哈工大高電壓技術 1 液體和固體介質的極化、電導和損耗

在電氣作用下，電介質中出現(xiàn)的電氣特性可分為兩大類：

弱電場：電場強度比擊穿場強小得多電介質的極化、電導、介質損耗等電氣特性

強電場：電場強度等于或大于起始放電場強或擊穿場強電介質的放電、閃絡、擊穿特性第二章液體和固體介質的電氣特性電介質的電氣特性表現(xiàn)在電場作用下的（液體、固體）導電性能介電性能電氣強度液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣。常用的液體和固體介質：

液體介質：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠第一節(jié)電介質的極化、電導和損耗

電介質的極化

電介質的電導

電介質的損耗

一、電介質的極化

電介質的極化：電介質在電場作用下，正負電荷的定向移動圖6.1極化現(xiàn)象（a）電極間為真空（b）電極間有固體介質在外施電場作用下，此固體介質中原來彼此中和的正、負電荷產生了位移，形成電距，使介質表面出現(xiàn)了束縛電荷，相應地便在極板上另外吸住了一部分電荷Q’，所以極板上電荷增多，并造成電容量增大

放置固體介質時,電容量將增大為:相對介電常數(shù)：

ε0---真空的介電常數(shù)

ε---介質的介電常數(shù)

εr---介質的相對介電常數(shù)

A---極板面積，cm2

d---極間距離，cm

εr是反映電介質極化特性的一個物理量。圖6.1極化現(xiàn)象（a）電極間為真空（b）電極間有固體介質對于平行平板電容器，極間為真空時：可見，氣體εr接近于1，液體和固體的εr各不相同，大多在2～6之間。(一)電子式極化

在外電場的作用下，介質原子中的電子軌道將相對于原子核發(fā)生彈性位移。正負電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應偶極矩，其值為,（矢量的方向為由－q指向＋q）。這種極化稱為電子式極化或電子位移極化。圖6-2電子式極化

電子式極化存在于一切電介質中，它的特點：

完成極化需要的時間極短，10-15s；

外場消失，整體恢復中性，所以這種極化不產生能量損耗，不會使介質發(fā)熱；

其介電系數(shù)有負的溫度系數(shù)，但溫度影響極小，工程上忽略。(二)離子式極化

固體有機化合物大多屬離子式結構，無外電場時，晶體的正、負離子對稱排列，各個離子對的偶極矩互相抵消，故平衡極矩為零。圖6-3離子式極化

在出現(xiàn)外電場后，正、負離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈現(xiàn)極化。離子式極化的特點：1、離子相對位移有限，外電場消失后即恢復原狀；2、所需時間很短，其幾乎與外電場頻率無關。圖6-3電子式極化溫度對離子式極化的影響：2、離子的密度隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前一種影響較大，故其一般具有正的溫度系數(shù)。1、離子間的結合力會隨溫度的升高而減小，從而使極化程度增強；(三)偶極子式極化

極性電介質：偶極子是正、負電荷作用中心不重合的分子，分子本身有一個永久性的偶極矩，由極性分子組成的電介質稱為極性電介質。

極性分子不存在外電場時，極性分子的偶極子因熱運動而雜亂無序的排列著，如圖（a）所示，宏觀電矩等于零，因而整個介質對外并不表現(xiàn)出極性。

出現(xiàn)外電場后，原先排列雜亂的偶極子將沿電場方向轉動，作較有規(guī)則的排列，如圖（b）所示，因而顯示出極性。這種極化稱為偶極子極化或轉向極化。

偶極子極化是非彈性的，極化過程需要消耗一定的能量，極化所需的時間也較長，10－10～10－2s，所以極性電介質的值與電源頻率有較大關系偶極子極化與頻率f的關系：圖6-5

頻率太高時，偶極子將來不及轉動，因而其值變小，如圖所示。其中相當于直流電場下的相對介電常數(shù)，f>f1以后偶極子將越來越跟不上電場的交變，值不斷下降；當f＝f2

時，偶極子已完全不跟著電場轉動了，這時只存在電子式極化，減小到圖6-5

對極性液體和固體介質，溫度很低時，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉動比較困難，所以很小。液體、固體介質的在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動變得較強烈時，分子熱運動阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，又開始隨著溫度的上升而減小。圖6-6偶極子極化與溫度t的關系：(四)夾層介質界面極化

凡是由不同介電常數(shù)和電導率的多種電介質組成的絕緣結構，在加上外電場后，各層電壓將從開始時按介電常數(shù)分布逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時按電導率分布。在電壓重新分配的過程中，夾層界面上會積聚起一些電荷，使整個介質的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質界面極化，簡稱夾層極化。t=0時合上開關，電壓分配與電容成比例：圖6-7夾層介質界面極化現(xiàn)象一般即C1、C2上的電荷需要重新分配

于是分界面上將積聚起一批多余的空間電荷，這就是夾層極化引起的吸收電荷

由于這種極化涉及電荷的移動和積聚，必然伴隨能量損耗，而且過程較慢，一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時，所以這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來

用于電容器的絕緣材料，顯然希望選用εr大的電介質，因為這樣可使單位電容的體積減小和重量減輕

其他電氣設備中往往希望選用εr較小的電介質，這是因為較大的εr，往往介質損耗也較大

采用εr較小的絕緣材料還可減小電纜的充電電流了解電介質的極化在工程上的意義

在幾種絕緣材料組合使用時，應注意各種材料的εr的配合，使電場分布較為合理二、電介質的電導

電導率表征電介質導電性能的主要物理量，其倒數(shù)為電阻率。按載流子的不同，電介質的電導又可分為：2、電子電導：1、離子電導：（1）液體介質的電導中性和弱極性液體，在純凈時，電導很小，而當含有雜質和水分時，其電導顯著增加，絕緣性能下降，其電導主要由雜質離子構成。極性和強極性液體介質，其分解作用很強，離子數(shù)多，電導很大；一般情況下，不能作絕緣材料。液體的分子結構、極性強弱、純凈程度、介質溫度等對電導影響很大，各種液體電介質的電導可能相差懸殊，工程上常用的變壓器油、漆和樹脂等都屬于弱極性。（2）固體介質的電導固體介質電導由離子電導和電子電導兩部分。離子電導很大程度取決于介質中所含雜質，特別是對中性及弱極性介質，雜質離子起主要作用。當電場很高時，由于碰撞電離和陰極電子發(fā)射，電子電導急增，預示絕緣接近擊穿。中性和弱極性介質，水分子與固體介質分子的附著力很小，水分不易在介質表面形成連續(xù)水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面電阻較高，電導較小，稱這類介質為憎水性介質。極性介質及離子性介質，水分子與固體介質分子的附著力很強，在介質表面形成連續(xù)水膜，表面電導較大，且與濕度有關，稱這類介質為親水性介質。固體、液體介質的電導率與溫度T的關系：式中：A、B

為與介質有關的常數(shù)，其中固體介質的常數(shù)B

通常比液體介質的B值大的多。T

為絕對溫度，單位為K

。該式表明,隨溫度T按指數(shù)規(guī)律上升理論和實踐都已證明：三、電介質的損耗(一)電介質的損耗的基本概念介質損耗：在電場作用下電介質中總有一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化（例如偶極子、夾層極化）引起的損耗，總稱介質損耗直流下：電介質中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數(shù)值，介質中的損耗將主要由電導組成，所以用體積電導率和表面電導率就能說明問題；交流電壓下：除了電導損耗外，還有由于周期性極化而引起的能量損耗。交流時：流過電介質的電流此時介質的功率損耗：式中：—電源角頻率；－功率因數(shù)角；－介質損耗角。圖6-8

:代表介質的無損極化（電子式和離子式極化）:代表介質的有損極化（偶極子式和夾層界面極化）:代表電導損耗圖6-9電介質的三支路等值電路和相量圖

介質損耗角δ為功率因數(shù)角的余角，其正切tgδ又可稱為介質損耗因數(shù)，常用百分數(shù)（％）來表示。通常采用介質損耗角正切tgδ作為綜合反映電介質損耗特性優(yōu)劣的一個指標。與介質的相對介電常數(shù)εr一樣，它是僅決定于材料損耗特性與其他外界因素無關的物理量(二)氣體、液體和固體介質的損耗1、氣體介質損耗

氣體中的電場強度達到放電起始場強E0時，氣體中發(fā)生局部放電，這時損耗將急劇增大。氣體介質的tgδ與電場強度的關系

損耗主要由電導引起，其損耗率（單位體積電介質的功率損耗）為：式中：-電介質的電導率，S/cm；E-電場強度V/cm。（W/cm2）

與溫度有指數(shù)關系，P0也以指數(shù)規(guī)律隨溫度的上升而增大2、液體介質損耗（1）中性和弱極性液體介質

在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小，隨著溫度的升高，液體的粘度減小，偶極子轉向極化增加，電導損耗也在增大，所以總的亦上升，并在t＝t1時達到極大值；（2）極性液體介質

在t1<t<t2的范圍內，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導損耗的增加，所以總的曲線隨t的升高而下降，并在t=t2時達到極小值。

在t>t2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而就隨時間t的上升而持續(xù)增大。3.固體介質損耗(1)無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃

云母：由電導引起損耗，介質損耗小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷：既有電導損耗，又有極化損耗；20oC和50Hz時,＝2％～5％；玻璃：電導損耗＋極化損耗，損耗與玻璃成分有關。(2)有機絕緣材料可分為非極性和極性

非極性有機電介質：只有電子式極化，損耗取決于電導；其與頻率幾乎無關

極性有機電介質：極化損耗使總損耗較大；其與溫度、頻率的變化關系與極性液體介質相似討論介質損耗的意義

設計絕緣結構時，應注意絕緣材料的tg