化 E0 極化前 極化后 + + + + + + + - - -

5、 - - - - 9偶極子偶極子(dipole)：?jiǎn)挝惑w積電介質(zhì)在施加電場(chǎng)前內(nèi)部的電荷是均勻分布的，在電場(chǎng)的作用下這些電荷發(fā)生位移，這個(gè)單位體積就形成一對(duì)偶極子極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度：偶極子的扭矩稱(chēng)作極化強(qiáng)度P每單位體積的電荷量：每單位體積的電荷量：極化電荷：極化電荷：P是電場(chǎng)作用下電介質(zhì)內(nèi)部呈現(xiàn)的電荷密度，稱(chēng)作極化電荷。這些電荷由于是極化引起的，不能單獨(dú)取出來(lái)真實(shí)電荷真實(shí)電荷: 導(dǎo)體中帶電的電荷可以自由地取出Pdivp10( (三）電介質(zhì)極化基本類(lèi)型三）電介質(zhì)極化基本類(lèi)型電介質(zhì)的極化有五種基本形式：電介質(zhì)的極化有五種基本形式：電子位移極化離子位移極化轉(zhuǎn)向極化夾層介質(zhì)界面極化空間電荷極化 11極化

6、機(jī)理：電子偏離軌道極化機(jī)理：電子偏離軌道介質(zhì)類(lèi)型：所有介質(zhì)介質(zhì)類(lèi)型：所有介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，建立極化時(shí)間：極短，10-14 10-15s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）溫度（無(wú)關(guān)）溫度（無(wú)關(guān)）極化彈性：彈性極化彈性：彈性消耗能量：無(wú)消耗能量：無(wú) 1. 1.電子位移極化電子位移極化12極化機(jī)理：正負(fù)離子位移極化機(jī)理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類(lèi)型：離子性介質(zhì)介質(zhì)類(lèi)型：離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，建立極化時(shí)間：極短，10-1210-13 s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）電源頻率（無(wú)

7、關(guān)）溫度（隨溫度升高而增加）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性極化彈性：彈性消耗能量：無(wú)消耗能量：無(wú) 2.2.離子位移極化離子位移極化13極化機(jī)理：極化機(jī)理：極性分子轉(zhuǎn)向介質(zhì)類(lèi)型：介質(zhì)類(lèi)型：偶極性及有離子弛豫性極化的離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：建立極化時(shí)間：需時(shí)較長(zhǎng)，10-610-2 s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)）溫度（溫度較高時(shí)降低，低溫段隨溫度增加）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有3.3.轉(zhuǎn)向極化（偶極弛豫極化）轉(zhuǎn)向極化（偶極弛豫極化）144.4.夾層介質(zhì)界面極化夾層介質(zhì)界面極化夾層介質(zhì)界面極化概念：夾層介質(zhì)界面極化概念： 當(dāng)當(dāng)t=0

8、: 當(dāng)當(dāng)t=: A C1 U B P G2 G1 C2 1221CCUU1221GGUU C1 U G2 G1 C2 15 一般有一般有 電荷重新分配，在兩層介質(zhì)的交界面處有積累電荷，這種極化形式稱(chēng)夾層介質(zhì)界面極化夾層介質(zhì)界面極化。 夾層界面上電荷的堆積是通過(guò)介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才有意義 1212GGCC16極化機(jī)理：極化機(jī)理：帶電質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)介質(zhì)類(lèi)型：介質(zhì)類(lèi)型：不均勻夾層介質(zhì)中建立極化時(shí)間：建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有1

9、7極化機(jī)理：極化機(jī)理：正負(fù)離子移動(dòng)介質(zhì)類(lèi)型：介質(zhì)類(lèi)型：含離子和雜質(zhì)離子的介質(zhì)建立極化時(shí)間：建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有5.5.空間電荷極化空間電荷極化18圖中：?jiǎn)挝幻娣e的電荷：真空中：E0= 0極化電荷密度為： 介質(zhì)中：E=(- )/0 rEE00r Vacuum + - + + - - E E E E0 （四（四) )電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)及其物理意義相對(duì)介電常數(shù)及其物理意義相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的

10、物理量19n氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近近1 1n氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小壓力的增大略有增加，但變化很小氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)20部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件 20, 1 atm20, 1 atm） 氣體種類(lèi)氣體種類(lèi)相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)氦氦1.000072氫氫1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095

11、二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空氣空氣1.0005921非極性和弱極性電介質(zhì)：非極性和弱極性電介質(zhì)：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r數(shù)值不大，在1.82.5范圍內(nèi)。介電常數(shù)和溫度的關(guān)系和單位體積中的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相似極性電介質(zhì)：極性電介質(zhì)：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等 r數(shù)值在26范圍內(nèi)。還能用作絕緣介質(zhì)強(qiáng)極性電介質(zhì)：強(qiáng)極性電介質(zhì)：如酒精、水等 r10，此類(lèi)液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大液體電介質(zhì)的介電常數(shù)液體電介質(zhì)的介電常數(shù)22根據(jù)轉(zhuǎn)向極化的特點(diǎn)，對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻變化的趨勢(shì)作出解釋?zhuān)?（1）T不變 f增大，r 減小 （2）f不變 T

12、升高，r先增后減0246-30-10103050溫度T ()相對(duì)介電常數(shù)f1f3f2頻率頻率 f1f2f3介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）23非極性和弱極性固體電介質(zhì)：非極性和弱極性固體電介質(zhì)： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無(wú)機(jī)玻璃等都屬此類(lèi) 電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化， r不大，通常在2.02.7范圍 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系也與單位體積內(nèi)的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相近極性固體電介質(zhì)：極性固體電介質(zhì)： 樹(shù)脂、纖維、橡膠、蟲(chóng)膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等 r 較大，一般為36，還可能更大。 r和T及f的關(guān)系和極性液體的相似離子性電介

13、質(zhì)：離子性電介質(zhì)： 如陶瓷，云母等，相對(duì)介電常數(shù)r 一般在58左右固體電介質(zhì)的介電常數(shù)固體電介質(zhì)的介電常數(shù)24 ( (五）討論極化的意義五）討論極化的意義n選擇絕緣選擇絕緣 在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除了考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r 對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r 較大的介質(zhì) 對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇r 較小的介質(zhì)25( (五）討論極化的意義五）討論極化的意義n多層介質(zhì)的合理配合多層介質(zhì)的合理配合 對(duì)于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其r 成反比，要注意選擇r ，使各層介質(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用n研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù)研究介質(zhì)損耗的理論依

14、據(jù) 極化形成和介質(zhì)損失有關(guān)，要掌握不同極化類(lèi)型對(duì)介質(zhì)損失的影響n電氣預(yù)防性試驗(yàn)：電氣預(yù)防性試驗(yàn)：項(xiàng)目的理論根據(jù)n研發(fā)新型材料研發(fā)新型材料26 平行平板電極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時(shí)未發(fā)生間隙擊穿，當(dāng)板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板(r=2.3)時(shí)，問(wèn)此時(shí)是否會(huì)發(fā)生間隙擊穿現(xiàn)象？為什么？并請(qǐng)計(jì)算插入聚乙烯板前后的各介質(zhì)中的電場(chǎng)分布。電介質(zhì)極化應(yīng)用實(shí)例一電介質(zhì)極化應(yīng)用實(shí)例一27解：解：(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm(2)插入后：Vs/Va= a / s，得 Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV)Es=16.7 kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV)Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)故插入聚乙烯