高电压技术 第1章 电介质的极化、电导和损耗_XL讲解

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1、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

2、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，8.8610-14Fcm - 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

3、，而常 用的液体、固体介质的r则各不相同，多在26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，

4、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

5、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

6、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10-1010-2 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

7、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

8、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

9、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

10、极性(或弱极性)液体的r在1.82.5，变压器油等 矿物油属此类。 极性液体的r，在26，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2.02.7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36，还 可能更大。 离子介质：如云母、陶瓷等，其r约在58左右 ，还有一些r很大的固体介质，如钛酸钡等，

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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 5001000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（EE1），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，E1510-3V/cm和E2104V/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10-1510-16（-1cm-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