第三章固体液体极化电导和损耗

1、高电压技术,High Voltage Technology,邱巍,电气工程系,输电教研室,第三章,液体和固体介质的电气特性,第一节,液体和固体介质的极化、电导和损耗,电场下电介质的变化,?,1.,在弱电场下，主要有极化、电导、介质,损耗等,2.,在强电场下，主要有放电、闪络、击穿,等,?,第一节,液体和固体介质的极化、电导和损耗,(dielectric polarization,）,1,、电介质,(dielectric),：,?,定义：电阻率高的绝缘材料,?,作用：隔离不同电压,?,分类：气体、液体、固体,电介质的极化,电介质是绝缘体,电介质体内只有极少自由电子,一、静电场对电介质的作用,电介

2、质的极化,1.,极化现象,将电介质放入电场，表面出现电荷。,这种在外电场作用下电介质表面,出现电荷的现象叫做,电介质的极化,。,所产生的电荷称之为“极化电荷”。,在电介质上出现的极化电荷是正负,电荷在分子范围内微小移动的结果，,所以极化电荷也叫“束缚电荷”。,?,E,0,1-1,电介质的极化,?,（,a,）电极间无介质,（,b,）,电极间有介质,?,极化现象造成：在外施电场作用下，固体中原来,彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，,使介质表面出现了束缚电荷，相应地便在极板上,另外吸住了一部分电荷,?,Q,，所以极板上电荷增多，,并造成电容量亦增大。,束缚电荷,U,Q,Q,0,?,C,0,U

3、,0,C,?,0,?,S,0,d,Q,?,Q,?,?,Q,?,CU,?,C,Q,0,?,?,Q,相对介电常数,?,r,?,?,?,?,0,C,0,Q,0,2.,电介质极化的微观机制,从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、,有极分子。,每个分子负电荷对外影响均可等效为单独,一个静止的负电荷,的作用。其大小为分子中,所有负电之和，这个等效负电荷的作用位置,称为分子的“负电作用中心”。,-,同样，所有正电荷的作用也可等效,一个静止的正电荷的作用，这个等效正,电荷作用的位置称为“正电作用中心”。,无极分子：,正负电荷作用中心重合的分子；,如,H,2,、,N,2,、,O,2,、,CO,2,在无外

4、场作用下整个分子,无电矩,。,有极分子：,正负电荷作用中心不重,合的分子。,+,+,-,+,如,H,2,O,、,CO,、,SO,2,、,NH,3,.,有极分子对外影响等效为一,个电偶极子，在无外场作用下存,在,固有电偶极矩,。,H,2,O,+,-,+,H,H,-,+,+,H,2,O,+,+,第一节,液体和固体介质的极化、电导和损耗,2,、,电介质的极化,定义：电介质由于电场作用，沿电场方向,表面出现束缚电荷，形成偶极子的,现象。,电子式极化,（,2,）离子式极化,E,偶极子极化,E,?,0,?,?,?,?,?,E,?,0,出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有,规则的排列，,因而显出极性，这

5、种极化称为,偶极子极化,或,转向极化,（,4,）空间电荷极化,(,夹层极化,),各种极化表,极化种类,产生场合,所需时间,10,-15,s,10,-13,s,10,-10,10,-2,s,10,-1,s,数小,时,能量损耗,无,几乎没有,有,有,产生原因,束缚电子运行,轨道偏移,离子的相对偏,移,偶极子的定向,排列,自由电荷的移,动,电子式极化,任何电介质,离子式结构电,介质,极性电介质,多层介质的交,界面,离子式极化,偶极子极化,夹层极化,介电常数,?,?,?,介电常数,相对介电常数是反映,电介质极化程度的参,数,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

6、,都接近,1,?,?,r,?,?,0,?,1,E,1,?,?,2,E,2,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如石油、苯、四氯化碳、硅油等，,?,r,在,1.8,2.5,范围内。?,数值不大，,?,极性电介质,?,r,数值在,2,6,范围内。,如蓖麻油、氯化联苯等，,还能用作绝缘介质。,?,强极性电介质,?,r,如酒精、水等, 10,，其电导也很大，不能用做绝缘材料。,用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通常,损耗都较大。,?,固体电介质的介电常数,?,非极性和弱极性固体电介质,如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡,、石棉、无机玻璃等，电介质只有电

7、子式极化和离,?,在,2.0,2.7,范围；,子式极化，,?,极性固体电介质,树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和,?,较大，一般为,36 6,；,涤纶等,?,离子性电介质,?,一般在,58,左右。,如陶瓷，云母等，相对介电常数,r,r,r,?,?,电缆芯处使用,较大的,r,?,r,的配合,场强与,材料，可减小电缆芯处,场强，电缆中电场分布,均匀一些，从而提高整,体的耐电强度。,Q,Q,U,1,?,1,s,E,1,?,2,C,1,d,d,?,?,?,?,Q,E,2,U,2,Q,?,1,d,2,C,2,?,2,s,d,电介质的电导,(electrical conduction),定义：,

8、介质在电场作用下,内部联系较,弱的带电粒子作有规律的运动形,成电流,即泄漏电流,.,这种物理现,象称为电导,.,要点：,电介质中的带电质点主要是离,子，也称离子式电导,指标：,用电导率表示,气体介质的电导,oa,段,:,随着电压升高，到达阳极的带,电质点数量和速度也随之增,大,ab,段：,电流不再随电压的增大而增大,bc,段：,电流又再随电压的增大而增大,均匀电场中气体的伏安特性,c,点,:,电流急剧突增,液体电介质的电导,液体中极化发展快，,?,电导构成：离子电导、电泳电导,离子电导：,由液体本身的分子和杂质的,分子解离为离子,电泳电导：,液体中的胶体质点（如变压,器油中悬浮的小水滴）吸附电

9、荷后，形,成带电质点构成,?,液体电介质的电导,a:,电导在电场比较小的,情况下，遵循欧姆,定律,b:,电流饱和趋势区，与,气体类似,C:,液体分子发生了游离，,电导迅速增大。,液体电解质中的电流和外施电压的关系,固体电解质的电导,?,?,中性分子电介质的电导,主要是杂质离,子,极性电介质，,因本身能解离，此外还,有杂质离子共同决定电导，故电导较,大，,固体电解质的电导,?,和液体、气体不同，,固体中的电流电,压特性没有饱和状,态,电导在工程上的意义,绝缘预防性试验的理论依据,预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸,收比判断设备的绝缘状况,?,直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻,成正比

10、，选择合适的电阻率，实现各层之间的,合理分压,?,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,?,电导损耗导致热击穿,?,电介质的损耗,(dielectric loss),介质的能量损耗：,?,产生原因：极化,+,电导,?,直流,电导损耗,?,交流,电导和极化损耗,介质损耗,?,介质损耗定义,介质在交流电压下的有功功率损耗,?,并联等值电路：,并联电路中：,U,I,R,?,R,I,CP,?,U,?,C,P,P,?,UI,?,UI,CP,tg,?,?,U,?,C,p,tg,?,R,2,I,R,U,/,R,1,?,?,由相量图：,tg,?,?,I,CP,U,?,C,P,?

11、,C,P,R,电介质的三支路等值电路,i,?,i,c,?,i,a,?,i,g,C,1,无损极化,C,2,-R,2,有损极化,R,3,电导损耗,u,C,0,i,c,r,a,i,a,i,g,r,g,C,a,i,电介质在直流电压作用下的吸,收现象,|,|,吸,收,电,流,充,电,电,流,i,?,i,c,?,i,a,?,i,g,|,泄,漏,电,流,i,吸收曲线,i,a,i,c,0,i,g,t,(,s,),介质损耗角正切,tg,交流电压作用下的向量图：,?,ac,I,?,ar,I,?,g,I,?,?,I,a,?,介质损耗角,为功,率因数角,的余角，其,正切,tg,又可称为介质损,耗因数，常用百分数（,%

12、,）来表示。,I,?,c,?,I,U,?,用,tg,作为综合反映介质损耗特性优劣的指标,P,?,UI,?,UI,CP,tg,?,?,U,?,C,p,tg,?,R,2,tg,的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中,常通过测量,tg,来判断设备绝缘的好坏。,介质损失角正切值,tg,?,?,r,一样，,介质损失角正切值,tg,，如同,取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，,可以方便地表示介质的品质。,I,R,tg,?,?,I,CP,气体电介质的损耗,?,?,当电场强度小于使气体分子电,离所需的值时,，气体介质中的,损耗极小（,tg 10,-8,），工,程中可以略去不计。所以常用,气体（如空气，,N,2

13、,；,C0,2,，,SF,6,等）作为标准电容器的介质,当外施电压,U,超过起始放电电,压,U,0,时,，将发生局部放电，损,耗急剧增加,液体电介质中的损耗,?,中性液体固体电介质中的损耗主要由漏导决定,.,极性液体介质中的损耗与,温度的关系,?,?,极性液体介质中的损耗主要包括电导损耗和极,化损耗（偶极子式损耗）两部分,损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系。,固体电介质中的损耗,?,?,中性电介质，,如石蜡、聚苯乙烯等，其,损耗主要由电导引起，通常很小，,极性电介质，,纤维材料（纸、纤维板等）,和含有极性基的有机，材料（聚氯乙烯、,有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），,tg,值较大，高频下更为严重。,离子式电介质,?,?,?,离子式结构的介质，,结构紧密的不含杂质的离子