电介质极化与介电常数.ppt

电介质的电气性能电介质的电气性能 研究电介质电气性能意义研究电介质电气性能意义 设备绝缘的基础设备绝缘的基础 超高压大容量的发展超高压大容量的发展 新材料促进了电力工业的进步新材料促进了电力工业的进步 我国绝缘材料发展的现状我国绝缘材料发展的现状 加强绝缘材料的研究，促进科技发展加强绝缘材料的研究，促进科技发展 电介质电气性能的划分电介质电气性能的划分 四个电气性能：四个电气性能：电介质极化特性、电介质损耗特性、电介质极化特性、电介质损耗特性、 电气传导特性、电气击穿特性电气传导特性、电气击穿特性 介介 电电 特特 性：性： 电气传导特性：电气传导特性： 如载流子移动、高场强下的电气传导如载流子移动、高场强下的电气传导 机理等；主要物理量为绝缘电导和泄漏电流机理等；主要物理量为绝缘电导和泄漏电流 电气击穿特性：电气击穿特性： 包括击穿机理、劣化、电压包括击穿机理、劣化、电压- -时间特时间特 性曲线（性曲线（V-tV-t）等；主要物理量为击穿场强等；主要物理量为击穿场强 电介质极化机理，主要物理量为介电常数电介质极化机理，主要物理量为介电常数 电介质损耗机理，主要物理量为介损电介质损耗机理，主要物理量为介损tgtg 电介质物质结构的基本形式电介质物质结构的基本形式 形成分子和聚集态的各种健形成分子和聚集态的各种健 离子健离子健 共价键共价键 分子健分子健 电介质的分类：根据化学结构分为电介质的分类：根据化学结构分为3 3类类 非极性及弱极性电介质非极性及弱极性电介质 偶极性电介质偶极性电介质 离子性电介质离子性电介质 Na 11 28 1 离子结构电介质离子结构电介质 ( (岩盐岩盐) ) NaCl 共共价键价键 + 中性共价键中性共价键 极性共价键极性共价键 H + = H 一、电介质的极化及一、电介质的极化及 介电常数介电常数 极化现象极化现象 平板真空电容器电容量平板真空电容器电容量 ： 插入固体电解质后电容量插入固体电解质后电容量 ： 相对介电常数：相对介电常数： 相对介电常数是反映电介相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量质极化程度的物理量 由电介质极化引起的由电介质极化引起的 束缚电荷束缚电荷 极化概念：极化概念：电场中有电介质时，由于电场的作用电介电场中有电介质时，由于电场的作用电介 质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变 化。这个过程称作极化化。这个过程称作极化 偶极子偶极子( (dipole)dipole)：单位体积电介质在施加电场前内单位体积电介质在施加电场前内 部的电荷是均匀分布的，在电场的作用下这些电荷部的电荷是均匀分布的，在电场的作用下这些电荷 发生位移，这个单位体积就形成一对偶极子。发生位移，这个单位体积就形成一对偶极子。 极化强度：极化强度：偶极子的扭矩称作极化强度偶极子的扭矩称作极化强度P P。 极化电荷极化电荷( (polarization charge) polarization charge) ： P P 是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度，称作极是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度，称作极 化电荷化电荷。 均匀极化均匀极化( (uniform polarization)uniform polarization)： 绝缘体内部任何地方电荷的位移相同时叫做均匀极化绝缘体内部任何地方电荷的位移相同时叫做均匀极化。 这些电荷由于是极化引起的，不能单独取出来这些电荷由于是极化引起的，不能单独取出来 真实电荷：真实电荷：与之相对应，导体中带电的电荷可以自由地与之相对应，导体中带电的电荷可以自由地 取出，称作真实电荷。取出，称作真实电荷。 具备有这种特性的物质称作具备有这种特性的物质称作 电介质电介质 由由P P可得每单位体积的电荷量可得每单位体积的电荷量 ： 电介质的极化有五种基本形式：电介质的极化有五种基本形式： 电子位移极化电子位移极化 离子位移极化离子位移极化 转向极化转向极化 夹层介质界面极化夹层介质界面极化 空间电荷极化空间电荷极化 一、电子的位移极化一、电子的位移极化 当物质原子里的电子轨道受当物质原子里的电子轨道受 到外电场到外电场 E E 的作用时，其负电荷的作用时，其负电荷 作用中心相对于原子核产生位移作用中心相对于原子核产生位移 ，形成电矩，称电子的位移极化，形成电矩，称电子的位移极化 。 特点：特点： 1 1、电子位移极化存在于一切气体、电子位移极化存在于一切气体 、液体及固体介质中、液体及固体介质中 2 2、具有弹性，当外电场去掉后，、具有弹性，当外电场去掉后， 依靠正、负电荷间的吸引力依靠正、负电荷间的吸引力 ，作用中心又马上会重合，作用中心又马上会重合， 对外不显电性对外不显电性 3 3、极化速度快，、极化速度快，1010-14 -1410 10-15 -15秒， 秒， 在各种频率的交变电场下均在各种频率的交变电场下均 能产生，与频率无关能产生，与频率无关 4 4、极化强度与电矩的大小成正比、极化强度与电矩的大小成正比 ，且随着外电场的增强而增，且随着外电场的增强而增 大大 5 5、与温度无关、与温度无关 6 6、不引起能量损耗、不引起能量损耗 极化机理：极化机理： 二、离子的位移极化二、离子的位移极化 在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极 性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化 极化机理：极化机理： 特点：特点： 1 1、有弹性，可恢复、有弹性，可恢复 2 2、极化完成、极化完成时间约为时间约为 l0l0-12 -12-10 -10-13 -13s s， ，当交变电场的频率当交变电场的频率 低于红外线光频率，低于红外线光频率，离子的位移极化与频率无关离子的位移极化与频率无关 3 3、极化程度与电场强度成正比、极化程度与电场强度成正比 4 4、温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素； 即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增 加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程 度降低。通常前一种因素影响较大度降低。通常前一种因素影响较大 5 5、有极微量的能量损耗有极微量的能量损耗 三、极性分子的转向极化三、极性分子的转向极化 在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排 列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化 极化机理：极化机理： (a)无外电场 E=0 -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ - + - + - + - + - + (b)有外电场 +-+-+-+- +-+- +-+-+-+- +-+- E + - 特点：特点： 1 1、有弹性，可恢复、有弹性，可恢复 2 2、与频率有关，与频率有关，极化完成极化完成时间约为时间约为 l0l0-6 -6-10 -10-2 -2s s， ，甚至更长，甚至更长， 有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小 3 3、与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就、与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就 越整齐，转向极化就越强越整齐，转向极化就越强 4 4、与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热、与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热 运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。 对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系 紧紧( (例如粘度很大例如粘度很大) )，分子难以转向极化较弱。所以极，分子难以转向极化较弱。所以极 性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强， 以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小 5 5、有能量损耗、有能量损耗 四、夹层极化四、夹层极化 高电压设备的绝高电压设备的绝 缘由几种不同的缘由几种不同的 材料组成，或介质不均匀，这种情况材料组成，或介质不均匀，这种情况 会出现会出现“ “夹层介质界面夹层介质界面 极化极化” ”现象。现象。 合闸时：合闸时： 稳态时：稳态时： 当当 ： 则则 ： 存在电压从新分配，电荷存在电压从新分配，电荷 在介质空间从新分布，夹层界在介质空间从新分布，夹层界 面由电荷堆积的过程，从而产面由电荷堆积的过程，从而产 生电矩生电矩 极化机理：极化机理： 设：设： T=0 T=0 时时: : T T 时：时： 整个介质等值电容：整个介质等值电容： 增大了增大了 特点：特点： 1 1、只在低频下有意义，夹层界面上电荷的堆积是通、只在低频下有意义，夹层界面上电荷的堆积是通 过介质电导过介质电导GG完成的，其过程很缓慢，它的形成完成的，其过程很缓慢，它的形成 时间从几十分之时间从几十分之秒到儿分钟，甚至有长达几小秒到儿分钟，甚至有长达几小 时的。时的。 2 2、与电场强度和温度有关、与电场强度和温度有关 3 3、有能量损耗、有能量损耗 4 4、出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感、出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感 器、电抗器等复合绝缘中器、电抗器等复合绝缘中 五、空间电荷极化五、空间电荷极化 极化机理：极化机理：正负离子移动正负离子移动 介质类型：介质类型：含离子和杂质离子的介质含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：建立极化时间：很长很长 极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关）电场强度（有关） 电源频率（低频下存在）电源频率（低频下存在） 温度（有关）温度（有关） 极化弹性：极化弹性：非弹性；非弹性； 消耗能量：消耗能量：有有 E 空间电荷极化 - _ + + + _ _ 名名 称称 产生极化的地方、产生极化的地方、 特征等特征等 到达平衡到达平衡 的时间的时间 发生极化的原因发生极化的原因 电子式极化电子式极化 离子式极化离子式极化 偶极子极化偶极子极化 夹层介质界面极化夹层介质界面极化 空间电荷极化空间电荷极化 任何物质的原子中任何物质的原子中 离子组成的物质离子组成的物质 极性分子组成的物质极性分子组成的物质 复合介质的交界面复合介质的交界面 电极近旁电极近旁 1010-15 -15秒 秒 1010-13 -13秒 秒 1010-10 -10 10 10-2 -2秒 秒 数秒数秒 数日数日 数秒数秒 数日数日 束缚电荷的位移束缚电荷的位移 自由电子的移动自由电子的移动 电介质极化的概要电介质极化的概要 材料类别材料类别名称名称 相对介电常数相对介电常数 r r （2020） 气体介质（标准大气条件）气体介质（标准大气条件） 空空 气气1.000581.00058 液体介质液体介质 弱极性弱极性 变压器油变压器油 硅有机液体硅有机液体 2.2 2.52.2 2.5 2.2 2.82.2 2.8 极极 性性 蓖麻油蓖麻油 氯化联苯氯化联苯 4.54.5 4.6 5.24.6 5.2 强极性强极性 丙丙 酮酮 酒酒 精精 水水 2222 3333 8181 固体介质固体介质 中性或中性或 弱极性弱极性 石石 蜡蜡 聚苯乙烯聚苯乙烯 聚四氯乙烯聚四氯乙烯 松松 香香 沥沥 青青 2.0 2.52.0 2.5 2.5 2.62.5 2.6 2.0 2.22.0 2.2 2.5 2.62.5 2.6 2.6 2.72.6 2.7 极极 性性 纤维素纤维素 胶胶 水水 聚氯乙烯聚氯乙烯 沥沥 青青 6.56.5 4.54.5 3.0 3.53.0 3.5 2.6 2.72.6 2.7 离子性离子性 云云 母母 电电 瓷瓷 5 75 7 5.5 6.55.5 6.5 几种介电质的介电常数几种介电质的介电常数 讨论电介质极化的意义：讨论电介质极化的意义： 1 1、选择绝缘：、选择绝缘： 电容器电容器 大大 电容器单位容量体积和重可减少电容器单位容量体积和重可减少 电缆电缆 小小 可使电缆工作时充电电流减小可使电缆工作时充电电流减小 电机定子线圈槽出口和套管电机定子线圈槽出口和套管 小小, ,可提高沿面放电电压可提高沿面放电电压 2 2、多层介质的合理配合：、多层介质的合理配合： 电场分布与电场分布与 成反比成反比 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理 3 3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因劣化和热击穿的主要原因 4 4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁成威胁 5 5、研发新型绝缘材料、研发新型绝缘材料 电介质极化应用实例一：电介质极化应用实例一：平行平板电极间距离平行平板电极间距离 为为2 2 cmcm，在电极上施加在电极上施加55 55 kVkV的工频电压时未的工频电压时未 发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1 1 cmcm的的 聚乙烯板（聚乙烯板（ r r =2.3=2.3）时，问此时会发生间隙击时，问此时会发生间隙击 穿现象否？为什么？并请计算插入聚乙烯板前穿现象否？为什么？并请计算插入聚乙烯板前 后的各介质中的电场分布。后的各介质中的电场分布。 解：解： (1)(1)插入前：插入前：E E a a =V=V 0 0 /d=55/2=27.5 kV/cm/d=55/2=27.5 kV/cm (2)(2)插入后：插入后：Vs/Vs/VaVa= = a a / / s s ，得得V V a a =2.3V=2.3V s s V V0 0 =V=V s s +VaVa=3.3V=3.3V s s V Vs s =V=V 0 0 /3.3=55/3.3=16.7 (kV)/3.3=55/3.3=16.7 (kV) E Es s =16.7 kV/cm=16.7 kV/cm V Va a =V=V 0 0 -V-V s s =55-16.7=38.3 (kV)=55-16.7=38.3 (kV) E Ea a =38.3 kV/cm30 kV/cm=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿故插入聚乙烯板后空气间隙击穿 电介质极化应用实例二：电介质极化应用实例二：对于同轴电缆，可采用对于同轴电缆，可采用 多层介质，在靠近内电极处采用介电常数大的好多层介质，在靠近内电极处采用介电常数大的好 处是什么？为什么？从介电常数的角度来分析油处是什么？为什么？从介电常数的角度来分析油 纸绝缘在套管中是如何改善电场分布的。目前固纸绝缘在套管中是如何改善电场分布的。目前固 体绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选体绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选 择呢？择呢？ The EndThe End Thank YouThank You 气体电介质的介电常数气体电介质的介电常数 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化 率很小，一切气体的相对介电常数都接近率很小，一切气体的相对介电常数都接近1 1。 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力 的增大略有增加，但变化很小。的增大略有增加，但变化很小。 部分气体的相对介电常数部分气体的相对介电常数 环境条件环境条件20, 1 20, 1 atm atm 气体种类相对介电常数 氦1.000072 氢1.000027 氧1.00055 氮1.00060 甲烷1.00095 二氧化碳1.00096 乙烯1.00138 空气1.00059 液体电介质的介电常数液体电介质的介电常数 非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多，属于这类的液体电介质有很多， 如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都 不大，其值在不大，其值在1.82.81.82.8范围内。介电常数和温度的关系和范围内。介电常数和温度的关系和 单位体积中的分子数与温度的关系相似单