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1、高电压技术 孙岩洲 电气工程系 High Voltage Technology 电介质(dielectric)： -在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、 在电力系统用作绝缘的材料。 -极化是指物质中电荷分离形成偶极子的过程 电介质 气体电介质 液体电介质 固体电介质 电介质从贮存电能的角度看 绝缘材料从隔离电流角度看 1 电介质的极化、电导和损耗 2Polarization, Conduction and Loss (Dissipation) 一.电介质的极化(dielectric polarization) 和介电常数(permittivity) 1. 极化：在外加电场的作用
2、下，电介质中的正、负 电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成偶极矩子 is a phenomenon on elastic displacement of electric charges and forming dipoles. 极化对介电常数的影响： Q 束缚电荷 相对介电常数： relative dielectric constant Experiments of parallel plate capacitor In vacuum, the capacitance of the test capacitor:C0 电子位移极化 2. 电介质的极化种类 特点：存在于一切电介质，极化所需时间
3、短， 不随频率变化； 极化具有弹性，不损耗能量 Electronic polarization An electrical field always displaces the center of charge of the electrons with respect to the nucleus and thus induce a dipole moment. 离子位移极化 特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短； 极化具有弹性，无能量损耗； 随温度升高而增大 E Ionic polarization. Ionic polarization of crystal of NaCl
4、有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不 重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质， 例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。 每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在 外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电 矩等于零，整个介质对外并不表现出极性 出现外电场后偶极子沿 电场方向转动，作较有 规则的排列， 因而显出 极性，这种极化称为偶 极子极化或转向极化。 U U 电极 电介质 E 偶极子极化 In thermal equilibrium, the dipoles will be randomly oriented and thus carr
5、y no net polarization. The external field aligns these dipoles to some extent and thus induces a polarization of the material. Orientation polarization 频率太高时偶极子将来不及转动，因而其r 值变小。温 度对极性电介质r 值也有很大的影响。因为温度较低时 分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以r 很小。温 度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向， 使极化减弱。所以液体固体的r 在低温下先随温度的升 高而增大，以后当热运动变的较强烈时，r
6、 又开始随温 度的上升而减小。 特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长， 与电源频率有很大关系；极化消耗能量； 温度过高或过低， 都会减小 空间电荷极化(夹层极化 Interface polarization) 3. 讨论电介质极化的意义 （）不同应用场合，对r 大小的要求不同 （）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质场强与r 成反比，要注意各种材料的 r值的配合； （3）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿 特点： 存在于复合介质、不均匀介质中；极化过程很缓慢 ，只在直 流 和低频交流下表现出来；极化伴随着能量损耗 为便于比较，将上述各种极化列为下表 极化种类类产产生场场合所需
7、时间时间能量损损耗产产生原因 电电子位移极化任何电电介质质10-15 s无 束缚电缚电 子运行 轨轨道偏移 离子位移极化 离子式结结构电电 介质质 10-13 s几乎没有 离子的相对对偏 移 转转向极化极性电电介质质10-610-2 s有 偶极子的定向 排列 夹层夹层 极化 多层层介质质的交 界面 10-1 s数小时时有 自由电电荷的移 动动 课堂的现场实验演示课堂的现场实验演示 教授正在示范如何将一个气球（表面喷有导电涂料） 在他脑袋和一小型静电产生器之间来回碰撞 返回 二. 电介质的电导(electrical conduction) 1. 定义：is a measure of a mate
8、rials ability to conduct an electric current. 要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标： 用电导率(conductivity) (s/)表示 绝缘材料的电阻率：1081020 导体的电阻率：10-810-4 半导体的电阻率：10-4107 电阻率 2.电介质电导与金属电导的区别 3.液体和固体电介质的与温度的关系： 带电质点：电介质中为 ionic conduction（固有及杂质离子）； 金属中为 electronic conduction 数量级：电介质的小，泄漏电流小；金属的电导电流很大 电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所
9、含杂质、 温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是 主要因素 温度 热运动加剧离子迁移率 介质分子或杂质热离解 电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温 度系数。 4. 固体电介质的体积电导和表面电导 体积电导 volume conduction 电介质内部绝缘状态的真实反映 表面电导 surface conduction 受介质表面吸附的水分和污秽影响 水分起着特别重要作用。 亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大 憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯） 表面电导小 三.电介质的损耗(dielectric loss) 任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包 括由电导引起
10、的损耗和由某些极化过程引起的损 耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。 1. 介质损耗的含义 Dielectric dissipation, also called dielectric loss, consists of conductive losses and polarization losses. 2. 电介质的三支路等值电路 C1displacement current related to lossless polarization C2-R2related to loss polarization R3related to leakage loss Parallel-connect
11、ed equivalent circuit 吸收曲线 3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象 | 充 电 电 流 | 吸 收 电 流 | 泄 漏 电 流 dielectric absorption curve 4. 介质损耗角正切tg Dissipation or loss factor 交流电压作用下的向量图： 介质损耗角 为功 率因数角 的余角，其 正切 tg 又可称为介质损 耗因数，常用百分数（ %）来表示。 并联等值电路：Parallel-connected equivalent circuit 并联电路中： 由相量图： 5. 用tg作为综合反映介质损耗特性优劣的指标 理由：介质损耗P
12、值和试验电压U、试品等值电容 量、电源频率等许多因素有关，而tg 是一个仅 取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无 关的物理量。 tg 的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中 常通过测量tg来判断设备绝缘的好坏。 一切电介质的电气强度都是有限的，超过某 种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能， 甚至演变成导体。 在电场的作用下，电介质中出现的电气现象： 1. 在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等 2. 在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等 气体放电的基本理论： 汤逊理论 流注理论 研究气体放电的目的： 了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质 演变成导体的过程； 掌握气体介质的电
13、气强度及其提高的方法 Chapter 2. 气体放电的物理过程 基本概念回顾： 原子在外界因素作用下，使其一个或几个 电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程 电离 电离能 电离过程所需要的能量称为电离能 ，也可用电离电位 反映。 一次电离、二次电离 一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程 施加能量WWi 自由电子 电离 激励 施加能量 光子 激励 施加能量 自由电子 分级电离 施加能量 2.1 气体中带电粒子的产生与消失 一. 带电粒子的产生(电离过程） 1.碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被 撞粒子能量，使其电离 根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几 种电
14、离形式 是气体中产生带电粒子的 最重要的形式 电子引起碰撞电离的条件： 条件： 撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能 一定的相互作用的时间和条件，通过复杂 的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 动能、位能 主要的碰撞电离由电子完成 2.光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游 离出自由电子 -由光电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线 异号粒子复合也产生光子 光辐射能够引起 光电离的临界波长 可见光（400750nm）不能 使气体直接发生光电离 分子动能碰撞电离 热辐射光子的能量、数量光电离 热电离是热状态下碰撞电离
15、和光电离的综合 温度超过10000K时（如电弧放电）热电离较强， 在温度达到20000K左右，几乎全部空气分子都已 经处于热电离状态 4.电极表面电离: -气体中的电子也可从金属电极表面游离出来 。 -游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体 分子的电离能 -表明金属表面电离比气体空间电离更易发生 随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在 下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面 光电子发射：高能辐射线照射电极表面 热电子发射：金属电极加热 强场发射：电极表面附近存在强电场 5.负离子的形成: 中性分子或原子与电子相结合，形 成负离子（附着） 附着过程中放出能量（亲合能） 电负性气体 大 , 易形
16、成负离子强电负性气体，如SF6 负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发 展起抑制作用 二. 带电粒子的消失（去电离、消电离） 1. 中和在电场作用下作定向运动，消失于电极 而形成外电路中的电流 (迁移率) 2. 扩散因扩散而逸出气体放电空间（热运动） 3. 复合带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的 传递、中和而还原为中性粒子的过程 （多为负离子与正离子复合，而碰撞电离 多为电子碰撞粒子产生） 与电离相反的 物理过程 2.2 气体放电机理 a Ua b Ub c Uc 空气中电流和电压的关系 V A 一.平行板电极实验（汤逊，Townsend)： E 0 I U S U0 自持放电区 非自持放电区 各种高能辐射线（外界电离因子）引起： 阴极表面光电离 气体中的
