高电压技术(第1章)解析

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1、第一章 电介质的极化、电导和损耗 高电压技术第3版 常美生主编 n电介质：指具有很高电阻率（ 通常为 1061019m ）的材料。 n电介质的作用：在电气设备中主要起绝缘作用， 即把不同电位的导体分隔开，使之在电气上不相 连接。 n电介质的分类：按状态可分为气体、液体和固体 三类。其中气体电介质是电气设备外绝缘 （电气 设备壳体外的绝缘）的主要绝缘材料；液体、固 体电介质则主要用于电气设备的内绝缘（封装在 电气设备外壳内的绝缘） 。 概述 n极化、电导和损耗：在外加电压相对较低（不超 过最大运行电压）时，电介质内部所发生的物理 过程。 这些过程发展比较缓慢、稳定，所以一直被 用来检测绝缘的状态

2、。此外，这些过程对电介质 的绝缘性能也会产生重要的影响。 n击穿：在外加电压相对较高（超过最大运行电压 ）时，电介质可能会丧失其绝缘性能转变为导体 ，即发生击穿现象。 一、电介质的极性及分类 n分子键：电介质内分子间的结合力。 n化学键：分子内相邻原子间的结合力。 根据原子结合成分子的方式的不同，电介质 分子的化学键分为离子键和共价键两类。 原子的电负性是指原子获得电子的能力。 电负性相差很大的原子相遇，电负性小的原 子的价电子被电负性大的原子夺去，得到电子的 原子形成负离子，失去电子的原子形成正离子， 正、负离子通过静电引力结合成分子，这种化学 键就称为离子键。 第一节 电介质的极化 电负性

3、相等或相差不大的两个或多个原子相 互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子 ，这种化学键就称为共价键。 离子键中，正、负离子形成一个很大的键矩 ，因此它是一种强极性键。共价键中，电负性相 同的原子组成的共价键为非极性共价键，电负性 不同的原子组成的共价键为极性共价键。 由非极性共价键构成的分子是非极性分子。 由极性共价键构成的分子，如果分子由一个极性 共价键组成，则为极性分子；如果分子由两个或 多个极性共价键组成，结构对称者为非极性分子 ，结构不对称者为极性分子。 分子由离子键构成的电介质称为离子结构的 电介质。 分子由共价键构成，且分子为非极性分子的 电介质称为非极性电介质，分子为极性分子

4、的电 介质称为极性电介质。 n偶极子 由大小相等、符号相反、彼此相距为d的两电 荷(q、q)所组成的系统称为偶极子。 偶极子极性的大小和方向用偶极矩来表示。 偶极矩的大小为正电荷(或负电荷)的电量q与正、 负电荷间距离d的乘积；方向为由负电荷指向正电 荷。 n极化：无论何种结构的电介质，在没有外电场 作用时，其内部各个分子偶极矩的矢量和平均 来说为零，电介质整体上对外没有极性。 当外电场作用于电介质时，会在电介质沿电 场方向的两端形成等量异号电荷，就像偶极子 一样，对外呈现极性，这种现象称为电介质的 极化。 n电介质极化的四种基本形式： 电子式极化、离子式极化、偶极子式极化 、空间电荷极化。

5、二、电介质极化的概念和极化的种类 l极化机理：无E时，正、负电荷的作用中心(即电子 运动轨道中心)重合，对外不显极性；有E时，电子 运动轨道发生了变形，并且与原子核间发生了相对 位移，正、负电荷作用中心不再重合。 l 特点： 极化过程所需的时 间极短， 10-1410-15s； 没有能量损耗，属弹性 极化； 受场强影响大，温度、 频率无影响； 存在于一切电介质中。 1.电子式极化 2.离子位移极化 l极化机理：无E时，大量离子对的偶极矩互相抵消 ，平均偶极矩为零，介质对外没有极性；在有 E时，正、负离子沿电力线向相反方向发生偏移， 使平均偶极矩不再为零，介质对外呈现出极性。 l特点： 极化过程

6、所需的时间很短，10-13s； 没有能量损耗，属 弹性极化； 温度对极化过程有 影响，频率无影响。 存在于离子结构的 电介质中。 3偶极子式极化 l极化机理：极性分子就是一个偶极子。在没有E 时，各个偶极子处于不停的热运动中，排列毫无 规则，对外的作用互相抵消，整个介质对外不呈 现极性；在有E作用时，偶极子受电场力的作用 发生转向，并沿电场方向定向排列，整个介质的 偶极矩不再为零， 对外呈现出极性。 这种由偶极子 转向造成的极化称 为偶极子式极化或 偶极子转向极化。 l特点： 极化过程时间较长，约为10-1010-2s。极化程 度与电压频率有关。频率很高时，偶极子的转 向跟不上电场方向的变化，

7、极化减弱。 极化过程中有能量损耗，非弹性。偶极子在转 向时要克服分子间的吸引力而消耗能量。 温度对极化过程影响很大。温度升高时，分子 间的结合力减弱，极化程度增大，但同时分子 热运动加剧，使极化程度减小。如何变化取决 于这两个相反过程的相对强弱。 存在于极性电介质中。 4空间电荷极化 l极化机理： 由电介质中自由离子的移动形成的。 其他形式的极化都是由束缚电荷的位移或转向形 成的。 夹层极化是空间电荷极化的一个特例，以夹层 极化为例说明极化过程： 当t=0: 当t: 一般 合闸后，两层介质上的电压有一个重新分配的过 程，即C1、C2上的电荷要重新分配。 设C1C2，G1UA后，因单位时 间内气

8、隙中产生的带电质 点在相同的时间内已全部 落入电极，所以U， I基 本不变。 区域3：UUB后， 气隙中出现了新的 游离过程，产生了 更多的带电质点， 故电流随电压的升 高而迅速增大。 U达到临界击穿电压U0 时，气隙中出现了 大量的带电质点，因而气体就转变成了良导体 。 三、液体电介质的电导 分成三个区域 区域a：在电场比较小的情况下 ，遵循欧姆定律。电导率就是 在此范围内定义的。 区域b：电流有饱和趋势但不太 明显。因液体的密度大，正、 负离子复合的概率大，不可能 所有的离子都运动到电极。而 U复合的概率I。 区域c：高场强区，液体分子发生了游离，电导迅速 增大。 低电场下液体电介质具有一

9、定的电导的原因： l液体本身的分子和所含杂质的分子（杂质是不可能 完全除去的）离解为离子，形成离子电导。 l液体中的胶体质点(如变压器油中悬浮的小水滴)吸附 电荷后变为带电质点，形成电泳电导。 中性液体介质离子主要来源于杂质分子的离解 ，极性液体介质除杂质外，本身的分子也易离解， 故相同条件下极性液体的电导率比中性液体的要大 。 某些强极性液体(如水、乙醇)，即使经过高度 净化，其电导率仍然很大，故不能作为电气设备的 绝缘材料。 影响液体介质电导的主要因素 l电场强度 l温度 一方面，温度升高时液体介质本身的分子和 所含的杂质的分子的离解度增大，从而使液体中 自由离子的数量增加；另一方面，温度

10、升高时液 体的粘度减小，离子在电场作用下移动时的阻力 减小，从而使离子运动的速度加快。 l杂质含量 液体中的杂质含量增大时，将使液体介质的 电导明显增大。 四、固体电介质的电导 固体电介质的电导分为体积电导和表面电导 两种，它们分别表示固体电介质的内部和表面在 电场中传导电流的能力。 中性或弱极性固体电介质的体积电导主要由 杂质离解所引起。 极性固体电介质的体积电导除杂质分子离解 引起外，本身的分子离解为自由离子也是形成电 导的主要因素。 离子式结构的固体电介质的体积电导则主要 由离子在热运动影响下脱离晶格移动所形成。 影响固体电介质体积电导的主要因素 l电场强度 场强较低时，加在固体介质上的

11、电压与流过 的电流服从欧姆定律。场强较高时，电流将随电 压的增高而迅速增大。 因固体介质发生碰撞游离的场强高，在发生 游离前阴极就能发射电子，形成电子电导，故流 过固体介质的电流不存在饱和区。 l温度 温度升高时，体积电导按指数规律增大。 l杂质 杂质含量增大时，体积电导也会明显增大。 固体电介质的表面电导主要是由附着于介质表 面的水分和其他污物引起的。 固体电介质的表面电导与介质的特性有关： 亲水性介质，容易吸收水分，水分可以在其表 面形成连续水膜，如玻璃、陶瓷就属此类。 憎水性介质，不容易吸收水分，水分只能在其 表面形成不连续的水珠，不能形成连续水膜，如石 蜡、硅有机物就属此类。 可见，憎

12、水性介质的表面电导通常要比亲水性 介质的小。 五、电介质电导在工程上的意义 l电介质电导的倒数即为介质的绝缘电阻。通过测量 绝缘电阻，可判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象 。 l多层介质串联时在直流电压下各层的稳态电压分布 与各层介质的电导成反比，故对直流设备应注意电 导率的合理配合。 l电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导 产生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升 高，有时必须降低设备的工作电流。在一定的条件 下，电导损耗还可能导致介质发生热击穿。 第三节 电介质的损耗 一、介质损耗的基本概念 1电介质的等值电路 ic-真空和无损极 化在外回路造成 的电流； ia-有损极化造成 的

13、电流； ig-电导电流。 串联的两层不同均匀介质的平行板电极上突然 加上直流电压 ，流过介质的电流i与时间 t的关系如 图所示。 C0-反映真空和无损极化 所形成的电容 ； Ca-反映有损极化形成的 电容； ra为反映有损极化的等效 电阻； rg为电介质的绝缘电阻。 电介质的等值电路为 交流电压作用下，电压和电流可用向量表示， 其向量图为 可见， 为阻性分量 和容性 分量 之和。故交流电压作用 下，电介质的等值电路还可进 一步简化为 （两元件并联） 交流电压电压 下,电电介质质的等值电值电 路还还可简简化为图为图 1-12（a)所示的两元件串联联的等值电值电 路,(b)为为其相 量图图。 2介

14、质损失角正切 介质的能量损耗包括：电导损耗和极化损耗 直流电压下，介质只在加压时发生一次极化， 这一次极化产生的能量损耗与电压长期作用下的电 导损耗相比完全可以忽略，故可认为直流下只有电 导损耗。电导损耗用电导率 即可表达。 交流电压下，介质除电导损耗外，还有周期性 极化引起的极化损耗，这时总的介质损耗需引入一 个新的物理量来表示。 由介质的并联等值电路及其向量图， 若为功 率因数角，则的余角称为介质损失角。 介质损失角正切和有功功率为 若介质采用串联等值电路，则可写出 通常tan很小，故对串联等值电路可得 由此可见，不论介质采用并联等值电路还是串 联等值电路，在外加电压的大小、频率及被试品尺

15、 寸一定时，tan 与P成正比，故tan可以反映介质在 交流电压下损耗的大小。 介质损失角正切值tan ，是流过介质的有功电 流和无功电流的比值，它只取决于介质的特性和状 况，而与外加电压(在电压不是很高时)和被试品的 尺寸无关。同种介质、不同尺寸的设备间的tan 可 以相互比较。 用tan 衡量介质的损耗比P更方便。 二、气体电介质的损耗 l当外施电压U小于气体分子 开始发生碰撞游离的电压U0 时，气体中的损耗主要是电 导损耗，损耗极小（tan 10-8）。 l当U超过U0时，损耗随电压 的升高急剧增大。此时的损 耗主要是由气体分子发生游 离而消耗电场能量造成的， 称为游离损耗。 l中性或弱

16、极性液体电介质的损耗主要由电导决定 。介质损耗与温度、电场强度等因素的关系决定 于电导与这些因素之间的关系 。 三、液体电介质的损耗 l极性液体介质中的损耗主要包括电导损耗和极化损 耗两部分。损耗与温度、频率等因素有较复杂的关 系。 当tt1时， tan增大 当t1tt2时， tan增大 与频率的关系一般 是随频率的增大先增大 后减小。 与外加电压的关系 与中性液体类似。 l中性固体介质如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要 由电导引起， tan通常很小。 l极性固体介质如纸、聚氯乙烯、有机玻璃等，既 有电导损耗也有极化损耗，故 tan值较大。 l离子式结构的固体介质，其tan与结构特性有关 结构紧密且不含使晶格畸变的杂质的离子晶 体，如云母，其损耗主要由电导引起， tan极小 。 结构不紧密的离子结构中，存在有损耗的离 子松驰极化，故介质的tan较大，玻璃、陶瓷属 此类。 四、固体电介质的损耗 l设计绝缘结构时，应注意介质的tan