电介质电导和损耗

电介质电导和损耗第1页，课件共41页，创作于2023年2月电介质中的传导电流

电气传导电流概念：是表征单位时间内通过某一截面的电量

传导电流的组成：电介质中的传导电流含漏导电流和位移电流两个分量

漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的

位移电流：由电介质极化造成的吸收电流 第2页，课件共41页，创作于2023年2月电介质电导—充电电流

—吸收电流（数分钟以上）

—泄漏电流

电介质中的电导是由于电介质的基本物质及其中所含杂质分子的化学分解或热离解形成带电质点(电子、正离子、负离子)，沿电场方向移动而造成的。它是离子式的电导，也就是电解式的电导。测量介质中电流的电路图固体介质中的电流与时间的关系第3页，课件共41页，创作于2023年2月

漏导电流密度:可由迁移中的载流子密度n及其迁移速度Vd获得 式中E为施加电场强度，e为载流子的电荷量，μ为载流子的迁移率第4页，课件共41页，创作于2023年2月

漏导电导率和电阻率分别为

电导率σ： 电阻率ρ：第5页，课件共41页，创作于2023年2月

电介质中电导特性划分

以载流子的性质划分，电导（这里指漏导，以下无特别说明均指漏导）可以分为电子性电导和离子性电导。 无论是何种电导类型，在低场强下电压-电流的关系遵循欧姆定律。在高场强下离子性电导:第6页，课件共41页，创作于2023年2月

电子性电导：根据电子在导带、价带、电极和不纯物的状态之间的跳跃方式的不同可分为各种不同的电导过程。 其主要形式为能带模型、跳跃模型、空间电荷制约电流模型、电子雪崩电流、光传导电流、场致发射电流等第7页，课件共41页，创作于2023年2月

电子性电导例一：ShottkyEffect 当施加电场时，阻碍电子飞出金属的位垒高度因电场的作用而使实际的位垒高度下降，导致由电极发射到介质导带的电子的增加，其结果是第8页，课件共41页，创作于2023年2月

电子性电导例二：Poole-FrenkelEffect 肖特基效应是电场的作用下实际位垒高度下降引起的电流的增加，而Poole-Frenkel效应是电介质内部因电场的作用引起实际位垒高度下降，进而使得介质内部发射到导带上的电子增加，也即电流的增加，结果表现为第9页，课件共41页，创作于2023年2月

电子性电导例三：TunnelEffect 在电子获得的能量远大于位垒高度，而且薄膜厚度小于数百Å时，电子象跨过隧道似的贯穿两金属电极间的介质而引起两金属电极间的电流，产生隧道效应，此时之间的关系是斜率为负的直线关系。和其他电导过程不同，隧道效应电流与温度无关第10页，课件共41页，创作于2023年2月

Shottky和TunnelEffect是电极发射控制电导的过程 而Poole-FrenkelEffect则是体积发射控制电导的过程第11页，课件共41页，创作于2023年2月

聚乙烯的电流-时间特性例：在温度高于室温附近要达到稳定的漏导电流需要几个小时的时间，在更低的温度下，即20℃时，电流很难趋向稳定的漏导电流。 所以通常的1min绝缘电阻测量仅仅是为了工程上的方便，实际上并没有物理意义，关于这一点必须注意。第12页，课件共41页，创作于2023年2月

一、气体电介质的电导：

气体中无吸收电流； 气体离子的浓度约为500~1000对/cm2；

分成三个区域

区域1：E≈5×10-3V/cm，电流密度j随着E增加而增加；

区域2：当E进一步增大，j趋向饱和；

以上两者的电阻率约1022Ω•cm量级。

区域3：当场强超过E2≈103V/cm时，气体电介质将发生碰撞电离，从而使气体电介质电导急剧增大气体电介质中的电流密度—场强特性第13页，课件共41页，创作于2023年2月二、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。

特点：1、与纯净度有关:杂质越多，电导越大2、与介质分子的离解度有关:介电常数越大，电导越大3、与温度有关温度升高液体电介质粘度降低，离子迁移率增加，电导增大温度升高液体电介质或离子的热离解度增加，电导增大

A、B—常数；T—绝对温度—电导率4、与电场强度有关:当场强到达一定程度后，电导将迅速增大见表见图见图第14页，课件共41页，创作于2023年2月

用三电极法测量介质的体积电阻率ρV为

式中S为测量电极的面积，d为介质厚度，RV由测量的漏导电流ig及电压值决定，RV=U/ig。那么介质的体积电导率γV则为三、固体电介质的体积电导离子电导：带电粒子是离子，低电场电导区（介质的工作范围），以离子电导为主电子电导：带电粒子是电子，高电场电导区，以电子电导为主第15页，课件共41页，创作于2023年2月特点：1、与温度有关，与液体类似2、与电场强度有关：当电场强度大于某一定值时3、与杂质有关：合成高分子绝缘材料的催化剂、增塑剂、填料（以增大机械强度，改善耐弧性、耐热性等）；多孔性纤维材料易吸入水分等—电导率与电场强度无关时的电导率—电导率与电场强度无关时的最大电场强度—与材料性质有关的常数见图见表第16页，课件共41页，创作于2023年2月

由体积电阻率划分各种介质的结果导电状态超导体导体半导体绝缘体电阻率[Ω·cm]

10-6~10-210-2~109109~1022介质

金属无机、有机物无机、油、有机第17页，课件共41页，创作于2023年2月单位Ω

介质的表面电阻率和电导率：l代表两电极间距，b代表电极长。实际测量时用平行电极存在极间场强不均匀的问题需加保护电极，或者用三电极法上的同心圆环测量四、固体电介质的表面电导由附着于介质表面的水分和污秽引起第18页，课件共41页，创作于2023年2月特点：1、与环境因素有关2、与绝缘材料的憎水性有关3、与绝缘材料的性质有关

如：·电瓷能被水湿润，但表面无脏物时，即使在潮湿环境仍能保持相当大的电阻率·大部分玻璃部分溶于水，但表面电阻较小，而且与温度关系较大·多孔性纤维材料不仅表面电阻小，体积电阻也小见表第19页，课件共41页，创作于2023年2月讨论介质电导的意义1、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它劣化现象。在试验中需注意将表面电导与体积电导区别开来。2、串联的多层介质在直流电压下的稳态电压分布与各层的电导成反比，要合理选材直流电缆在运行时，由于芯线附近的温度较铅层附近处高，所以芯线附近绝缘电阻下降会使该处场强下降，而其它部分的场强将相应增加，这种情况在设计时要充分予以注意。3、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。

4、某些能量较小的高压电源，应注意减小绝缘材料的表面泄漏电流。5、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稽口部分涂半导体漆等，都是为了改善电压分布，以消除电晕。见图第20页，课件共41页，创作于2023年2月电介质损耗第21页，课件共41页，创作于2023年2月—真空和无损极化引起的电流密度—漏导引起的电流密度—有损极化引起的电流密度损耗角正切：单位体积介质中的损耗功率：含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：因为：所以：第22页，课件共41页，创作于2023年2月电导损耗极化损耗包括均匀介质中总的有功损耗：第23页，课件共41页，创作于2023年2月1、气体电介质中的损耗1、当场强不足以产生碰撞电离时气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（＜10-8）2、当外施电压U超过局放起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加，这在高压输电线上是常见的，称为电晕损耗。第24页，课件共41页，创作于2023年2月2、液体电介质中的损耗t＜t1时：电导和极化损耗都很小，随着温度的升高，极化损耗显著增加t1＜t＜t2:由于分子热运动加快，妨碍极性分子的转向极化，极化损耗的减小比电导损耗的增加更快t＞t2时：电导损耗占主要部分非极性或弱极性电介质损耗很小，损耗主要由电导决定第25页，课件共41页，创作于2023年2月损耗主要由电导决定第26页，课件共41页，创作于2023年2月1、损耗功率P：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的变化，损耗功率趋于恒定2、介电常数：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的变化，介电常数也达到较低的稳定值3、损耗：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的变化，与频率成反比地减小tg∝p/fr第27页，课件共41页，创作于2023年2月3、固体电介质中的损耗1、极性固体电介质包括：纤维材料——纸、纤维板等结构不紧的材料含有极性基的有机材料——聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等2、极性固体电介质的与温度、频率的关系和极性液体相似，其值较大，高频下更为严重，第28页，课件共41页，创作于2023年2月1、不均匀结构的电介质包括：电机绝缘中用的云母制品(是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质)被广泛使用的油浸纸、胶纸绝缘等。2、不均匀结构的电介质的：取决于其中各成分的性能和数量间的比例峰值可能由纸极化损耗引起峰值可能由复合胶极化损耗引起第29页，课件共41页，创作于2023年2月1、反映单位体积中的损耗，与绝缘体的体积大小无关例1：当试品绝缘有两种不同绝缘并联组成

则：

当C2/Cx越小，C2中缺陷（增大）在测整体的时越难发现解决办法是分解测量（如分别对变压器线圈和套管的进行测量）

例2：当集中性缺陷所占的体积相对于被试绝缘的体积越小，则集中性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗中的比重越小如：电机、电缆设备，被试绝缘体积较大，虽然集中性缺陷的发展是运行中故障的主要原因，但测很难发现，一般不测电介质损耗的特点及影响因素第30页，课件共41页，创作于2023年2月2、与温度和频率有复杂的关系3、与试验电压的关系当所加试验电压足以使绝缘中的气泡游离或足以使绝缘产生电晕或局部放电等情况时，的值将随试验电压的升高而迅速增大。因此，测定所用的电压，最好接近于被试品的正常工电压，所加电压过低不易发现绝缘中的缺陷；而过高则容易对绝缘造成不必要的损伤．第31页，课件共41页，创作于2023年2月1、在绝缘预防性试验中，是一基本测试项目，当绝缘受潮或劣化时急创上升。绝缘内部是否普遍发生局部放电，也可以通过测~U的关系曲线加以判断2、绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的，如过大而引起严重发热，将使材料容易劣化，甚至可能导致热不稳定——热击穿3、用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的必须很小，否则冲击波在电缆中传播时波形将发生严重畸变，影响测量精确度4、但介质损耗引起的介质发热有时也可以利用讨论电介质损耗的意义第32页，课件共41页，创作于2023年2月TheEndThankYou第33页，课件共41页，创作于2023年2月非极性液体电介质的电阻率1018Ω•cm弱极性1015Ω•cm偶极性1010Ω•cm~1012Ω•cm，由于损耗太大，实际上不使用。强极性如水、乙