4章电介质的电气性能资料

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1、第4章 液体,固体电介质的电气性能,第4章 液体,固体电介质的电气性能,4.1 液体,固体电介质的极化,电导与损耗 4.2 液体电介质的击穿 4.3 固体电介质的击穿 4.4 组合绝缘的电气性能,4.1 液体,固体电介质的极化,电导与损耗,4.1.1 电介质物质结构的基本知识 4.1.2 极化与电介质 4.1.3电介质的电导特性 4.1.4电介质的能量损耗及介质损失角正切,4.1.1 电介质物质结构的基本知识,电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无传导电子的结构，在外电场作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的固体、液体和气体物质总称为电介质. 电介质的地位：电介质与导体、半导 体、磁体等

2、作为材料，在电工电子工 程领域中占有重要的地位,为什么要讨论电介质：电介质放入外场后，内部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变化。我们有必要对变化后的物理量进行讨论。 电介质的主要用途：利用大介电常数构成电容器;利用高绝缘阻抗构成电工绝缘材料;驻极体、压电体、 热敏元件等等,电介质电气性能的划分（四类表征参数） 介电特性：指介电常数、介损等 电气传导特性：如载流子移动、高场强下的电气传导机理等 电气击穿特性 ：包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（V-t）等 二次效应：如空间电荷效应、陷阱、局域态中心、界面现象、化学结构、

3、形态、杂质等效应,电负性的概念: 1932年L.鲍林最先提出:电负性是元素的原子在分子中吸引电子的能力。 可见电负性不是一个孤立原子的性质而是在周围原子影响下的分子中原子的性质即电负性决定于原子在分子中的价态和环境 .非金属吸引电子能力较大,电负性数值大.而金属吸引电子能力较弱,电负性较小. 电负性不仅可以用来判断元素的金属性和非金属性,还可以合理地说明键长、键能、键偶极矩、键型过渡及其他一系列结构与性能规律,是化学上应用最广的基本概念之一。,分子的等效正电中心和等效负电中心： 电介质均由分子和原子组成，每个分子中所有正电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等

4、效点电荷的位置称为分子的正电荷中心； 同理，每个分子中所有负电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的负电荷中心,1. 形成分子和聚集态的各种健 分子由原子或离子组成;气体,液体和固体是3种聚集态,是由原子,离子或分子组成. 键代表质点间的结合方式,分子及3种聚集态的性质与键的形式密切有关. 分子内相邻原子间的结合力称为化学键,有两大类:离子键和共价键. 分子与分子间的结合力称为分子键.,1. 形成分子和聚集态的各种健 离子键：电负性相差很大的原子相遇,相互发生电子转移,电负性小的原子失去电子成为正离子,电负性大的原子获得电子成为负离子.

5、正、负离子由静电库仑力结合成分子，即正负离子间形成离子键。离子键键能很高,很多正负离子通过离子键结合形成离子性固体,如NaCl晶体.大多数无机介质都是靠离子键结合起来的,如玻璃,云母等.,1. 形成分子和聚集态的各种健 共价键：由电负性相等或相差不大的两个或几个原子通过共有电子对结合起来，达到稳定的电子层结构，称之共价键。有机电介质都由共价键结合而成,某些无机晶体如金钢石也是共价键. 共价键分为非极性键和偶极性键.非极性键的电子对称分布,分子正,负电荷中心重合,构成非极性分子,如CCl4、CH4等.偶极性键的电子分布不对称,分子的正,负电荷中心不重合. 分子键：分子以相互间的吸引力结合在一 起

6、，形成分子键.,2. 电介质的分类：根据化学结构分为4类 非极性电介质：分子由共价键结合，由非极性分子组成的电介质称非极性电介质。如氮气、聚四氟乙烯 弱极性电介质：有些非极性电介质由于存在分子异构或支链，多少有些极性，称弱极性电介质。如聚苯乙烯 偶极性电介质：由极性分子组成的电介质。如聚氯乙烯、有机玻璃等 离子性电介质：离子性电介质没有个别的分子，只以固体的形式存在。分为晶体和无定形体两类。如石英(无定形体)、云母(晶体),4.1.2 极化与电介质,极化的基本概念：电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极化 偶极矩:正、负电荷中心间

7、的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩rq,单位是D德拜,是一个矢量，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。偶极矩用于表示极性大小,偶极矩越大，极性越大。 极化的总效果是在介质边缘出现电荷分布,这些电荷仍束缚在每个分子中,所以称之为束缚电荷或极化电荷.,未加外电场时电介质中的粒子,在电介质中各粒子的正、负电荷中心重合 或者各分子的原子(或离子)处在各自的平衡位 置，均无感应偶极矩 或者极性分子(偶极子)混乱分布，在各个方向的 合成偶极矩为零,施加外电场后电介质中粒子极化,或由于正、负电荷的相对位移位移极化;或由于偶极子的转向偶极转向极化.均在电场方向产生偶极矩,一个平行平板电容器在真空

8、中电容量为C0,在平板间插入一个固体介质,电容器的电容量变为:r*C0, r为介质相对介电常数.电容量增大的原因是介质发生极化现象. 1.电介质极化的基本形式 位移极化 电子位移极化 离子位移极化 转向极化 空间电荷极化 夹层介质界面极化,电子位移极化:介质中的原子,分子或离子中的电子在外电场的作用下,使电子轨道相对于原子核发生位移,从而产生感应电矩的过程. 离子位移极化:在由离子结合的电介质内,外电场的作用使正负离子产生微小位移,平均地具有了电场方向的偶极矩,这种极化形式称为离子位移极化. 转向极化:又称取向极化,对于偶极性分子,在无外电场作用下,偶极性分子处于热运动状态,对外不具有偶极矩.

9、外电场作用下,偶极性分子在电场方向取向概率增加,对外平均具有了电场方向的偶极矩,称为转向极性. 空间电荷极化:介质内的自由正负离子在电场作用下移动,改变分布状况,在电极附近形成空间电荷,称为空间电荷极化.,夹层介质界面极化:实际的许多电气设备是多层电介质的绝缘结构.在不均匀夹层介质中,外加电场时介质交界面会积累电荷,称为夹层介质界面极化. 以双层电介质模型为例分析,下页图示:合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定,稳态时分压比由电导决定: 当t=0,U1/U2=C2/C1;当t ,U1/U2=G2/G1,如果 C2/C1=G2/G1,则双层介质表面电荷不重新分配.但实际上很难满足上述条件，电荷要重

10、新分配，这样在两层介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化.,2. 电介质的介电常数 电介质的介电常数的特性 电工术语上称作介电常数和相对介电常数r 并不是常数 随温度、频率而变化 是一虚数，分实部和虚部 通常使用的是实数部分,气体电介质的介电常数:气体分子间距离很大,密度很小,气体的极化率很低,因此气体的相对介电常数都接近1. 气体介电常数随温度升高而减小,随压力增大而变大,但是变化很小.,液体电介质的介电常数,分为: 非极性和弱极性电介质,相对介电常数较小:1.82.8 偶极性电介质,相对介电常数较大:3 80,固体电介质的介电常数,分为: 非极性和弱极性固体电介质,只有电

11、子式极化和离子式极化,相对介电常数较小:2.0 2.7,固体电介质的介电常数,分为: 偶极性固体电介质.相对介电常数较大:3 6 离子性电介质,相对介电常数较大:5 8,3. 讨论极化的意义 选择绝缘：在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑介电常数r。对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r较大的介质。对于电缆，为减小电容电流，要选择r较小 的介质 多层介质的合理配合：对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r成反比，要注意选择r，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用 研究介质损耗的理论依据：极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响

12、电气预防性试验：项目的理论根据 其他：如驻极体、铁电体、压电体、热电体等新型材料的研发,4.1.3电介质的电导特性,1. 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 电介质中的传导电流包括:漏导电流和位移电流两个分量 漏导电流：又称泄漏电流, 由介质中自由的或相互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,几种材料的电导特性与电阻率 电介质:电导主要由离子造成, 电阻率：1091022.cm, 温度升高电阻率下降 金属:电导主要由电子造成, 电阻率：10-610-2.cm, 温度升高电阻率增大 半导体:电导主要由离子造成, 电阻率

13、：102109.cm, 温度升高电阻率下降,测量介质试品电流的方法：三电极法 注意：测量时，仪表应避开 瞬时充电电流ic和放电电流 ic以避免过大的瞬时值损坏仪表,2.体积电导和表面电导 体积电阻率: V 单位.cm 用三电极法测量介质的 V 为: 式中, A为测量电极的有效面积，h为介质厚度，R V 由测量的漏导电流ig及电压值决定，RV=U/ig。,那么介质的体积电导率V则为,介质的表面电阻率和电导率：改变三电极的回路，设法测量上电极与辅助电极间的表面电流,屏蔽上下电极间的体积电流,即可测量表面电阻.其中 g代表两电极间距 电阻率:单位 电导率,3. 气体电介质的电导 吸收特性：气体中无吸

14、收电流 气体电介质的电导构成：带电粒子在电场中运动 气体离子的浓度：由外电离因素造成， 约为5001000对/cm2 如图所示,OA和AB段气体电导极微小,电阻率：1022cm 当场强超过Eb,气体电介质发生碰撞电离,气体电介质的电导急剧增大.,均匀电场中气体的伏安特性,4. 液体电介质的电导 吸收特性：液体中极化发展快，吸收电流衰减快 构成液体电介质的电导的因素：离子电导、电泳电导.离子电导是由液体本身或杂质的分子解离的离子决定;电泳电导是由固体或液体杂质以高度分散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附离子而带电造成的. 电阻率：与分子极性及液体的纯净程度有关 纯净的非极性液体电介质:1018c

15、m 弱极性1015cm 偶极性,极性越大分子的解离度越大,1010cm1012cm，在高频下由于损耗太大，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,4. 液体电介质的电导 温度特性：离子性电导随温度的升高而增加. 因为温度升高,使分子的解离度加大,而且离子较易克服周围位垒而成为自由离子,从而造成液体电导率迅速增加. 杂质和水分对液体电介质的绝缘有很大危害,电气设备在运行中一定要注意防潮,可以采用过滤,吸附,干燥等方法除去液体电介质中的水分和杂质.,5. 固体电介质的电导 吸收特性：固体介质中电流的吸收现象比较明显 电导构成：离子电导（电导的机理,规律和液体

16、类似），无电泳电导 电阻率 离子性电介质,电导大小与离子本身的性质有关： 结构紧密，洁净的电介质，电阻率为1017cm1019cm 结构不紧密且含单价小离子的电介质的电阻率仅达1013cm1014cm 非极性或弱极性电介质,：主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达1017cm1019cm 偶极性：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1015cm1016cm 固体电介质的电导不仅与微观结构有关,而且与材料的宏观结构有关,如纤维性材料或多孔性材料因为易吸水,一般电阻率很小.,固体介质的表面电导 固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质 表面状态分类：固体介质可按水滴在介质表面的浸润情况分为:憎水性和亲水性两大类,憎水性：水滴的内聚力