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1、1.1 电介质的极化1.2 电介质的介电常数1.3 电介质的电导1.4 电介质的能量损耗,第一章 电介质的极化、电导和损耗,电介质的基本认识,电工认为电阻率超过 10欧/厘米的物质便归于电介质，其电阻率一般都很高，作为电气绝缘材料使用，故电介质亦称为电绝缘材料。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，不能自由移动。在外电场作用下，被束缚电荷在微观范围内产生移动。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。电工中常用电介质气体电介质：空气、氢气、六氟化硫(SF6)液体电介质：变压器油、石油、纯水固体电介质：云母、瓷、橡胶、纸、聚苯乙烯,1.1 电介质的极化
2、,1.1 电介质的极化,中性分子：对外不显电性。（云母、陶瓷、玻璃等）,极性分子：单个分子对外显电性，整体对外不显电性。（变压器油、松香、橡胶、胶木、 聚氯乙烯、纤维素等）,1.1 电介质的极化,电子位移极化：无损，完成时间10-1410-15s,1.1 电介质的极化,离子位移极化：几乎无损，完成时间10-1210-13s,1.1 电介质的极化,转向极化：有损，完成时间10-610-2s或更长，外电场越强，极性分子的转向定向就越充分，转向极化就越强,1.1 电介质的极化,绝 缘：耐火绝缘带+玻璃纤维编织+氟金云母带,空间电荷极化由带电质点的移动引起带电质点移动后堆积在夹层界面上由于高压绝缘介质
3、的电导通常都很小，所以极化过程缓慢，数秒数小时（直流或低频交流时发生）伴有能量损耗,1.1 电介质的极化,空间电荷极化（夹层极化）分析,当t=0: 当t=:,1.1 电介质的极化,刚开始加压时，各层介质的极化程度不一样，各层电介质中极化产生的电荷量也不一样，于是分界面显示出电的极性来，称为夹层极化。极化结束后，电荷要重新分配，就在两层介质的交界面形成一定的吸收电流。这种过程非常缓慢，在去掉电压后介质内部的吸收电荷要释放出来也非常缓慢。对于使用过的大电容设备，应将两极短接，彻底放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来危及人生安全,（1）是束缚电荷而不是自由电子。 （2）是有限位移而不是电荷流通
4、，不产生电流 。（3）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用对外显现电场力。,空间电荷极化（夹层极化）分析,注意问题：,1.1 小结,极化：在电场的作用下，电介质相对电极两面呈现电性的现象。,1.2电介质的介电常数,反映极板间加入电介质后相对于真空的感应电荷或电容量变化的倍数。,介电常数 ：表征电介质在电场的作用下的极化程度。,1.2电介质的介电常数,介电常数在工程应用中的意义,介电常数越大，电介质极化作用越强，须根据需要合理选用。电容器：介质介电常数大，可以减小电容器单位容量的体积和重量电力电缆：介电常数需小，否则工作时的充电电流和极化损耗会大 几种串联电介质组合在一起使用时，有,即场强分
5、布与介电常数成反比，此时要合理布置绝缘层，使电场分布均匀。 通过测量介电常数可以判断电介质是否受潮或所含气体的多少，当电介质受潮及老化分解气体时，介电常数会明显增大。,1.2电介质的介电常数,气体介质的相对介电常数,所有气体的相对介电常数都接近1 相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大， 但影响程度都很小。,1.2电介质的介电常数,液体介质的相对介电常数,中性液体介质(石油、苯、四氯化碳、硅油)相对介电常数一般在1.82.8之间,极性液体介质介电常数与温度的关系,低温时，分子间的黏附力强，转向较难，转向极化对 的贡献较小；温度升高，分子间的黏附力减弱，转向极化对 的贡献较大， 随
6、之增大；温度进一步升高，分子热运动加强，对极性分子定向排列的干扰也随之增强，阻碍转向极化的完成， 反而减小。,1.2电介质的介电常数,极性液体介质介电常数与电场频率的关系,影响很大,低频时，偶极分子来得及跟随电场交变转向，介电常数较大，接近于直流电压下的 ；频率超过 f0 时，极性分子转向跟不上电场的变化， 开始减小；随着频率的增高，介电常数最终接近于仅有电子位移极化所引起的介电常数值。,1.2电介质的介电常数,固体介质的相对介电常数,中性或弱极性固体介质 只具有电子式极化和离子式极化，介电常数 较小 例：石蜡、硫磺、聚乙烯 云母、石棉、无机玻璃等,1.2电介质的介电常数,极性固体介质,相对介
7、电常数都较大，一般为3-6 与温度和频率的关系类似极性液体所呈现的规律。 例：树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃等,1.2电介质的介电常数,常用电介质的介电常数,非极性物质：,弱极性物质：,极性物质：,1.3电介质的电导,离子电导，与金属电导相区别，其主要载流子是离子， 电导率随温度升高而指数上升 气体介质电导形成：电离出来的自由电子、正离子和负离子在 电场作用下移动形成液体和固体电导形成：介质的基本物质（包括杂质）分子发生化 学分解或热离解的带电质点沿电场方向移动形成,电介质的电导特点,1.3电介质的电导,气体介质的电导,电场强度很小时，电流密度与电场强度几乎成正比电场强度增大，外界因素造成的
8、离子全部趋向于电极时，电流密度饱和，但其值仍很小场强超过E2时，气体介质中将发生撞击电离，从而使电流密度迅速增加增大,宇宙射线，太阳光紫外线等,1.3电介质的电导,液体介质的电导,中性液体介质的电导主要由离解性的杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子所引起的对杂质非常敏感,极性液体介质的电导 不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有 关 介电常数越大，电导也越大,1.3电介质的电导,1,液体介质电导与温度的关系,式中 A、B 常数 T 绝对温度 电导率,原因：温度升高，液体介质的黏度降低，离子移动所受阻力减小，离子迁移率增大，电导增大；同时，液体介质分子的离解度增大，电导增大,1.3电介质的电导,极
9、纯净的液体介质中，电导与电场强度的关系电场强度小于某定值时，电导接近一常数；电场强度超过某定值时，电场将使离解出来的离子数量迅速增加，电导也就迅速增加，电流密度随场强呈指数规律增长,液体介质电导与电场强度的关系,1.3电介质的电导,固体介质的电导,中性固体介质的电导主要是由杂质离子引起的离子式结构的固体介质的电导主要是由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的，杂质在也是造成电导的原因之一,1.3电介质的电导,影响固体介质的电导的因素,温度 与液体介质情况相似 电场强度 与液体介质情况相似 杂质 影响很大 表面电导 介质表面吸附水分、尘埃或导电性的化学沉淀物形成,1.3电介质的电导,1.4电介质
10、中的能量损耗,介质损耗的基本概念及产生原因,电介质在电场作用下转换成热能的那部分能量，这些热会使电介质升温，导致老化加速，严重情况下可引起热击穿。极化过程与电导都会产生介质损耗。,1.4电介质中的能量损耗,介质内全部电流 J 的构成,纯电阻电流 Jr 电导引起纯电容电流 Jg 真空和无损极化引起阻容性电流 Jp 有损极化引起,：介质损耗角,1.4电介质中的能量损耗,介质损耗角正切（介质损耗因数）,指电介质在单位时间内每单位 体积中，将电能转化为热能而 消耗的能量表征每个周期内介质损耗的能 量与其贮存能量之比,1.4电介质中的能量损耗,电介质等效电路模型,工程简化电路模型,1.4电介质中的能量损
11、耗,在实际工程应用中，介质损耗通常都是用介质损耗角的正切tg 来表示的。用tg 值来研究电介质损耗具有以下两个明显的优点：（1） tg值可以和介电常数 同时测量得到；（2） tg 值与测量样品的大小和形状都无关，是电介质自身的属性，并且在许多情况下， tg 值比 值对介质特性的改变敏感的多。Tg 越大,介质的损耗越大，交流下的发热越严重，这不仅使介质的容易劣化，严重时导致介质的热击穿。绝缘受潮时其 tg 会增大，绝缘中存在气隙或大量气泡时在高电压下tg也会显著增大。因此通过测量tg 或 tg -U 曲线可发现绝缘是否存在受潮、开裂等缺陷。,的工程应用意义,1.4电介质中的能量损耗,1.4电介质
12、中的能量损耗,1.4电介质中的能量损耗,气体的介质损耗,，可以忽略不计。 ，气体介质将产生电离，介质损耗增大，且随着电压升高，损耗增长很快。,气隙击穿场强,1.4电介质中的能量损耗,液体和固体的介质损耗,中性液体和固体介质 主要由漏导决定，介质损耗与温度、场强等因素的关系 you电导与这些因素之间的关系决定,中性液体（固体）介质的 tg 与温度的关系,中性液体（固体）介质的 tg 与场强的关系,液体和固体的介质损耗,温度较低时，黏度大，偶极子转向较难，故tg较小温度升高，黏度减小，偶极子转向较易，故tg增大温度再高时，偶极子回转时的摩擦损耗减小很多，所以tg反而减小温度更高时，虽然黏度小，摩擦
13、损耗减小，但电导迅速增大，电导损耗增大，所以tg也迅速增大,极性液体介质损耗与温度的关系 电导式损耗+电偶式损耗,1.4电介质中的能量损耗,频率增高，偶极子回转频率和偶极损耗增高；与此同时，偶极式极化不充分，介电常数减小，电容电流不能与频率成比例增加， tg在某频率范围内随着频率增高而增大频率更高时，偶极子回转已完全跟不上电源频率，损耗功率趋于稳定，介电常数达到较低的稳定值，电容电流与频率成正比例增长，tg近乎与频率成反比例减小,1.4电介质中的能量损耗,液体和固体的介质损耗,极性液体介质损耗与频率的关系,1.4电介质中的能量损耗,液体和固体的介质损耗,极性固体介质损耗与温度的关系,规律性类似极性液体介质,1.4电介质中的能量损耗,Tg 随频率增加而增大，增大机理尚不明确，需要寻求新的解释,液体和固体的介质损耗,极性固体介质损耗与频率的关系,1 .用等效电路对夹层极化进行分析 2. 利用电介质的等效电路推导介质损耗因数的表达式,本章作业,
