电介质电导和损耗

,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,的电导和损耗,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一,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,电介质电导,充电电流,吸收电流（数分钟以上）,泄漏电流,电介质中的电导是由于电介质的基本物质及其中所含杂质分子的化学分解或热离解形成带电质点(电子、正离子、负离子)，沿电场方向移动而造成的。它是离子式的电导，也就是电解式的电导。,测量介质中电流的电路图,固体介质中的电流与时间的关系,漏导电流密度,:,可由迁移中的载流子密度n及其迁移速,度V,d,获得,式中E为施加电场强度，e为载流子的电荷量，为载流子的迁移率,漏导电导率和电阻率分别为,电导率：,电阻率：,电介质中电导特性划分,以载流子的性质划分，电导,（这里指漏导，以下无特别说明均指漏导）,可以分为,电子性电导,和,离子性电导,。,无论是何种电导类型，在低场强下电压-电流的关系遵循欧姆定律。在高场强下,离子性电导:,电子性电导：,根据电子在导带、价带、电极和不纯物的状态之间的跳跃方式的不同可分为各种不同的电导过程。,其主要形式为能带模型、跳跃模型、空间电荷制约电流模型、电子雪崩电流、光传导电流、场致发射电流等,电子性电导例一：,Shottky Effect,当施加电场时，阻碍电子飞出金属的位垒高度因电场的作用而使实际的位垒高度下降，导致由电极发射到介质导带的电子的增加，其结果是,电子性电导例二：,Poole-Frenkel Effect,肖特基效应是电场的作用下实际位垒高度下降引起的电流的增加，而Poole-Frenkel效应是电介质内部因电场的作用引起实际位垒高度下降，进而使得介质内部发射到导带上的电子增加，也即电流的增加，结果表现为,电子性电导例三：,Tunnel Effect,在电子获得的能量远大于位垒高度，而且薄膜厚度小于数百,时，电子象跨过隧道似的贯穿两金属电极间的介质而引起两金属电极间的电流，产生隧道效应，此时,之间的关系是斜率为负的直线关系。和其他电导过程不同，隧道效应电流与温度无关,Shottky和Tunnel Effect是电极发射控制电导的过程,而Poole-Frenkel Effect则是体积发射控制电导的过程,聚乙烯的电流-时间特性例：,在温度高于室温附近要达到稳定的漏导电流需要几个小时的时间，在更低的温度下，即20时，电流很难趋向稳定的漏导电流。,所以通常的1 min绝缘电阻测量仅仅是为了工程上的方便，实际上并没有物理意义，关于这一点必须注意。,一、气体电介质的电导：,气体中无吸收电流；,气体离子的浓度约为5001000对/cm,2,；,分成三个区域,区域1：E510,-3,V/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10,22,cm量级。,区域3：,当场强超过,E,2,10,3,V/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,气体电介质中的电流密度场强特性,二、液体电介质,电导,一是由液体本身的分子和杂质的分子解离成离子，构成离子电导；,二是由液体中的胶体质点(如变压器油中悬浮的小水滴)吸附电荷后，变成带电质点，构成电泳电导。,特点：,1、与纯净度有关:,杂质越多，电导越大,2、与介质分子的离解度有关:,介电常数越大，电导越大,3、与温度有关,温度升高液体电介质粘度降低，离子迁移率增加，电导增大,温度升高液体电介质或离子的热离解度增加，电导增大,A、B 常数；T 绝对温度 电导率,4、与电场强度有关:,当场强到达一定程度后，电导将迅速增大,见表,见图,见图,用三电极法测量介质的,体积电阻率,V,为,式中S为测量电极的面积，d为介质厚度，R,V,由测量的漏导电流i,g,及电压值决定，R,V,=U/i,g,。那么介质的,体积电导率,V,则为,三、固体电介质的,体积电导,离子电导：,带电粒子是离子，低电场电导区,（介质的工作范围），以离子电导为主,电子电导：,带电粒子是电子，高电场电导区，,以电子电导为主,特点：,1、与温度有关，,与液体类似,2、与电场强度有关：当电场强度大于某一定值时,3、与杂质有关：,合成高分子绝缘材料的催化剂、增塑剂、填料,（以增大机械强度，改善耐弧性、耐热性等）；多孔性纤维材料,易吸入水分等,电导率与电场强度无关时的电导率,电导率与电场强度无关时的最大电场强度,与材料性质有关的常数,见图,见表,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cm,10,-6,10,-2,10,-2,10,9,10,9,10,22,介质,金属,无机、有机物,无机、油、有机,单位,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，或者用三电极法上的同心圆环测量,四、固体电介质的表面电导,由附着于介质表面的水分和污秽引起,特点：,1、与环境因素有关,2、与绝缘材料的憎水性有关,3、与绝缘材料的性质有关,如：,电瓷能被水湿润，但表面无脏物时，即使在潮湿环境仍能,保持相当大的电阻率,大部分玻璃部分溶于水，但表面电阻较小，而且与温度关,系较大,多孔性纤维材料不仅表面电阻小，体积电阻也小,见表,讨论介质电导的意义,1、在绝缘预防性试验中，要测绝缘电阻和泄漏电流以判断绝缘是否受,潮或有其它劣化现象。在试验中需注意将表面电导与体积电导区别,开来。,2、串联的多层介质在直流电压下的稳态电压分布与各层的电导成反比，,要合理选材,直流电缆在运行时，由于芯线附近的温度较铅层附近处高，所以芯,线附近绝缘电阻下降会使该处场强下降，而其它部分的场强将相应,增加，这种情况在设计时要充分予以注意。,3、设计绝缘结构时要考虑到环境条件，特别是湿度的影响。,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。,4、某些能量较小的高压电源，应注意减小绝缘材料的表面泄漏电流。,5、并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘,电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导体釉，高压电机定子绕组,出稽口部分涂半导体漆等，都是为 了改善电压分布，以消除电晕。,见图,电介质损耗,真空和无损极化引起的电流密度,漏导引起的电流密度,有损极化引起的电流密度,损耗角正切：,单位体积介质中的损耗功率：,含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：,因为：,所以：,电导损耗,极化损耗,包括,均匀介质中总的有功损耗：,1、气体电介质中的损耗,1、当场强不足以产生碰撞电离时气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（,10,-8,）,2、当外施电压U超过局放起始电压U,0,时，将发生局部放电，损耗急剧增加，这在高压输,电线上是常见的，称为电晕损耗。,2、液体电介质中的损耗,tt,1,时：电导和极化损耗都很小，随着温度,的升高，极化损耗显著增加,t,1,tt,2,:由于分子热运动加快，妨碍极性分,子的转向极化，极化损耗的减小比,电导损耗的增加更快,tt,2,时：电导损耗占主要部分,非极性或弱极性电介质损耗很小，,损耗主要由电导决定,损耗主要由电导决定,1、损耗功率P：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的,变化，损耗功率趋于恒定,2、介电常数 ：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率,的变化，介电常数也达到较低的稳定值,3、损耗 ：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的,变化，与频率成反比地减小,tg,p/f,r,3、固体电介质中的损耗,1、极性固体电介质包括：,纤维材料纸、纤维板等结构不紧的材料,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,2、极性固体电介质的 与温度、频率的关系和极性液体相似，其 值较,大，高频下更为严重，,1、不均匀结构的电介质包括：,电机绝缘中用的云母制品(是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质)被广泛使用的油浸纸、胶纸绝缘等。,2、不均匀结构的电介质的 ：取决于其中各成分的性能和数量间的比例,峰值可能由纸极化损耗引起,峰值可能由复合胶极化损耗引起,1、反映单位体积中的损耗，与绝缘体的体积大小无关,例1：当试品绝缘有两种不同绝缘并联组成,则：,当C,2,/C,x,越小，C,2,中缺陷（增大）在测整体的 时越难发现,解决办法是分解测量（如分别对变压器线圈和套管的 进行测量）,例2：当集中性缺陷所占的体积相对于被试绝缘的体积越小，则集中,性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗中的比重越小,如：电机、电缆设备，被试绝缘体积较大，虽然集中性缺陷的发展,是运行中故障的主要原因，但测 很难发现，一般不测,电介质损耗的特点及影响因素,2、与温度和频率有复杂的关系,3、与试验电压的关系,当所加试验电压足以使绝缘中的气泡游离或足以使绝缘产生电晕或局部放电等情况时，的值将随试验电压的升高而迅速增大。,因此，测定 所用的电压，最好接近于被试品的正常工电压，所加电压过低不易发现绝缘中的缺陷；而过高则容易对绝缘造成不必要的损伤,1、在绝缘预防性试验中，是一基本测试项目，当绝缘受潮,或劣化时 急创上升。绝缘内部是否普遍发生局部放电，也,可以通过测 U的关系曲线加以判断,2、绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的 ，如 过大而,引起严重发热，将使材料容易劣化，甚至可能导致热不稳定 热击穿,3、用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的 必须很小，否则冲击,波在电缆中传播时波形将发生严重畸变，影响测量精确度,4、但介质损耗引起的介质发热有时也可以利用,讨论电介质损耗的意义,The End,Thank You,非极性液体电介质的电阻率10,18,cm,弱极性10,15,cm,偶极性10,10,cm10,12,cm，由于损耗太大，实际上不使用。,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,分成三个区域,区域a：,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b：,随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域,区域c：,场强继续增大超过某一极限，因Shottky效应电极发射电子引起电流激增，最终击穿,分三个区域,区域a：,符合欧姆定律，也称低场强领域,区域b：,电流随场强非线性增加,区域c：,出现破坏先导电流,区域b、c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,结构紧密，洁净的离子性电介质，电阻率为10,17,cm10,19,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10,13,cm10,14,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10,17,cm10,19,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,10,15,cm10,16,cm,