电介质理论PPT课件

1、电介质理论 1 电介质的电气性能（一）电介质的电气性能（一） 电介质理论 2 电介质的电气性能电介质的电气性能 n研究电介质电气性能的意义研究电介质电气性能的意义 n电介质电气性能的划分电介质电气性能的划分 n电介质的极化及介电常数电介质的极化及介电常数 n电介质的电导特性电介质的电导特性 n电介质中的能量损耗及介质损失角正切电介质中的能量损耗及介质损失角正切 n液体电介质的击穿液体电介质的击穿 n固体电介质的击穿固体电介质的击穿 n电介质的其它性能电介质的其它性能 电介质理论 3 一、研究电介质电气性能意义一、研究电介质电气性能意义 n设备绝缘的基础设备绝缘的基础 n超高压大容量的发展超高压

2、大容量的发展 n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 n我国绝缘材料发展的现状我国绝缘材料发展的现状 n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 电介质理论 4 二、电介质电气性能的划分二、电介质电气性能的划分 极化特性极化特性 电气传导特性电气传导特性 损耗特性损耗特性 电气击穿特性电气击穿特性 极化特性：极化特性：介电常数介电常数 损耗特性：损耗特性：介损介损tg 电气传导特性：电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传导机理载流子移动、高场强下的电气传导机理 等，电导等，电导G 或电阻或电阻 R 电气击穿特性：电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压

3、包括击穿机理、劣化、电压-时间特性时间特性 曲线（曲线（Vt ）等，击穿电压）等，击穿电压UC 或击穿或击穿 场强场强EC 电介质理论 5 三、电介质的极化与介电常数三、电介质的极化与介电常数 n电介质物质结构的基本形式电介质物质结构的基本形式 n极化极化 (polarization)与电介质与电介质 (dielectrics) n电介质极化的基本类型电介质极化的基本类型 n电介质的介电常数电介质的介电常数 n讨论极化的意义讨论极化的意义 电介质理论 6 ( (一一) )电介质物质结构的基本形式电介质物质结构的基本形式 n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

4、价键 分子健分子健 n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 电介质理论 7 极化现象极化现象 平板真空电容器电容：平板真空电容器电容：C0 插入固体电解质后电容：插入固体电解质后电容：C= rC0 电容量增大的原因在于电介质的极化现象，电容量增大的原因在于电介质的极化现象， 是由电介质是由电介质 极化引起的束缚电荷极化引起的束缚电荷 ( (二二) )极化与电介质极化与电介质 Vacuum + - + + - - E E E E0 电介质理论 8 极化与电介质极化与电介质

5、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 E0 极化前 极化后 + + + + + + + - - - - - - - 电介质理论 9 偶极子偶极子(dipole)：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P 每单位体积的电荷量：每单位体积的电荷量： 极化电荷：极化电荷：P是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度 ，称作极化电荷。 自由电荷自由电荷 Pdiv p 电介质理论 10 ( (三）电介质

6、极化基本类型三）电介质极化基本类型 电介质的极化有四种基本形式：电介质的极化有四种基本形式： 电子位移极化 离子位移极化 转向极化 空间电荷极化 电介质理论 11 极化机理：电子偏离轨道极化机理：电子偏离轨道 介质类型：所有介质介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-14 10-15s 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（无关）电源频率（无关） 温度（无关）温度（无关） 极化弹性：弹性极化弹性：弹性 消耗能量：无消耗能量：无 1. 1.电子位移极化电子位移极化 电介质理论 12 极化机理：正负离子位移极化机理：正负离子位移

7、 介质类型：离子性介质介质类型：离子性介质 建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-1210-13 s 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（无关）电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加）温度（随温度升高而增加） 极化弹性：弹性极化弹性：弹性 消耗能量：无消耗能量：无 2.2.离子位移极化离子位移极化 电介质理论 13 极化机理：极化机理：极性分子转向 介质类型：介质类型：偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质 建立极化时间：建立极化时间：需时较长，10-610-2 s 极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关）

8、温度（温度较高时降低，低温段随温度增加） 极化弹性：极化弹性：非弹性 消耗能量：消耗能量：有 3.3.转向极化转向极化 电介质理论 14 4.4.空间电荷极化空间电荷极化 极化机理：极化机理：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 建立极化时间：建立极化时间：很长 极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 极化弹性：极化弹性：非弹性 消耗能量：消耗能量：有 电介质理论 15 当当t=0: 当当t=: A C1 U B P G2 G1 C2 1 2 2 1 C C U U 1 2 2 1 G G U U C1 U G2 G1

9、C2 电介质理论 16 一般有一般有 电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积累 电荷，称为夹层极化夹层极化。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成 的，高压绝缘介质的电导通常都很小，这种性质 的极化只有在低频时才有意义 1 2 1 2 G G C C 电介质理论 17 （四（四) )电介质的介电常数电介质的介电常数 相对介电常数及其物理意义相对介电常数及其物理意义 相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量 电介质理论 18 n气体分子间的距离很大，密度很小，气体的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极化率很小

10、，一切气体的相对介电常数都接 近近1 1 n气体的介电常数随温度的升高略有减小，随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，但变化很小压力的增大略有增加，但变化很小 气体电介质的介电常数气体电介质的介电常数 电介质理论 19 部分气体的相对介电常数（环境条件部分气体的相对介电常数（环境条件 20, 1 atm20, 1 atm） 气体种类气体种类相对介电常数相对介电常数 氦氦1.000072 氢氢1.000027 氧氧1.00055 氮氮1.00060 甲烷甲烷1.00095 二氧化碳二氧化碳1.00096 乙烯乙烯1.00138 空气空气1.00059 电介质理论 20 非

11、极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r数值不大，在1.82.5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 极性电介质：极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等 r数值在26范围内。还能用作绝缘介质 强极性电介质：强极性电介质：如酒精、水等 r10，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的 比电容增大，但通常损耗都较大 液体电介质的介电常数液体电介质的介电常数 电介质理论 21 根据转向极化的特点 ，对介电常数随温度 及频变化的趋势作出 解释： （1）T不变 f增大，r 减小 （2）f不变 T升高，r先增后减 0 2 4 6 -30-101

12、03050 温度T () 相对介电常数 f1 f3f2 频率频率 f1f2f3 介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯） 电介质理论 22 非极性和弱极性固体电介质：非极性和弱极性固体电介质： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等 都属此类 电介质只有电子式极化和离子式极化， r不大，通常在2.02.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近 极性固体电介质：极性固体电介质： 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，还可能更大。 r和T及f的关系和极性液体的相似 离子性电介质：

13、离子性电介质： 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右 固体电介质的介电常数固体电介质的介电常数 电介质理论 23 ( (五）讨论极化的意义五）讨论极化的意义 n选择绝缘选择绝缘 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应 考虑介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量 ，要选择r 较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的 介质 电介质理论 24 ( (五）讨论极化的意义五）讨论极化的意义 n多层介质的合理配合多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布 与其r 成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分 布较均匀，从而达到绝缘的合理应用 n研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依据 极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介 质损失的影响 n电气预防性试验：电气预防性试验：项目的理论根据 n研发新型材料研发新型材料 电介质理论 25 平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频 电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚 乙烯板(r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现象？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。 电介质极化应用实例一电介质极化应用实例一 电介