高电压技术 第1章 电介质的极化、电导和损耗_xl.ppt

高电压技术 广东工业大学 自动化学院 徐亮 13533456719 email:xugdut@ 第一篇 高电压绝缘与试验 § 教学目标 § 了解电介质介电常数的物理意义； § 掌握电介质极化的基本形式和极化特性； § 掌握电介质极化的等值电路； § 了解相对介电常数在工程应用上的意义 § 教学重点 § 四种基本极化形式，各自的特点和影响因素 § 教学难点 § 温度和频率对偶极子极化的影响 第一章 电介质的极化、电导和损耗 1-1 电介质的极化 § （a）电极间无介质 （b） 电极间有介质 § 实验如图所示平行平扳电容器放在密闭容器内，抽成真 空，然后在极板上施加直流电压U这时极板上积聚有正、负电 荷，其电荷量为Q0，然后把一块固体介质（厚度与极间距离相 等）放在极板之间，施加同样的电压，就可发现极板上的电荷 量增加到Q0+Q这是由介质极化现象造成的：即在外施电场作 用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移， 形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，相应地便在极板上另 外吸住了一部分电荷Q，所以极板上电荷增多，并造成电容量 亦增大 § 平行平板电容器在真空中的电容量为 § 式中 A - 极板面积，cm2； § d - 极板距离，cm； § 0 - 真空的介电常数，8.8610-14F／cm §  - 介质的介电常数 § 显然，C C0。

§ 定义： 为相对介电常数它是充满介质时的几何电容和真 空时的静电电容的比值各种气体的r均接近于1，而常 用的液体、固体介质的r则各不相同，多在26之间，且 和温度、电源频率不同而各不相同，并和各种极化形式 有关 极化的形式 § 极化的类型很多，基本形式有以下四种： § 电子式位移极化 § 任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原 子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，且 正负电荷作用中心重合，对外不显电性而在外电场 作用下，原子外层电子轨轨道对于原子核产生位移， 其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电 偶极子的状态这就是电子式位移极化 § 电子式位移极化存在于一切介质中它有以下特点： 1.形成极化所需时间很短，在各种频率下都可能发生 ，故r与外加电源频率无关； 2.它具有弹性，当外施电压去掉后，正、负电荷的相 互吸引力又可使极化原子恢复到原有状态，因是弹性 的，故无能量损耗； 3.温度对电子式极化的影响极小，r随温度上升略有 降低，但工程上可忽略温度的影响 § 离子式位移极化 § 固体有机化合物多属离子式结构，如云母、陶 瓷、玻璃等材料在无外电场时，正、负离子对称 排列，各离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩 为零。

在外电场的作用下，正、负离子将发生相反 方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩 ，对外呈现出电性特点有： § 离子式极化与电子式极化一样，也属弹性极化，几 乎无损耗； § 极化过程的时间较电子式极化稍长，在一般使用的 频率范围内，r与频率无关 § 温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素 ：即离子的结合力随温升升高而降，使极化程度增 强；但温度升高，离子的密度减小，极化程度降低 其中以第一种因素影响较大，所以其r一般具有正 的温度系数 § 转向极化/偶极子极化 § 偶极子是正、负电荷作用中心不重合的分子，分子的一 端呈正电荷，另一端呈负电荷，分子本身就是一个永久性的 偶极矩由这种永久性的偶极子构成的介质叫极性介质例 如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木、纤维素等均是常用的极 性绝缘材料单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介 质分子处于不停的热运动状态，宏观上是正负电荷是平衡的 ，对外不显电性在外电场的作用下，原来混乱分布的极性 分子沿电场方向作定向排列，因而呈现出极性 § 偶极子极化的特点： 1.偶极子极化是非弹性的，因为极化时极性分子旋转时 克服分子间的吸引力而消耗的电场能量在复原时不可能收回 ； 2.极化所需时间较长，为10-1010-2 s。

因此，极性介 质的r与电源频率有较大的关系，随频率的增高而上升，频 率很高时，偶极子来不及转向，因而其r减小 3.温度对极性介质的r有很大影响温度升高时，分子 间联系减弱，转向容易，极化加强；但分子热运动加剧，妨 碍它们有规律地运动，这又使极化减弱所以极性电介质的 r最初随温度或高而增加，以后当热运动变得较强烈时，r 又随温度升高而减小 § 夹层极化 以上是单一介质的情况在高压设备中常应用多种介质绝缘， 如电缆、电容器、电机和变压器绕组等，两层介质中常夹有油层、胶 层等，这时在介质的分界面上产生“夹层极化”现象这种极化过程 特别缓慢，且有能量损耗，属有损极化 以平板电极间的双层介质为例说明夹 层极化，如图所示在图中，每层介质 的面积及厚度均相等，外电压为直流电 压U0在合闸瞬间，两层之间的电压U 与各层的电容成反比（突然合闸的瞬间 相当于很高频率的电压 到达稳定时，各层电压与电阻成正比，即与电导成反比 如介质是单一均匀的，则r1 = r2，C1 = C2，G1 = G2，则合 闸后，两层介质之间不会产生电压重新分配过程 如介质不均匀，合闸后，两层介质之间有一个电压重新分配的 过程。

也即C1、C2上电荷要重新分配随时间t的增大，U1逐渐增大 而U2逐渐下降也即C2上一群分电荷要通过G2放掉，而C1要从电源再 吸收一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷由于夹层的存在，使 得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这一过 程称为吸收过程 § 吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为夹层 极化吸收过程要经过C1、C2和G1、G2进行，其放电时 间常数为 =(C1+C2)／(G1+G2)由于电导G的数值很小 ，因而时间常数 很大，极化速度非常缓慢当介质 受潮，电导增大， 将大大降低，极化速度加快假 如外加电压频率高，因电荷来不及动作而无此极化 § 同样道理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也 是十分缓慢的因此，对使用过的大电容量设备，应 将两极短接充分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆 续释放出来，危及人身安全 § 夹层极化特点： 1.夹层极化是是非弹性的，且有能量损耗的 2.极化过程很缓慢，它的形成时间从几十分之一秒到 几分钟，甚至有长达几小时因此，这种性质的极化 只有在低频时才有意义 1-2 电介质的介电常数 § 气体介质的介电常数 由于密度很小，也即单位体积内所含分子的数目很少 ，所以不论是非极性气体还是极性气体，其r 均很 小，在工程上可近似地认为其等r=1。

§ 液体介质的介电常数 可分为非极性、极性与强极性三种 § 非极性(或弱极性)液体的r在1.82.5，变压器油等 矿物油属此类 § 极性液体的r，在26，如蓖麻油、氯化联苯即属此 类 § 强极性液体的r很大（r10），如酒精、水等，但这 类液体介质的电导也很大，所以不能用做绝缘材料 § 固体介质的的介电常数 § 非极性介质：此类电介质的种类很多，聚乙烯 、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、石蜡、石棉、无机 玻璃等介电常数不大，通常在2.02.7范围 § 极性介质：用作高压设备绝缘材料，如酚醛树 脂、纤维、橡胶、有机玻璃、聚氯乙烯等，这 类电介质的相对介电常数较大，一般为36，还 可能更大 § 离子介质：如云母、陶瓷等，其r约在58左右 ，还有一些r很大的固体介质，如钛酸钡等， r1000，不能用做绝缘材料 § 选择电容器中的绝缘材料时，在相同耐电强度的情况下，要 选择r大的材料，以使电容器单位容量的体积、重量减小； 在其他绝缘结构里，希望材料的r要小些，如电缆，以减少 工作时的充电电流，如电机定子绕组出口槽和套管情况，以 提高交流下沿面放电电压 § 在使用组合绝缘时，要注意各种材料的r的适当配合，否则 会降低整体绝缘的绝缘能力。

双层串联介质结构中的电场强度是不相同的，与绝缘材 料的介电常数成反比，即在介电常数小的材料中承受较大的 电场强度如果绝缘中存在气泡，由于气体的r是最小的， 所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生游离， 引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低利用式所示特 性，可以改善电缆中的电场分布在电缆芯处使用r较大的 材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从 而提高整体的耐电强度 § 材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣 化和热击穿的一个重要因数 § 在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情 况在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷 对人身安全的威胁 1-3 电介质的电导 § 1. 电介质的电导 § 任何电介质都不是理想的绝缘体，在它们内部 总有一些联系较弱的带电质点存在在外电场 作用下，这些带电质点作定向运动，形成电流 因而任何电介质都具有电导 § 1.1 漏导电流和绝缘电阻 § 在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种 极化的存在，流过电介质的电流很大，之后随 时间而变化经过一定时间后，极化过程结束 ，流过介质的电流趋于一定值I，这一稳定电流 称为漏导电流，与之相应的电阻称为电介质的 绝缘电阻R。

§ 这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电 阻 § 式中 R1——体积绝缘电阻； R2——表面绝缘电阻 § 介质的绝缘电阻或介质电导决定了介质中的泄漏电流泄 漏电流大，将引起介质发热，加快绝缘介质的老化因此 ，一般所指泄漏电流是流过介质内部的泄漏电流，相应的 绝缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况， 由于表面电阻受外界的影响很大，因此在工程上测量绝缘 电阻时，应在测量回路中加以辅助电极，使表面泄漏电流 不通过测量表以后如不加以特殊说明，绝缘电阻均指体 积绝缘电阻 § 介质电导是离子电导，比金属电导小得多这种电导 一般包括两个方面：一是介质分子中的带电质点在热 运动和电场作用下离解成自由质点，沿电场方向作定 向运动而形成电导；二是介质中的杂质在电场作用下 离解成沿电场方向运动而形成的电导 § 介质电导的大小与带电质点的密度、速度、电荷量、 外施电场有关温度越高，参与漏导的离子越多，即 电导电流越大因此，介质电阻具有负的温度系数， 与金属电阻相反当介质中出现自由电子构成的电子 电流时，表明介质即将击穿或已击穿，此时介质不能 再作绝缘体，这时绝缘电阻值将急剧下降 §工程介质电导的性质 §气体介质电导 §在工程中使用得最多的是空气，其带电质点来源主要有两方面： 一是外界紫外线、宇宙射线等照射，产生游离,离子浓度约为 5001000对/cm3；二是在强电场作用下，气体中电子的碰撞游离 。

§当电场强度很小（EE1），外电离因素产生的离子克服与气体分 子碰撞的阻力而移动，迁移率接近常数，电流密度与电场强度成 正比，如图(b)中І区所示当电场强度进一步增大，外界因数所 造成的离子接近全部趋向电极时，电流密度即趋于饱和，如图 (b)3中ІІ区所示在该两区内气体的电导是极微小的标准状态 下的空气说，E1510-3V/cm和E2104V/cm.场强超过E2位时， 气体介质中将发生撞击游腐，从而使电流密度迅速增大，最后使 气隙击穿，如图(b)中ІІІ区所示 § 当外加电压小于击穿场强时，空气的电导率是很小的 ，为10-1510-16（-1·cm-1），故是良好的绝缘 体气体电导主要是电子电导 § 液体介质电导 § 液体介质中形成电导电流的带电质点主要有两种：一 是构成液体的基本分子或杂质离解而成带电质点，构 成离子电导二是由于相当大的带有电荷的胶体质点 构成电泳电导 § 中性和弱极性液体，在纯净时，电导很小，而当含有 杂质和水分时，其电导显著增加，绝缘性能下降，其 电导主要由杂质离子构成 § 极性和强极性液体介质，其分解。