高电压技术电介质极化与介电常数课件

电介质的电气性能研究电介质电气性能意义设备绝缘的基础超高压大容量的发展新材料促进了电力工业的进步我国绝缘材料发展的现状加强绝缘材料的研究，促进科技发展电介质电气性能的划分

四个电气性能：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

介电特性：

电气传导特性：

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

电气击穿特性：

包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（V-t）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ε电介质损耗机理，主要物理量为介损tgδNa11281离子结构电介质

(岩盐)

NaCl共价键+

中性共价键极性共价键

H+=H一、电介质的极化及介电常数

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

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：偶极子的扭矩称作极化强度P。

极化电荷(polarizationcharge)：

ρP是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度，称作极化电荷。

均匀极化(uniformpolarization)：

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

真实电荷：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。

具备有这种特性的物质称作电介质

由P可得每单位体积的电荷量：一、电子的位移极化

当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，其负电荷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。特点：1、电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中2、具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性3、极化速度快，10--14~10--15秒，在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关4、极化强度与电矩的大小成正比，且随着外电场的增强而增大5、与温度无关6、不引起能量损耗极化机理：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：

特点：1、有弹性，可恢复2、极化完成时间约为l0-12-10-13s，当交变电场的频率低于红外线光频率，离子的位移极化与频率无关3、极化程度与电场强度成正比4、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5、有极微量的能量损耗

特点：1、有弹性，可恢复2、与频率有关，极化完成时间约为l0-6-10-2s，甚至更长，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小3、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4、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。对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系紧(例如粘度很大)，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，以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小5、有能量损耗四、夹层极化

高电压设备的绝缘由几种不同的材料组成，或介质不均匀，这种情况会出现“夹层介质界面极化”现象。合闸时：稳态时：当：则：

存在电压从新分配，电荷在介质空间从新分布，夹层界面有电荷堆积的过程，从而产生电矩极化机理：设：T=0时:T时：整个介质等值电容：增大了五、空间电荷极化极化机理：正负离子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性；消耗能量：有 E空间电荷极化-_+++__名

称产生极化的地方、特征等到达平衡的时间发生极化的原因电子式极化离子式极化偶极子极化夹层介质界面极化空间电荷极化任何物质的原子中离子组成的物质极性分子组成的物质复合介质的交界面电极近旁10-15秒10-13秒10-10~10-2秒数秒~数日数秒~数日束缚电荷的位移

自由电子的移动电介质极化的概要材料类别名称相对介电常数εr（20℃）气体介质（标准大气条件）空

气1.00058液体介质弱极性变压器油硅有机液体2.2~2.52.2~2.8极

性蓖麻油氯化联苯4.54.6~5.2强极性丙

酮酒

精水223381固体介质中性或弱极性石

蜡聚苯乙烯聚四氯乙烯松

香沥

青2.0~2.52.5~2.62.0~2.22.5~2.62.6~2.7极

性纤维素胶

水聚氯乙烯沥

青6.54.53.0~3.52.6~2.7离子性云

母电瓷5~75.5~6.5几种介电质的介电常数

电介质极化应用实例一：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（εr=2.3）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后的各介质中的电场分布。

解： (1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入后：Vs/Va=εa/εs，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV) Es=16.7kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV) Ea=38.3kV/cm>30kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿

电介质极化应用实例二：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。目前固体绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选择呢？

气体电介质的介电常数

气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1。 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。部分气体的相对介电常数环境条件 20℃,1atm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

非极性和弱极性电介质：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不大，其值在1.8～2.8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

偶极性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在3～80范围，能用作绝缘介质的εr值在3～6左右。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，蓖麻油和几种合成液体介质有实际应用

固体电介质的介电常数

非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多，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，这类电介质只有电子式极化