大三上电工产品学电介质篇

1第八章绝缘材料

绝缘材料又称电介质。具有1011－1024欧姆·米的电阻率。其主要用途如下：1、隔离作用：隔离不同带电导体，使其导体中的电流按规定的方向流动。2、储能作用：在电场中能被极化，与此同时能将电能转化为电场能贮存起来。3、其它作用：经过加工后，可以起着固定支撑、散热、灭弧、冷却、防潮、防霉及保护导体等作用。2绝缘材料分类按材料来源：天然绝缘材料和人工合成绝缘材料。按材料的化学成分：有机绝缘材料和无机绝缘材料。按电工产品的应用：高压工程绝缘材料和低压工程绝缘材料。按应用或工艺特征：漆、树脂和胶类；浸渍纤维制品类；层压制品类；塑料类；云母制品类；薄膜、粘带和复合制品类。31、研究电介质电气性能意义设备绝缘的基础超高压大容量电网发展的要求新材料促进电力工业的进步加强绝缘材料的研究，促进科技发展随着科学技术的发展，发现一些电介质具有的特殊性能。如不具有对称中心的晶体电介质，在机械力的作用下能产生极化，即压电性；不具有对称中心，而具有与其他方向不同的唯一极轴晶体存在自发极化，当温度变化能引起极化，即具有热释电性；自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变，它的极化强度与外施电场的关系曲线与铁磁材料磁化强度与磁场的关系曲线极为相似。这些具有特殊性能的材料可作机械、热、声、光、电之间的转换，在国防、探测、通信等领域具有极为重要的用途。452、电介质电气性能的划分

电气性能有四个：介电常数ε

电导ρ

介损tgδ

击穿强度Eb63、

电介质的极化与介电常数3.1电介质物质结构的基本形式3.2极化与电介质3.3电介质极化的基本类型3.4电介质的介电常数73.1电介质物质结构的基本形式

形成分子和聚集态的各种键 离子键、共价键、金属键

电介质根据化学结构分为3类： 非极性及弱极性电介质 偶极性电介质 离子性电介质三种化学键的比较化学键概念微粒特征形成条件和规律示例离子键阴阳离子间静电作用离子无方向性无饱和性形成阴阳离子NaCl、K2O共价键极性键非极性键配位键原子间共用电子对偏不偏一方提供不同原子相同原子特殊原子有方向性和饱和性不同非金属元素之间同种非金属元素之间一方有孤对电子，一方有空轨道COHXX2

、O2H2O2H3O+NH4+金属键金属离子和自由电子间的静电作用金属离子和自由电子间无方向性无饱和性金属单质和合金相邻的两个或多个原子之间的强烈相互作用113.2极化与电介质

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123电介质极化基本类型

电介质的极化有五种基本形式：

电子位移极化 离子位移极化 转向极化 夹层介质界面极化 空间电荷极化

13电子位移极化极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-14~~10-15s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关）极化弹性：弹性；消耗能量：无 14离子位移极化极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12~~10-13s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加）极化弹性：弹性；消耗能量：无15转向极化（偶极极化）极化机理：极性分子转向介质类型：偶极性介质建立极化时间：需时较长，10-6~~10-2s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关） 温度极化弹性：非弹性；消耗能量：有16

夹层介质界面极化概念：合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定。稳态时分压比由电导决定。 当t=0:

当t=∞:夹层介质界面极化17

如果则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上很难满足上述条件，电荷要重新分配，这样在两层介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。这种极化形式存在于不均匀夹层介质中，伴随有能量损失，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，极化建立需时很长，这种性质的极化只有在低频时才有意义18极化机理：带电质点移动介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：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 19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 2021材料极化各种极化形式的比较极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切介质直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化

工频声频无线电红外紫外极化率或

极化率和介电常数与频率的关系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。2526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27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。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。28介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）根据转向极化的特点，可对介电常数随温度及频率变化的趋势作出解释。（1）T不变，f增大εr减小（2）f不变，T升高εr先增大后减小频率f3>f2>f1固体电介质的介电常数29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和离子式极化，介电常数不大，通常在2.0~2.7范围。

偶极性固体电介质：属于此类的固体电介质有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3~6，还可能更大。离子性电介质：如陶瓷，云母等，此类电介质的相对介电常数єr一般在5~8左右303.5讨论极化的意义选择绝缘：对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择єr较大的介质。对于电缆，为减小电容电流，要选择єr较小的介质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єr成反比，要注意选择єr，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用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电气预防性试验、研发新型材料314、电介质的电导特性1电介质中的传导电流2电介质中的电导特性3电介质传导电流的测量4讨论电介质电导的意义321、

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 33介质中的电流与时间的关系：吸收电流随时间减少，是位移电流，总电流趋向稳定值即趋向漏导电流34

体积电导和表面电导 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则为单位Ω.cm35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36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37气体电介质中的电流密度—场强特性分成三个区域区域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液体电介质的电导38液体中极化发展快，吸收电流衰减快电导构成：离子电导、电泳电导非极性液体电介质的电导率1018Ω•cm弱极性1015Ω•cm偶极性1010Ω•cm~1012Ω•cm，由于损耗太大，实际不使用。强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能用作绝缘材料离子性电导随温度的升高而增加39液体电介质中电压——电流特性区域1：液体电介质的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律区域2：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域区域3：场强继续增大超过某一极限，电极发射电子引起电流激增，最终击穿固体电介质的电导40固体介质中电流的吸收现象比较明显产生固体电介质电导的机理和规律和液体类似，只是没有电泳电导对于离子性电介质，电导的大小和离子本身的性质有关，单价小离子（Li+,Na+,K+）束缚弱，易形成电流，因而含单价小离子的固体电介质的电导较大固体电介质的电导除与微观结构有关外，还和材料的宏观结构有关。

纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻率较小固体介质的电阻率41结构紧密，洁净的离子性电介质，电阻率为1017Ω•cm~~1019Ω•cm结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅达1013Ω•cm~~1014Ω•cm非极性或弱极性介质主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达1017Ω•cm~~1019Ω•cm偶极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达1015Ω•cm~~1016Ω•cm42固体电介质的电压－电流特性

区域1：符合欧姆定律，也称低场强领域区域2：电流随场强非线性增加区域3：出现破坏先导电流区域2、3也称高场强领域和液体、气体不同，固体中的电压－电流特性没有饱和状态 43

固体介质的表面电导固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质讨论电导的意义44

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，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。455、电介质中的能量损耗及介质损失角正切

在直流电压作用下介质的的损失仅有漏导损失，可用体积电阻率ρV或表面电导率ρS表征在交流电压作用下介质的损失除了漏导损失外，还有极化损失，仅有ρV或ρS就不够了，需要另外的特征量来表示介质在交流电压作用下的能量损耗

在交流电压的作用下，流过介质的电流I及作用电压之间关系的向量图如图介质的电压电流向量图46介质损失角正切的概念：由于存在损耗，U和I之间的夹角不再是90º的关系，IC代表流过介质总的无功电流，IR代表流过介质的总有功电流，IR包括了漏导损失和极化损失。从直观看，IR大则损失大，定义一个新的物理量，即介质损失角正切值tgδ来代表介质在交流电压下的损耗tgδ仅反映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关介质的电压电流向量图47并联等值回路中：tg

=IR/IC=1/

CpRP=U2/R=

CpU2tg

串联等值回路中：tg

=Ur/Uc=

CsrP=I2r=电介质的串并联等值回路

分析介质在交流电压作用下的能量损耗，常用两种等值回路。并联等值回路和串联等值回路分别如图所示

讨论损耗的意义48(1)选择绝缘。tg

过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。如用蓖麻油制造的电容器就因为tg

大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流(2)预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘受潮或劣化，tg

将急剧上升，在预防试验中可通过tg

～U的关系曲线来判断是否发生局部放电(3)当tg

大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损耗的发热。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法击穿强度Eb绝缘材料在电场作用下丧失绝缘性能的现象称为击穿。在规定的试验条件下绝缘体发生击穿时的电压称为击穿电压，用Ub表示。在均匀电场中用介电强度Eb表示。Eb=Ub/d49在气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度也最高固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘耐电强度：空气的耐电强度一般在3—4kV/mm左右；液体的耐电强度在10—20kV/mm；而固体的耐电强度在10—几百kV/mm；普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷指电场的集中，也指介质的不均匀性51电介质的