第1节 液体和固体介质的极化、电导和损耗

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,电介质的电气特性表现在电场作用下的,导电性能,介电性能,电气强度,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：,液体介质,：变压器油、电容器油、电缆油,固体介质,：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶,第三章 液体和固体介质的电气特性,电导率,(,绝缘电阻率,),介电常数,介质损耗角正切,击穿电场强度,表征参数：,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的极化,电介质的电导,电介质的损耗,电介质的极化,是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。,介电常数,来表示极化强弱。,对于平行平板电容器，极间为真空时：,一、电介质的极化,放置固体介质时,电容量将增大为,:,相对介电常数：,0,-,真空的介电常数,-,介质的介电常数,r,-,介质的相对介电常数,A-,极板面积，,cm,2,d-,极间距离，,cm,下面的表,3-1,列出了常用电介质的,r,值（,20,C,时）,r,是反映电介质极化特性的一个物理量。,可见，气体,r,接近于,1,，液体和固体大多在,2,6,之间。,用于,电容器,的绝缘材料，显然希望,选用,r,大,的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。,其他,电气设备,中往往希望,选用,r,较小,的电介质，这是因为较大的,r,往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。,采用,r,较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。,在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的,r,值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的,r,成反比。,最基本的极化型式有,电子式极化,、,离子式极化,和,偶极子极化,等三种，另外还有,夹层极化,和,空间电荷极化,等。现简要介绍如下：,(,一,),电子式极化,在外电场 的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩 ，其值为 （矢量 的方向为由,q,指向,q,）。这种极化称为,电子式极化或电子位移极化,。,电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：,完成极化需要的时间极短；,外场消失，整体恢复中性。,所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。,(,二,),离子式极化,固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。,在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现,极化。,离子式极化的特点：,1,、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；,2,、所需时间很短，其 几乎与外电场频率无关。,温度对离子式极化的影响：,1,、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强；,2,、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其 一般具有正的温度系数。,(,三,),偶极子极化,极性电介质,：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为,极性电介质,。,极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，,宏观电矩等于零,，因而整个介质对外并不表现出极性。,出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出,极性。这种极化称为,偶极子极化,或,转向极化,。,偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，,10,10,10,2,s,，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系。,偶极子极化与频率,f,的关系：,频率太高时,，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当于直流电场下的相对介电常数，,f,f,1,以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，值不断下降；当,f,f,2,时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化，减小到 。,偶极子极化与温度,t,的关系：,温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常,极性气体介质有负的温度系数。,对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以 很小。液体、固体介质的 在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，又开始随着温度的上升而减小。,如图,3-6,为极性液体、固体介质的 与温度的关系。,(,四,),夹层极化,凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按,介电常数,分布逐渐过渡到稳态时按,电导率,分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称,夹层极化,。,t,=0,时合上开关，电压分配与电容成正比：,t=,电压分配将与电导成反比：,一般 即,C,1,、,C,2,上的电荷需要重新分配，设,C,1,G,2,，,则由上面两式：,t,=0,时，,U,1,U,2,t,时，,U,1,U,2,可得：,可见，随着时间,t,的增加，,U,1,下降而,U,2,增高，总的电压,U,保持不变。这就意味着,C,1,要通过,G,1,放掉一部分电荷，而,C,2,要通过,G,1,从电源再补充一部分电荷。,于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电流称为,吸收电流,。,由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，所以这种极化,只有在,直流,和,低频交流,电压下才能表现出来,。,二、电介质的电导,电导率,表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为,离子电导,和,电子电导,两种。,1,、电子电导：,一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。,2,、离子电导：,本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率,10,10,10,14,杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率,10,17,10,19,3,、电泳电导：,载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。,4,、表面电导：,对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。,固体、液体介质的电导率 与温度,T,的关系：,式中：,A,、,B,为与介质有关的常数，其中固体介质的常数,B,通常比液体介质的,B,值大的多。,T,为绝对温度，单位为,K,。该式表明,随温度,T,按指数规律上升。,三、电介质的损耗,(,一,),电介质的损耗的基本概念,介质损耗,：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称,介质损耗,。,直流下,：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。,式中：,电源角频率；功率因数角；介质损耗角。,交流时：流过电介质的电流,此时介质的功率损耗：,（,3-7,）,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（）来表示。有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流，吸收电流 和传导电流 。三个分量叠加在一起为总电流 。,可采用并联等值电路或串联等值电路来分析,并联电导损耗 串联介质损耗,总电流表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为,吸收曲线,。,1,、并联等值电路,按图,3-9,，有：,介质损耗角正切 等于有功电流和无功电流的比值，即：,此时功率损耗为：,与式（,3-7,）所得介质损耗完全相同。,2,、串联等值电路,有损电介质可用一只理想的无损耗电容 和一个电阻,r,相串联的等值电路来代替，如图所示。,（,3-9,）,由向量图有：,由于：,所以：,介质损耗角 值一般很小，所以：,（,3-11,）,比较式（,3-9,）和式（,3-11,）,说明两种电路电容值几乎一样，可用同一电容表示。,(,二,),气体、液体和固体介质的损耗,1.,气体介质损耗,气体中的电场强度达到放电起始场强,E,0,时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。,损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为：,式中：,-,电介质的电导率，,S/cm,；,E,-,电场强度,V/cm,。,（,W/cm,2,）,与温度有指数关系，,P,0,也以指数规律随温度的上升而增大。极性液体介质的损耗 与温度的关系如图所示。,2.,液体介质损耗,（,1,）中性和弱极性液体介质,在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的 亦上升，并在,t,t,1,时达到极大值；,在,t,1,t,t,2,以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而 就随时间,t,的上升而持续增大。,极性液体介质的 和 与电源角频率 的关系如图所示。,较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，也小，且主要由,电导损耗,引起。,如 减至很小，反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。随 增大，转向极化逐渐跟不上电场交变，开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、增大。一旦大到偶极子完全来不及转向时，值变得最小而趋于某一定值，也变得很小。,3.,固体介质损耗,(1),无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃,云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；,电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；,20C,和,50Hz,时 ,2,5,；,玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。,非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；,极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。,(2),有机绝缘材料,可分为,非极性,和,极性,（本节完）,小 结,电介质的极化,电子式极化,离子式极化,偶极子极化,夹层极化,电介质的电导为,表征电介质导电性能的主要物理量,电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗,