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1、,第5章 液体和固体介质的电气特性,电介质的电气特性表现在电场作用下的,导电性能,介电性能,电气强度,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：,液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶,电导率 (绝缘电阻率 ) 介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度,描述电介质（绝缘材料属于电介质）电气特性的四大表征参数：,第5章 液体和固体介质的电气特性,5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化,5.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的极化
2、 电介质的电导 电介质的损耗,放置固体介质时,电容量将增大为:,相对介电常数：,0-真空的介电常数, -介质的介电常数,r-介质的相对介电常数,A -极板面积，cm2,d -极间距离，cm,对于平行平板电容器，极间为真空时：,5.1.1、电介质的极化,电介质的极化是即在外加电场的作用下，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，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。介电常数来表示极化强弱。,1. 各种气体的r均接近于l，而常用的液体、固体介质的r大多在26之间。 2. 各种介质的r与温度、电源频率的关系也各不相同，这与极化的形式有关。,最基本的极化型式有电
3、子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。现简要介绍如下：,(一)电子式极化,在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，这种极化称为电子式极化或电子位移极化。 其极化强度与正、负电荷作用中心间的距离d成正比，且随外电场的增强而增大,电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点： 完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。 所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。,电子式极化的特点:,(二) 离子式极化,固体无机化合物大多属离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电场作用时，每个分子的正、负离子
4、的作用中心是重合的，故不呈现极性。在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性 。,离子式极化的特点： 1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状； 2、所需时间很短，其 几乎与外电场频率无关。,温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其 一般具有正的温度系数。,(三)偶极子极化,极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。例如蓖麻油、橡胶、酚醛树脂和纤维素等都是常用的极性绝缘材料 .,当没有外电场时，单个的
5、偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动之中，整个介质对外并不呈现极性。,出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。,偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，1010102s，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系，频率很高时偶极子来不及转动，因而其r减小,偶极子极化与频率f 的关系：,偶极子极化与温度t的关系：,温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。,对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极
6、子转动比较困难，所以 很小。液体、固体介质的 在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱， 又开始随着温度的上升而减小。,如图为极性液体、固体介质的 与温度的关系。,(四)夹层极化,凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。,t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：,t= ,电压分配将与电导成反比：,一般 即C1、C2上的电荷需
7、要 重新分配，设C1G2，则 由上面两式：,t=0时， U1U2 t 时， U1U2,可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总的电压U保持不变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。,于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电流称为吸收电流。,由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。,可见，气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。,表5-1 几种常见电介质的介电常数,相对介
8、电常数及其物理意义:,相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量,(五)电介质的介电常数,气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小,气体电介质的介电常数：,部分气体的相对介电常数（环境条件 20, 1 atm）,非极性和弱极性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r数值不大，在1.82.5范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似 极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等 r数值在26范围内。还能用作绝缘介质 强极性电介质：如酒精、水等 r10，此类液体电介质用作电容器浸渍
9、剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大,液体电介质的介电常数：,非极性和弱极性固体电介质： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类 电介质只有电子式极化和离子式极化， r不大，通常在2.02.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近 极性固体电介质： 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，还可能更大。 r和T及f的关系和极性液体的相似 离子性电介质： 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右,固体电介质的介电常数：,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
10、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 电气预防性试验：项目的理论根据 研发新型材料,5.1.2、电介质的电导,电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率，来表征介质的绝缘电阻 。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。, =1,1、电子电导：以电子为载
11、流体，一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。,2、离子电导： 工程上所用的电介质或多或少地含有一些带电质点（主要是杂质离子），另外有些电介质在电场或外界因素影响下（如紫外线辐射），本身会离解成正负离子。在电场作用下，沿电场方向移动，形成了电导电流，这就是离子电导。,3、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。,固体、液体介质的电导率 与温度T 的关系：,A常数，与介质性质有关； T热力学温度，单位为K； 电导活化
12、能； k波尔兹曼常数。,在测绝缘电阻时，必须注意温度，最好在同一温度下进行测量，以便比较。,1. 固体电介质除了通过电介质内部的电导电 流Iv外，还有沿介质表面流过的电导电流Is。 2. 由电介质内部电导电流Iv所决定的电阻称为 体积电阻Rv，其电阻率为v。 3. 由表面电导电流Is决定的电阻称为表面电阻 Rs，电阻率为s。 4. 气体和液体电介质只有体积电阻。,体积电阻率，是在单位长度的正方体的电介质中，所测得其两相对面上的电阻。体积电阻测量如图5-1所示,cm,电介质的厚度为d，电极表面积为S，3为屏蔽电极，利用它可除去表面电流Is，以准确测得电介质内部的电流Iv,-1cm-1,式中 Gv
13、体积电导,体积电阻率，是指在单位长度的正方形表面积上，相对两边之间测得的电阻。表面电阻的测量见图5-2,设电介质表面两电极间距离为d,电极长度为l, 测得的表面电阻为Rs（），则表面电阻率为,式中 Gv表面电导,S,绝缘预防性试验的理论依据: 预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况 直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压 注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理,讨论电导的意义：,三、电介质的损耗,(一)电介质的损耗的基本概念,介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损
14、耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。,直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。,式中： 电源角频率； 功率因数角； 介质损耗角。,交流时：流过电介质的电流,此时介质的功率损耗：,（3-7）,1.用介质损耗P表示介质品质好坏是不方便的，因为P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tan来判断介质的品质。 2.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
15、表示 3.tan同r一样，是仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关的物理量。,对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可 用三个并联支路的等值回路来表示。,有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。,R反映电导损耗,C0反映电子式和离子式极化,C，r支路反映吸收电流,(二)气体、液体和固体介质的损耗,1.气体介质损耗,当电场强度小于使气体分子电离所需的值时，气体介质中的损耗极小（tg 10-8），工程中可以略去不计。所以常用气体（如空气，N2；CO2，SF6等）作为标准电容器的介质
16、当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加,中性或弱极性液体介质的损耗主要起因于电导，所以损耗较小。它们与温度的关系也和电导相似,2.液体介质损耗,（1）中性和弱极性液体介质,中性液体或中性固体电介质的tg与温度的关系示意图,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系示意图,极性液体（如蓖麻油）以及极性和中性液体的混合油都具有电导和极化两种损耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系。,（2）极性液体介质,电导损耗占主要部分，tan重新随温度上升而增加,T升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，极化损耗增加,分子热运动加快，极化强度减弱，极化损耗减小,3.固体介质损耗,固体介质通常分为分子式结构介质、离子式结构介质、不均匀结构介质和强极性电介质四大类，但强极性电介质在高压设备中极少使用 ； 分子结构中的中性介质如石蜡、聚乙烯、聚苯乙
