電介質(zhì)的極化電導(dǎo)和損耗

1、高電壓技術(shù)李 衛(wèi) 國(guó) ， 第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗11-1 電介質(zhì)極化電介質(zhì)的極化有4種基本形式：電子位移極化離子位移極化轉(zhuǎn)向極化空間電荷極化 (夾層介質(zhì)界面極化)2極化機(jī)理：電子偏離軌道介質(zhì)類(lèi)型：所有介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-1410-15s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）溫度（無(wú)關(guān)）極化彈性：彈性消耗能量：無(wú)一、電子位移極化3極化機(jī)理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類(lèi)型：離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-1210-13 s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性消耗能量：無(wú) 二、 離子位移極化4三、轉(zhuǎn)向極化（偶極弛豫極化）極

2、化機(jī)理：極性分子轉(zhuǎn)向介質(zhì)類(lèi)型：偶極性及有離子弛豫性極化的離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：需時(shí)較長(zhǎng)，10-610-2 s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)）溫度（溫度較高時(shí)降低，低溫段隨溫度增加）極化彈性：非彈性消耗能量：有5四、空間電荷極化（夾層介質(zhì)界面極化）夾層介質(zhì)界面極化概念： 當(dāng)t=0: 當(dāng)t=: 6 一般有 電荷重新分配，在兩層介質(zhì)的交界面處有積累電荷，這種極化形式稱(chēng)夾層介質(zhì)界面極化。 夾層界面上電荷的堆積是通過(guò)介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才有意義 7極化機(jī)理：帶電質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)介質(zhì)類(lèi)型：不均勻（或夾層）介質(zhì)中建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)極化程度影響

3、因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有81-2 電介質(zhì)的介電常數(shù)一、介電常數(shù)及其物理意義真空中的介電常數(shù)0相對(duì)介電常數(shù)r介電常數(shù) = 0 r介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量，介電常數(shù)越大，極化出的電荷越多。在多層介質(zhì)中，不同的介電常數(shù)會(huì)影響電場(chǎng)分布。9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(duì)介電常數(shù)都接近1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，但變化很小二、氣體電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)10氣體種類(lèi)相對(duì)介電常數(shù)氦1.000072氫1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.

4、00096乙烯1.00138空氣1.00059部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件 20, 1 atm） 11 (1)中性電介質(zhì)： 如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r數(shù)值不大，在1.82.5范圍內(nèi)。 (2)極性電介質(zhì)： 如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等 r數(shù)值在26范圍內(nèi)。 (3)強(qiáng)極性電介質(zhì)：如酒精、水等 r10，此類(lèi)液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大三、 液體電介質(zhì)的介電常數(shù)12 根據(jù)轉(zhuǎn)向極化的特點(diǎn)，對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻率變化的趨勢(shì)作出解釋?zhuān)?（1）T不變時(shí) f增大，r 減小 （2）f不變時(shí) T升高，r先增后減頻率 f1f2f3(4)介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）1

5、3 （1）中性固體電介質(zhì)： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無(wú)機(jī)玻璃等都屬此類(lèi)電介質(zhì)，只有電子式極化和離子式極化形式，r不大，通常在2.02.7范圍。陶瓷，云母等晶體型離子結(jié)構(gòu)的中性電介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)r 一般在58左右。 （2）極性固體電介質(zhì)： 樹(shù)脂、纖維、橡膠、蟲(chóng)膠、有機(jī)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(guān)系和極性液體的相似四、 固體電介質(zhì)的介電常數(shù)1415 五、討論極化的意義1. 選擇絕緣在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除了考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r 選擇用于電容器中的絕緣材料時(shí)，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r 較大的介質(zhì)，這樣

6、，電容器單位容量的體積和重量就可以減小。選擇時(shí)要注意電氣強(qiáng)度，對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇r 較小的介質(zhì)又如電機(jī)定子線(xiàn)圈出槽口和套管等情況，如果固體絕緣材料的r減小，則交流下沿面放電電壓可以提高。162. 多層介質(zhì)的合理配合對(duì)于多層介質(zhì)，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(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用3. 材料的介質(zhì)損耗與極化類(lèi)型有關(guān)，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個(gè)重要因素。4. 夾層介質(zhì)界面極化現(xiàn)象在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中可用來(lái)判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等電容量很大的設(shè)備時(shí)，必須特別注意吸收電荷可能對(duì)人身安全造成的威脅。17 平行平板電

7、極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時(shí)未發(fā)生間隙擊穿，當(dāng)板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板(r=2.3)時(shí)，問(wèn)此時(shí)是否會(huì)發(fā)生間隙擊穿現(xiàn)象？為什么？并請(qǐng)計(jì)算插入聚乙烯板前后的各介質(zhì)中的電場(chǎng)分布。電介質(zhì)極化應(yīng)用實(shí)例一18解：(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm(2)插入后：Vs/Va= a / s，得 Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV)Es=16.7 kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV)Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)故插入聚乙烯板后空氣間隙擊穿19

8、對(duì)于同軸電纜，可采用多層介質(zhì)，在靠近內(nèi)電極處采用介電常數(shù)大的好處是什么？為什么？從介電常數(shù)的角度來(lái)分析油紙絕緣在套管中是如何改善電場(chǎng)分布的。目前固體絕緣的套管方興未艾，你是如何考慮材料的選擇呢？電介質(zhì)極化應(yīng)用思考題201-3 電介質(zhì)的電導(dǎo)任何電介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在它們內(nèi)部總有一些聯(lián)系較弱的帶電質(zhì)點(diǎn)存在。在外電場(chǎng)作用下，這些帶電質(zhì)點(diǎn)作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。因而任何電介質(zhì)都具有電導(dǎo)。 2101、漏導(dǎo)電流和絕緣電阻在電介質(zhì)上加上直流電壓，初始瞬時(shí)由于各種極化的存在，流過(guò)電介質(zhì)的電流很大，之后隨時(shí)間而變化。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，極化過(guò)程結(jié)束，流過(guò)介質(zhì)的電流趨于一定值I，這一穩(wěn)定電流稱(chēng)為漏導(dǎo)電流，與之相應(yīng)

9、的電阻稱(chēng)為電介質(zhì)的絕緣電阻R。這個(gè)電阻值包括了絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻 R1體積絕緣電阻； R2表面絕緣電阻。22介質(zhì)的絕緣電阻或介質(zhì)電導(dǎo)決定了介質(zhì)中的泄漏電流。泄漏電流大，將引起介質(zhì)發(fā)熱，加快絕緣介質(zhì)的老化。因此，一般所指泄漏電流是流過(guò)介質(zhì)內(nèi)部的電流，相應(yīng)的絕緣電阻是體積絕緣電阻，以此來(lái)反映介質(zhì)內(nèi)部的情況。由于表面電阻受外界的影響很大，因此在工程上測(cè)量絕緣電阻時(shí)，應(yīng)在測(cè)量回路中加以輔助電極，使表面泄漏電流不通過(guò)測(cè)量表。以后如不加以特殊說(shuō)明，絕緣電阻均指體積絕緣電阻。 23測(cè)量介質(zhì)中電流的電路圖24介質(zhì)電導(dǎo)的大小與帶電質(zhì)點(diǎn)的密度、速度、電荷量、外施電場(chǎng)有關(guān)。溫度越高，參與漏導(dǎo)的離子

10、越多，即電導(dǎo)電流越大。因此，介質(zhì)電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，與金屬電阻相反。當(dāng)介質(zhì)中出現(xiàn)自由電子構(gòu)成的電子電流時(shí)，表明介質(zhì)即將擊穿或已擊穿，此時(shí)介質(zhì)不能再作絕緣體，這時(shí)絕緣電阻值將急劇下降。電介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度上升而下降，近似于指數(shù)關(guān)系：R0溫度為0的絕緣電阻；Rit溫度為t的絕緣電阻； 溫度系數(shù) 25ic：快速極化造成的位移電流ia：空間電荷極化等緩慢極化 形成的，又稱(chēng)吸收電流ig：趨向穩(wěn)定值的漏導(dǎo)電流，又稱(chēng)泄漏電流02、 電介質(zhì)的電導(dǎo)電流 2603、介質(zhì)等值電路 其中Cg為純電容支路，代表介質(zhì)的幾何電容及無(wú)損極化過(guò)程，流過(guò)的電流ig ；Cp Rp代表有損極化（空間電荷極化）電流支路，流過(guò)電流i

11、p ； Rlk 代表電導(dǎo)電流支路，流過(guò)的電流為ilk。27在工程中使用得最多的是空氣，其帶電質(zhì)點(diǎn)來(lái)源主要有兩方面：一是外界紫外線(xiàn)、宇宙射線(xiàn)等照射，產(chǎn)生游離,離子濃度約為5001000對(duì)/cm3；二是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，氣體中電子的碰撞游離。實(shí)驗(yàn)電路如圖所示一、氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)28區(qū)域1：E1510-3 V/cm，電流密度 j 隨著E 增加而增加區(qū)域2：場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步增大，j趨向飽和區(qū)域3：場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)E2103 V/cm時(shí)，氣體電介質(zhì)將發(fā)生碰撞電離，從而使氣體電介質(zhì)電導(dǎo)急劇增大氣體電介質(zhì)中的電流密度場(chǎng)強(qiáng)特性當(dāng)外加電壓小于擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，空氣的電導(dǎo)率是很小的，為10-1510-16（-1 cm-1），故是良好的

12、絕緣體。氣體電導(dǎo)主要是電子電導(dǎo)。29形成電導(dǎo)電流的帶電質(zhì)點(diǎn)主要有兩種：一是構(gòu)成液體的基本分子或雜質(zhì)離解而成帶電質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)成離子電導(dǎo)。二是由于相當(dāng)大的帶有電荷的膠體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成電泳電導(dǎo)。中性和弱極性液體，在純凈時(shí)，電導(dǎo)很小，而當(dāng)含有雜質(zhì)和水分時(shí)，其電導(dǎo)顯著增加，絕緣性能下降，其電導(dǎo)主要由雜質(zhì)離子構(gòu)成。極性和強(qiáng)極性液體介質(zhì)，其分解作用很強(qiáng)，離子數(shù)多，電導(dǎo)很大；一般情況下，不能作絕緣材料。液體的分子結(jié)構(gòu)、極性強(qiáng)弱，、純凈程度、介質(zhì)溫度等對(duì)電導(dǎo)影響很大，各種液體電介質(zhì)的電導(dǎo)可能相差懸殊，工程上常用的變壓器油、漆和樹(shù)脂等都屬于弱極性。二、 液體電介質(zhì)的電導(dǎo)30區(qū)域1：液體電介質(zhì)的電導(dǎo)在電場(chǎng)比較小的情況下，遵循

13、歐姆定律區(qū)域2：隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大，與氣體相似，有一平坦區(qū)域區(qū)域3：場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增大超過(guò)某一極限，電極發(fā)射電子引起電流激增，最終擊穿液體電介質(zhì)中電壓電流特性31 固體介質(zhì)電導(dǎo)分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩部分。 離子電導(dǎo)很大程度取決于介質(zhì)中所含雜質(zhì)，特別是對(duì)中性及弱極性介質(zhì)，雜質(zhì)離子起主要作用。 當(dāng)電場(chǎng)很高時(shí)，由于碰撞游離和陰極電子發(fā)射，電子電導(dǎo)急增，預(yù)示絕緣接近擊穿。三、 固體電介質(zhì)的電導(dǎo)32固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)固體介質(zhì)的表面在干燥、清潔時(shí)，其電導(dǎo)很小，故其表面電導(dǎo)主要是由于附著于介質(zhì)表面吸附一些水分、塵埃或?qū)щ娦缘幕瘜W(xué)沉淀物而引起的，其中水分起著特別重要的作用。對(duì)中性和弱極性介質(zhì)（如石蠟、聚苯乙烯、硅有機(jī)

14、物等），水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很小，水分不易在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面電阻較高，電導(dǎo)較小，稱(chēng)這類(lèi)介質(zhì)為僧水性介質(zhì)。 極性介質(zhì)（如云母、玻璃等）及離子性介質(zhì)，水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很強(qiáng)，在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，表面電導(dǎo)較大，且與濕度有關(guān)。稱(chēng)這類(lèi)介質(zhì)為親水性介質(zhì)。采取使介質(zhì)表面洗凈、光潔、烘干、或表面涂以石蠟、絕緣漆、有機(jī)硅等措施，可以降低介質(zhì)表面電導(dǎo)。 33區(qū)域1：符合歐姆定律，也稱(chēng)低場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域區(qū)域2：電流隨場(chǎng)強(qiáng)非線(xiàn)性增加區(qū)域3：出現(xiàn)破壞先導(dǎo)電流區(qū)域2、3也稱(chēng)高場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域。和液體、氣體不同，固體中的電壓電流特性沒(méi)有飽和狀態(tài)固體電介質(zhì)的電壓電流特性34（1）絕緣預(yù)防

15、性試驗(yàn)的理論依據(jù)，預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣狀況（2）直流電壓下分層絕緣時(shí)，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率，實(shí)現(xiàn)各層之間的合理分壓（3）注意環(huán)境濕度對(duì)固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理 四、 討論電導(dǎo)的意義351-4 電介質(zhì)能量損耗及介質(zhì)損失角正切介質(zhì)損失角正切 工程介質(zhì) 的介質(zhì)損耗討論介質(zhì)損耗的意義 36一、介質(zhì)損耗的基本概念介質(zhì)損耗定義：介質(zhì)在交流電壓下的有功功率損耗介質(zhì)損耗包括兩部分： 電導(dǎo)引起的損耗 周期性極化引起的損耗 直流 電導(dǎo)損耗R、G 交流電導(dǎo)和極化損耗介質(zhì)損耗 37對(duì)同類(lèi)試品絕緣 電介質(zhì)的等效電路 電介質(zhì)中的電流和

16、電壓矢量 38定義 為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角 的余角介質(zhì)損失角正切值tg ，如同r 一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無(wú)關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì) 39電介質(zhì)的并聯(lián)與串聯(lián)等值電路并聯(lián)等值電路40串等值電路41二、氣體電介質(zhì)中的損耗當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于使氣體分子電離所需的值時(shí)，氣體介質(zhì)中的損耗極?。╰g 10-8），工程中可以略去不計(jì)。所以常用氣體（如空氣，N2；CO2，SF6等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)當(dāng)外施電壓U超過(guò)起始放電電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加 42三、液體電介質(zhì)中的損耗中性液體固體電介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定。介質(zhì)損耗與溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的關(guān)系決定于電導(dǎo)與這些因素之間的關(guān)

17、系 中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與溫度的關(guān)系示意圖 中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與電場(chǎng)的關(guān)系示意圖 43極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)式損耗和電偶式損托兩部分。損耗與溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系 松香油的tg 與溫度的關(guān)系 極性電介質(zhì)中的損耗與頻率的關(guān)系 44四、固體電介質(zhì)中的損耗中性介質(zhì)如石蠟、聚苯乙烯等，其損耗主要由電導(dǎo)引起，通常很小，在高頻下也可使用 極性的纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機(jī)材料（聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹(shù)脂、硬橡膠等）， tg 值較大，高頻下更為嚴(yán)重。與溫度、頻率的關(guān)系與極性液體相似45離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，其tg 與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)結(jié)構(gòu)緊密的不含雜質(zhì)的離子晶體

18、，如云母，其tg 主要是由電導(dǎo)引起，tg 極小，且云母的電氣強(qiáng)度高，耐熱性能好，耐局部放電性能也好，故云母是優(yōu)良的絕緣材料，在高頻下也可使用結(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu)中，有極化損耗，故介質(zhì)的tg 較大，玻璃、陶瓷屬此類(lèi)，但隨成分和結(jié)構(gòu)的不同，tg 相差懸殊46五、不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì) 如：電機(jī)絕緣中用的云母制品（是云母和紙或布以及環(huán)氧樹(shù)酯所組合的復(fù)合介質(zhì)）和油浸紙、膠紙絕緣等。 不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)的tg 取決于其中各成分的性能和數(shù)量間的比例峰值可能由紙極化損耗引起峰值可能由復(fù)合膠極化損耗引起471、反映單位體積中的損耗，與絕緣體的體積大小無(wú)關(guān) 例1：當(dāng)試品絕緣有兩種不同絕緣并聯(lián)組成 則： 需分解測(cè)量（如分別對(duì)變壓器線(xiàn)圈和套管進(jìn)行測(cè)量） 例2：當(dāng)集中性缺陷所占的體積相對(duì)于被試絕緣的體積越小，則集中性缺陷處的介質(zhì)損耗占被試絕緣全部介質(zhì)損耗中的比重越小 如：電機(jī)、電纜設(shè)備，被試絕緣體積較大，雖然集中性缺陷的發(fā)展是運(yùn)行中故障的主要原因，但測(cè)很難發(fā)現(xiàn)六、 電介質(zhì)損耗的特點(diǎn)及影響因素482、與溫度和頻率有復(fù)雜的關(guān)系3、與試驗(yàn)電壓的關(guān)系 當(dāng)所加試驗(yàn)電壓足以使絕緣中的氣泡游離或足以使絕緣產(chǎn)生電暈或局部放電等情況時(shí)， tg 的值將隨試驗(yàn)電壓的升高而迅速增大 因此，測(cè)定 tg 所用的電壓，最好接近于被試品的正常工作電壓，所加電壓過(guò)