電介質理論(一)

1、1電介質的電氣性能（一）電介質的電氣性能（一）2電介質的電氣性能電介質的電氣性能n研究電介質電氣性能的意義研究電介質電氣性能的意義n電介質電氣性能的劃分電介質電氣性能的劃分n電介質的極化及介電常數(shù)電介質的極化及介電常數(shù)n電介質的電導特性電介質的電導特性n電介質中的能量損耗及介質損失角正切電介質中的能量損耗及介質損失角正切n液體電介質的擊穿液體電介質的擊穿n固體電介質的擊穿固體電介質的擊穿n電介質的其它性能電介質的其它性能 3一、研究電介質電氣性能意義一、研究電介質電氣性能意義n設備絕緣的基礎設備絕緣的基礎n超高壓大容量的發(fā)展超高壓大容量的發(fā)展n新材料促進了電力工業(yè)的進步新材料促進了電力工業(yè)的進

2、步n我國絕緣材料發(fā)展的現(xiàn)狀我國絕緣材料發(fā)展的現(xiàn)狀n加強絕緣材料的研究，促進科技發(fā)展加強絕緣材料的研究，促進科技發(fā)展4二、電介質電氣性能的劃分二、電介質電氣性能的劃分極化特性極化特性 電氣傳導特性電氣傳導特性 損耗特性損耗特性 電氣擊穿特性電氣擊穿特性極化特性：極化特性：介電常數(shù)介電常數(shù)損耗特性：損耗特性：介損介損tg電氣傳導特性：電氣傳導特性：載流子移動、高場強下的電氣傳導機理載流子移動、高場強下的電氣傳導機理等，電導等，電導G 或電阻或電阻 R電氣擊穿特性：電氣擊穿特性：包括擊穿機理、劣化、電壓包括擊穿機理、劣化、電壓-時間特性時間特性曲線（曲線（Vt ）等，擊穿電壓）等，擊穿電壓UC 或擊

3、穿或擊穿場強場強EC5三、電介質的極化與介電常數(shù)三、電介質的極化與介電常數(shù)n電介質物質結構的基本形式電介質物質結構的基本形式n極化極化 (polarization)與電介質與電介質 (dielectrics) n電介質極化的基本類型電介質極化的基本類型n電介質的介電常數(shù)電介質的介電常數(shù)n討論極化的意義討論極化的意義6( (一一) )電介質物質結構的基本形式電介質物質結構的基本形式n形成分子和聚集態(tài)的各種健形成分子和聚集態(tài)的各種健離子健離子健共價鍵共價鍵分子健分子健n電介質的分類：根據(jù)化學結構分為電介質的分類：根據(jù)化學結構分為3類類非極性及弱極性電介質非極性及弱極性電介質偶極性電介質偶極性電介質

4、離子性電介質離子性電介質7極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象平板真空電容器電容：平板真空電容器電容：C0插入固體電解質后電容：插入固體電解質后電容：C= rC0電容量增大的原因在于電介質的極化現(xiàn)象，電容量增大的原因在于電介質的極化現(xiàn)象， 是由電介質是由電介質極化引起的束縛電荷極化引起的束縛電荷( (二二) )極化與電介質極化與電介質 Vacuum + - + + - - E E E E0 8極化與電介質極化與電介質極化概念極化概念：電場中有電介質時，由于電場的作用電介質內部發(fā)生形變，結果導致電介質內部電荷分布的變化。這個過程稱作極化 E0 極化前 極化后 + + + + + + + - - - - - - -

5、9偶極子偶極子(dipole)：單位體積電介質在施加電場前內部的電荷是均勻分布的，在電場的作用下這些電荷發(fā)生位移，這個單位體積就形成一對偶極子極化強度：極化強度：偶極子的扭矩稱作極化強度P每單位體積的電荷量：每單位體積的電荷量：極化電荷：極化電荷：P是電場作用下電介質內部呈現(xiàn)的電荷密度，稱作極化電荷。自由電荷自由電荷Pdivp10( (三）電介質極化基本類型三）電介質極化基本類型電介質的極化有四種基本形式：電介質的極化有四種基本形式：電子位移極化離子位移極化轉向極化空間電荷極化 11極化機理：電子偏離軌道極化機理：電子偏離軌道介質類型：所有介質介質類型：所有介質建立極化時間：極短，建立極化時間

6、：極短，10-14 10-15s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場強度（有關）電場強度（有關）電源頻率（無關）電源頻率（無關）溫度（無關）溫度（無關）極化彈性：彈性極化彈性：彈性消耗能量：無消耗能量：無 1. 1.電子位移極化電子位移極化12極化機理：正負離子位移極化機理：正負離子位移介質類型：離子性介質介質類型：離子性介質建立極化時間：極短，建立極化時間：極短，10-1210-13 s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場強度（有關）電場強度（有關）電源頻率（無關）電源頻率（無關）溫度（隨溫度升高而增加）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性極化彈性：彈性消耗能量：無消耗能量：無 2

7、.2.離子位移極化離子位移極化13極化機理：極化機理：極性分子轉向介質類型：介質類型：偶極性及有離子弛豫性極化的離子性介質建立極化時間：建立極化時間：需時較長，10-610-2 s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場強度（有關）電源頻率（有關）溫度（溫度較高時降低，低溫段隨溫度增加）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有3.3.轉向極化轉向極化144.4.空間電荷極化空間電荷極化極化機理：極化機理：正負離子移動介質類型：介質類型：含離子和雜質離子的介質建立極化時間：建立極化時間：很長極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場強度（有關）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關）極化彈性：極

8、化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有15當當t=0: 當當t=: A C1 U B P G2 G1 C2 1221CCUU1221GGUU C1 U G2 G1 C2 16 一般有一般有 電荷重新分配，在兩層介質的交界面處有積累電荷，稱為夾層極化夾層極化。 夾層界面上電荷的堆積是通過介質電導G完成的，高壓絕緣介質的電導通常都很小，這種性質的極化只有在低頻時才有意義 1212GGCC17（四（四) )電介質的介電常數(shù)電介質的介電常數(shù)相對介電常數(shù)及其物理意義相對介電常數(shù)及其物理意義相對介電常數(shù)是反映電介質極化程度的物理量相對介電常數(shù)是反映電介質極化程度的物理量18n氣體分子間的距離很大，密度很小，

9、氣體的氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對介電常數(shù)都接極化率很小，一切氣體的相對介電常數(shù)都接近近1 1n氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小壓力的增大略有增加，但變化很小氣體電介質的介電常數(shù)氣體電介質的介電常數(shù)19部分氣體的相對介電常數(shù)（環(huán)境條件部分氣體的相對介電常數(shù)（環(huán)境條件 20, 1 atm20, 1 atm） 氣體種類氣體種類相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)氦氦1.000072氫氫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1.0

10、0138空氣空氣1.0005920非極性和弱極性電介質：非極性和弱極性電介質：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r數(shù)值不大，在1.82.5范圍內。介電常數(shù)和溫度的關系和單位體積中的分子數(shù)與溫度的關系相似極性電介質：極性電介質：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等 r數(shù)值在26范圍內。還能用作絕緣介質強極性電介質：強極性電介質：如酒精、水等 r10，此類液體電介質用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大液體電介質的介電常數(shù)液體電介質的介電常數(shù)21根據(jù)轉向極化的特點，對介電常數(shù)隨溫度及頻變化的趨勢作出解釋： （1）T不變 f增大，r 減小 （2）f不變 T升高，r先增后減0246-30-101030

11、50溫度T ()相對介電常數(shù)f1f3f2頻率頻率 f1f2f3介電常數(shù)同溫度和頻率的關系（氯化聯(lián)苯）介電常數(shù)同溫度和頻率的關系（氯化聯(lián)苯）22非極性和弱極性固體電介質：非極性和弱極性固體電介質： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機玻璃等都屬此類 電介質只有電子式極化和離子式極化， r不大，通常在2.02.7范圍 介電常數(shù)與溫度的關系也與單位體積內的分子數(shù)與溫度的關系相近極性固體電介質：極性固體電介質： 樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機玻璃、聚氯乙烯和滌綸等 r 較大，一般為36，還可能更大。 r和T及f的關系和極性液體的相似離子性電介質：離子性電介質： 如陶瓷，云母等，相對介電

12、常數(shù)r 一般在58左右固體電介質的介電常數(shù)固體電介質的介電常數(shù)23 ( (五）討論極化的意義五）討論極化的意義n選擇絕緣選擇絕緣 在實際選擇絕緣時，除了考慮電氣強度外，還應考慮介電常數(shù)r 對于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r 較大的介質 對于電纜，為減小電容電流，要選擇r 較小的介質24( (五）討論極化的意義五）討論極化的意義n多層介質的合理配合多層介質的合理配合 對于多層介質，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其r 成反比，要注意選擇r ，使各層介質的電場分布較均勻，從而達到絕緣的合理應用n研究介質損耗的理論依據(jù)研究介質損耗的理論依據(jù) 極化形成和介質損失有關，要掌握不同極化類型對介質損失的影響n電氣預防性試驗：電氣預防性試驗：項目的理論根據(jù)n研發(fā)新型材料研發(fā)新型材料25 平行平板電極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時未發(fā)生間隙擊穿，當板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板(r=2.3)時，問此時是否會發(fā)生間隙擊穿現(xiàn)象？為什么？并請計算插入聚乙烯板前后的各介質中的電場分布。電介質極化應用實例一電介質極化應用實