高電壓電介質(zhì)

電介質(zhì)的理論基礎(chǔ)

極化現(xiàn)象

1、構(gòu)成電介質(zhì)分子的分類（1）中性分子（原子）：分子（或原子）中正負(fù)電荷的作用重心是重合的，對(duì)外不顯電性。

（如固體無(wú)機(jī)化合物云母、陶瓷、玻璃等）（2）極性分子：分子中正、負(fù)電荷的作用重心不重合，而保持一定的距離，單個(gè)分子對(duì)外顯電性，由于熱運(yùn)動(dòng)的原因，各分子的排列雜亂無(wú)章，不同分子對(duì)外電性相互抵消，故對(duì)外不顯電性。（偶極分子）

（如變壓器油、松香、橡膠、膠木、聚氯乙烯、纖維素等）電介質(zhì)（絕緣介質(zhì)）內(nèi)幾乎沒有自由電子，但在外電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)表面依然會(huì)出現(xiàn)電荷（束縛電荷），束縛電荷的位移或偶極性分子的轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與外電場(chǎng)的方向相反，使電容器極板間場(chǎng)強(qiáng)減小，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。極化的幾種類型位移極化和轉(zhuǎn)向極化無(wú)極電介質(zhì)的位移極化極性電介質(zhì)的轉(zhuǎn)向極化按物質(zhì)構(gòu)成極化可分為：電子式極化離子式極化偶極子極化夾層極化+-+-E=0E電子式極化+++---+-+++---+-E=0E離子式極化+-+-+-+-+--++-+-+-+-+--++-+-+-+-+-+-+-+-E=0E偶極式極化

各種極化示意圖：

無(wú)極分子在沒有外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心重合。但在外電場(chǎng)作用下，分子正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場(chǎng)方向的分子電偶極矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷（束縛電荷）。極化電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)方向與外電場(chǎng)方向相反。

電子式極化

當(dāng)兩層不同電介質(zhì)串聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合絕緣時(shí)，剛開始加壓時(shí)，各層介質(zhì)的極化程度不一樣，各層電介質(zhì)中極化產(chǎn)生的電荷量也不一樣，于是分界面顯示出電的極性來，稱為夾層極化。極化結(jié)束后，電荷要重新分配，就在兩層介質(zhì)的交界面形成一定的吸收電流。這種過程非常緩慢，那么在去掉電壓后介質(zhì)內(nèi)部的吸收電荷要釋放出來也非常緩慢。因此對(duì)于使用過的大電容設(shè)備，應(yīng)將兩極短接，徹底放電，以免過一定時(shí)間后吸收電荷陸續(xù)釋放出來危及人生安全。+夾層式極化-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-特別是長(zhǎng)電纜和大電容器，使用后的放電時(shí)間有時(shí)長(zhǎng)達(dá)5——10min注意：夾層極化極化類型極化對(duì)象極化過程極化性質(zhì)極化時(shí)間極化與溫度的關(guān)系電子式極化中性的原子在外電場(chǎng)作用下，電子軌道發(fā)生變形或位移，對(duì)外顯示電性彈性極化,不消耗能量10-15—10-13秒溫度升高，極化減弱離子式極化離子化合物正離子順電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)離子逆電場(chǎng)方向移動(dòng),對(duì)外顯示電性彈性極化，不消耗能量10-13—10-11秒溫度升高極化增強(qiáng)偶極式極化極性偶極分子在外電場(chǎng)情況下,偶極分子轉(zhuǎn)向,對(duì)外顯示電性要消耗能量10-12—10-2秒溫度升高，極化減弱夾層式極化幾種不同的電介質(zhì)界面交接面極化程度不一,顯示出電性,并形成介質(zhì)內(nèi)部電流要消耗能量10-2—104秒比較幾種極化的區(qū)別1、相對(duì)介電常數(shù)-+----++++++++----+----++++-Q=Q0Q=Q0+?Q真空中的介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)在工程中的意義相對(duì)介電常數(shù)以該物質(zhì)為介質(zhì)的電容器的電容與以真空中為介質(zhì)的同樣大小電容器電容量的比值，稱為相對(duì)介電常數(shù)，簡(jiǎn)稱介電系數(shù)。它表征電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下極化程度的物理量（1）εｒ

越大，電介質(zhì)極化作用越強(qiáng)，其絕緣性能越差。故要合理選用。例如電容器：要求εｒ

大些，這樣電容器單位容量的體積和質(zhì)量就會(huì)減小。電力電纜：要求εｒ

小些，則工作時(shí)的充電電流和極化損耗就會(huì)降低。（2）幾種串聯(lián)電介質(zhì)組合在一起使用時(shí)，有如下公式ε1Ｅ1=ε2Ｅ2

即串聯(lián)電介質(zhì)的場(chǎng)強(qiáng)分布與εｒ成反比。εｒ越小其介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)越大，εｒ越大其介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)越小。故在串聯(lián)介質(zhì)中要合理考慮電場(chǎng)的分布，盡量使電場(chǎng)分布均勻。（3）通過測(cè)量εｒ可以判斷電介質(zhì)是否受潮或所含氣體的多少。當(dāng)電介質(zhì)受潮及老化分解氣體時(shí)，εｒ會(huì)明顯增大。

電介質(zhì)電導(dǎo)的基本概念1、電導(dǎo)：電介質(zhì)并不是理想的絕緣體，在電場(chǎng)的作用下仍然會(huì)有一定的電流通過，表征電介質(zhì)絕緣電阻的倒數(shù)這就是電介質(zhì)的電導(dǎo)。

I=U/R=GUG—電導(dǎo)，單位SR=ρL/Sρ—電阻率，Ω?m

γ=1/ρ

γ—電導(dǎo)率，S/m2、帶電質(zhì)點(diǎn)的形成(定向移動(dòng))構(gòu)成電介質(zhì)的電導(dǎo)，其種類有（1）電子電導(dǎo)：是帶負(fù)電荷的電子（2）離子電導(dǎo)：電離了的原子或原子團(tuán)，它們可以帶正電荷也可以帶負(fù)電荷。如Na+、Cl-、

(OH)-等。（3）膠粒電導(dǎo)：帶電的分子團(tuán)，即膠粒。如油中處于懸浮狀態(tài)的水滴等。3、電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬導(dǎo)體電導(dǎo)的區(qū)別電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)或膠粒電導(dǎo)

金屬導(dǎo)體中的電導(dǎo)是自由電子電導(dǎo)

(即介質(zhì)或介質(zhì)中雜質(zhì)分子在熱運(yùn)動(dòng)和電場(chǎng)作用下離解為自由離子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)形成的電導(dǎo))均勻電場(chǎng)中氣體的導(dǎo)線特性

A區(qū)：U升高，I隨U正比升高

B區(qū)：U升高，但I(xiàn)趨于飽和

C區(qū)：電荷驟增，I急劇上升

氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)1.液體中構(gòu)成電導(dǎo)的因素（1）液體本身離解為離子，構(gòu)成離子電導(dǎo)。（2）液體中膠體質(zhì)點(diǎn)，如碳渣、浮狀水滴吸附電荷后形成的帶電膠粒，從而構(gòu)成膠粒電導(dǎo)，或稱為電泳電導(dǎo).2.液體電介質(zhì)的分類（1）中性液體—本身不易發(fā)生離解，其離子主要是來于雜質(zhì)分子的離解，由雜質(zhì)離子所構(gòu)成。如:變壓器油(弱極性)（2）極性液體—除雜質(zhì)外本身的分子也容易發(fā)生離解。如純凈水；乙醇；蓖麻油等。3.影響液體介質(zhì)電導(dǎo)的主要因素（1）溫度--溫度升高時(shí)液體介質(zhì)本身的分子和所含雜質(zhì)分子離解度增大，從而使液體中自由離子數(shù)目增加。溫度升高時(shí)液體的粘度減小，使離子的運(yùn)動(dòng)加速，導(dǎo)致帶電質(zhì)點(diǎn)增加。（2）雜質(zhì)--受潮--發(fā)生化學(xué)變化液體電介質(zhì)中的電導(dǎo)分為體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)1.體積電導(dǎo)—體積泄漏電流(Ig)形成原因（1）高電場(chǎng)下從電極下拉出的電子。（2）介質(zhì)中雜質(zhì)和雜質(zhì)本身由于電場(chǎng)和熱的原因而離解出的離子。2、表面電導(dǎo)-----表面泄漏電流(Ig’)形成原因（1）表面水分（水膜的厚度及面積）（2）污物（水分+污物）（3）介質(zhì)表面吸附水分的能力。(憎水性和親水性)親水性介質(zhì)表面可以形成連續(xù)的水膜：陶瓷，玻璃憎水性介質(zhì)表面形成不連續(xù)的水珠：石蠟，硅有機(jī)物

Q:以上介質(zhì)哪種表面電導(dǎo)小？（4）污物的類型。如金屬粉末、水解性化合物如酸堿鹽等。Ig’IgIgU固體電介質(zhì)的電導(dǎo)表面電導(dǎo)和體積電導(dǎo)的倒數(shù)稱為體積泄漏電阻和表面泄漏電阻，即：可見絕緣電阻是由體積泄漏電阻和表面泄漏電阻二者并聯(lián)組成的。絕緣電阻因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，絕緣介質(zhì)內(nèi)部離子、分子運(yùn)動(dòng)加劇，絕緣物內(nèi)的水分及其中含有的雜質(zhì)、鹽分等物質(zhì)也呈擴(kuò)散趨勢(shì)，使電導(dǎo)增加，絕緣電阻降低。（負(fù)溫度系數(shù)）為什么介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度升高而減小，金屬材料的電阻卻隨溫度升高而增加？絕緣材料電阻系數(shù)很大，其導(dǎo)電性質(zhì)是離子性的，而金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)是自由電子性的，在離子性導(dǎo)電中，作為電流流動(dòng)的電荷是附在分子上的，它不能脫離分子而移動(dòng)。當(dāng)絕緣材料中存在一部分從結(jié)晶晶體中分離出來的離子后，則材料具有一定的導(dǎo)電能力，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料中原子、分子的活動(dòng)增加，產(chǎn)生離子的數(shù)目也增加，因而導(dǎo)電能力增加，絕緣電阻減小。而在自由電子性導(dǎo)電的金屬中，其所具有的自由電子數(shù)目是固定不變的，而且不受溫度影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料中原子、分子的運(yùn)動(dòng)曾江，自由電子移動(dòng)時(shí)與分子碰撞的可能性增加，因此，所受的阻力增大，即金屬導(dǎo)體隨溫度升高電阻也增大了

電氣設(shè)備中為什么絕緣電阻隨溫度升高而降低？

1、電介質(zhì)電導(dǎo)的倒數(shù)即為介質(zhì)的絕緣電阻。絕緣電阻在理論上應(yīng)包括體積絕緣電阻和表面絕緣電阻兩部分，通常所說的絕緣電阻一般指體積絕緣電阻。通過測(cè)量絕緣電阻可以判斷絕緣是否受潮或有其它劣化現(xiàn)象。2、多層介質(zhì)串聯(lián)時(shí)在直流電壓下各層的穩(wěn)態(tài)電壓分布與各層的電導(dǎo)成反比，故對(duì)直流設(shè)備應(yīng)注意電導(dǎo)率的合理配合。3、電介質(zhì)的電導(dǎo)對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行有重要影響。電導(dǎo)產(chǎn)生的能量損耗使設(shè)備發(fā)熱，為限制設(shè)備的溫度升高，有時(shí)必須降低設(shè)備的工作電流。在一定的條件下，電導(dǎo)損耗還可能導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生熱擊穿。電介質(zhì)電導(dǎo)在工程上的意義1、介質(zhì)損耗在外加電壓下，電介質(zhì)中的一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在電介質(zhì)中，稱為介質(zhì)損耗。2、介質(zhì)損耗的原因（1）電導(dǎo)損耗—主要是由電導(dǎo)引起的。（2）極化損耗—偶極式極化+夾層式極化3、電離損耗電離：氣體原子外層電子在外電場(chǎng)的作用下克服原子核的作用而形成自由電子，原子因失去電子而形成正離子的過程叫電離。電離的過程使游離的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)的作用下碰撞氣體分子使氣體發(fā)熱導(dǎo)致的能量損耗。電介質(zhì)損耗的基本形成電介質(zhì)的理論基礎(chǔ)電阻性電流：(泄漏電流、電導(dǎo)電流)不隨時(shí)間變化，絕緣受潮時(shí)比重加大。絕緣體的導(dǎo)電性：絕緣體在外加電壓作用下的微小電流導(dǎo)通。導(dǎo)電性與所加電壓、電壓的頻率、溫度、所含雜質(zhì)有關(guān)。無(wú)損極化電流：(幾何電流)存在時(shí)間短。有損極化電流：(吸收電流)存在時(shí)間較長(zhǎng)，絕緣受潮時(shí)，其持續(xù)時(shí)間變短。根據(jù)衰減的直流分量來判斷絕緣是否受潮。

介質(zhì)損耗的危害性介質(zhì)損耗介質(zhì)發(fā)熱介質(zhì)溫度升高介質(zhì)極化和電導(dǎo)（電離）加強(qiáng)損耗增大介質(zhì)薄弱區(qū)域造成損害所以：介質(zhì)損耗的大小反映了介質(zhì)絕緣的優(yōu)劣狀況i—t曲線

ic：無(wú)損極化造成的電流（電子式極化+離子式極化）衰減時(shí)間短。

Ia：有損極化所造成的電流（偶極式極化+夾層式極化）衰減時(shí)間較長(zhǎng)。

ig：電導(dǎo)電流。（恒定電流即泄漏電流）tiiiaicig直流電壓下的介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗的分析C0：反映無(wú)損極化形成的電容C0、ra：有損極化形成的電容和電阻。rg：介質(zhì)的絕緣電阻。介質(zhì)嚴(yán)重受潮后，吸收比為什么接近1？受潮絕緣戒指的吸收現(xiàn)象主要是在電源電場(chǎng)作用下形成夾層極化電荷，此電荷建立即形成吸收電流，由于水是強(qiáng)極性介質(zhì)，又具有高電導(dǎo)而很快過渡為穩(wěn)定的泄漏電流，故受潮介質(zhì)吸收嚴(yán)重，吸收比接近1。rgigraiac0icca直流高壓電介質(zhì)直流下的等值電路（單層，多層）介質(zhì)損耗的分析由前面等值電路的分析可知，電介質(zhì)在直流電壓作用下泄漏電流是逐漸衰減致穩(wěn)定值的。這一現(xiàn)象在絕緣中稱為吸收現(xiàn)象。依據(jù)吸收現(xiàn)象表現(xiàn)的情況也可以來判斷絕緣的好壞。當(dāng)絕緣干燥良好時(shí)，良好絕緣的吸收現(xiàn)象明顯，故通常用加壓后60s和15s的電阻比值作為判斷依據(jù)，稱為吸收比K。一般規(guī)定吸收比k≥1.3，表明絕緣干燥良好．

吸收現(xiàn)象與吸收比交流電壓下介質(zhì)損耗（1）電流相量圖rgigraiac0icca交流高壓本等值回路的電阻和電容分別

代表介質(zhì)的總損耗（極化損耗和電導(dǎo)損耗）和介質(zhì)的總電容（包括幾何電容和夾層極化引起的電容增量）。φδUIcpIRI

電介質(zhì)的并聯(lián)等值回路

若損耗主要是由電導(dǎo)引起的一般采用并聯(lián)等值回路。若損耗主要是由電介質(zhì)極化和連接導(dǎo)線引起的則采用串聯(lián)等值電路。交流電壓下串聯(lián)等值電路并聯(lián)等值電路φδUIcpIRI介質(zhì)損耗與介質(zhì)損失角正切tgδ串聯(lián)等值電路故當(dāng)電介質(zhì)在外加電壓大小、頻率、及被試品尺寸一定時(shí)，tgδ與P成正比。tgδ表達(dá)的是電介質(zhì)有功電流和無(wú)功電流的比值，它如同介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率一樣，僅取決于介質(zhì)本身的特性和狀況，與電壓（在電壓不是很高時(shí)）和試品的尺寸（絕緣體積）無(wú)關(guān)，因而不同的試品的tgδ可相互比較。故在工程上用tgδ來衡量介質(zhì)損耗的大小。

電介質(zhì)的有功損耗1、電源頻率的影響2、溫度的影響溫度增加，tgδ逐漸增大。3、外加電壓的影響工程上一般取外加額定電壓為10KVωω0tgδU0Utgδ影響電介質(zhì)tgδ的因素（1）選用絕緣介質(zhì)，必須注意材料的tgδ。介質(zhì)的損耗越大，交流下的發(fā)熱越嚴(yán)重，這不僅使介質(zhì)的容易劣化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致介質(zhì)的熱擊穿。