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1、第三章 液体和固体介质的电气特性,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、硅橡胶电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能 介电性能（介电常数和介质损耗正切） 电气强度,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗,一、电介质的极化,电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。极化概念：电场中有电介质时，由于电场的作用电介质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变化。这个过程称作极化。,介电常数
2、来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时： 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,电容量增大的原因在于电介质的极化现象。 是由电介质极化引起的束缚电荷。r是反映电介质极化特性的一个物理量。气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。,电介质的极化有五种基本形式：电子式极化离子式极化偶极子（转向)极化夹层极化空间电荷极化,（一）电子式极化在外电场 的作用下介质原子中的电子运动轨迹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极化机理：电子运动轨道偏离原
3、子核介质类型：所有介质建立极化时间：极短，约10-15 s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（无关）极化弹性：弹性；消耗能量：无,（二）离子式极化 固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。 在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平 均偶极矩不再为零，介质呈现极化。 极化机理：正负离子的相对偏移介质类型：离子式结构电介质建立极化时间：极短，约10-13 s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加）离子的结合力随温度升高而减小，使极化程度增强；离子的密度随温度的
4、升高而减小，使极化程度减弱极化弹性：弹性；消耗能量：无,（三）偶极子极化（转向极化）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。极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。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。,极化机理：偶极子的定向排列介质类型：极性电介质建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关）温度（温度较高时
5、降低，低温段随温度增加，即先增后降）极化弹性：非弹性；消耗能量：有,偶极子极化与电源频率f 的关系： 频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当于直流电场下的相对介电常数。f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变， 值不断下降；当f f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化， 减小到 。,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
6、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。,（四）夹层极化 夹层介质界面极化概念：合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定。稳态时分压比由电导决定。 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。当t=0:当t :,如果 则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上 很难满足上述条件， 电荷要重新分配，这样在两层介 介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。 极化机理：自由电荷的移动。 夹层极化所引起的电荷积聚过程中所形成的电流称为吸收电流。 这种极化形式存在于不均匀夹层
7、介质中，伴随有能量损失，夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，高压绝缘介质的电导通常都很小，极化建立需时很长，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，这种性质的极化只有在直流和低频时才有意义。,二电介质的电导 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。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、电子电导：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： 本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率10101014 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率10171019空穴又称电
8、洞（Electron hole），在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现像。,3、电泳电导：在液体介质中载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。4、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 的关系可近似地用下式表示式中：A、B 为与介质有关的常数，其中固体介质的常数B 通常比液体介质的B 值大的多。T 为绝对温度，单位
9、为K 。该式表明, 随温度T 按指数规律上升。绝对零度，也就是-273.15（摄氏度）。热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是Tt273.15。,三、电介质中的损耗,（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。,/22,交流时：流过电介质的电流 包含有功分量 和无功分量即,此时介质的功率损耗： 介质
10、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。通常采用tg作为综合反映介质损耗特性的一个指标。（为什么不采用介质损耗P？）,介质损失角正切的概念：由于存在损耗，U和I之间的夹角不再是90的关系，IC代表流过介质总的无功电流，IR代表流过介质的总有功电流，IR包括了漏导损失和极化损失。从直观看，IR大则损失大，定义一个新的物理量，即介质损失角正切值tg来代表介质在交流电压下的损耗tg仅反映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关,介质的电压电流向量图,/22,有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流 ，吸收电流 和传导电流 三个分量叠加在一起为总电流,在
11、直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。 电容电流 在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是一极短暂的充电电流；吸收电流 随着电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，约经数十分钟才衰减到零，具体时间长短取决于绝缘的种类、不均匀程度和结构；传导电流 是唯一长期存在的电流分量。（交流电压？）,上述三支路等值电路可采用并联等值电路或串联等值电路来分析。并联电导损耗 串联极化损耗1、并联等值电路,2、串联等值电路 有损电介质可用一只理想的无损耗电容Cs 和一个电阻r 相串联的等值电路来代替，如图所示。,由向量图有： 由于：所以：介质损耗角 值一般很小，所以：,并联等值回
12、路中：tg=IR/IC=1/CpRP=U2/R=CpU2tg,串联等值回路中：tg=Ur/Uc=CsrP=I2r=,/22,介质损耗因数：并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的比值。串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的比值。,1.气体介质损耗气体分子间的距离很大，相互间的作用力很弱，所以极化过程中不会引起损耗。如外加电场不足以引起电离，则气体中只存在很小的电导损耗。 气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。,/22,(二)气体、液体和固体介质的损耗,2.液体介质损耗（1）中性和弱极性液体介质损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗
13、）为 (W/cm3) 式中 电介质的电导率，S/cm 电场强度，V/cm由于 与温度有指数关系（3-6），故P0也以指数规律随温度的升高而增大。,（2）极性液体介质除了电导损耗外，还存在极化损耗。在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的 亦上升，并在tt1时达到极大值；在t1tt2以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而 就随时间t的上升而持续增大。,极性液体介质的 和 与电源角频率 的关系如右图所示。当 较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶
14、极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小， 也小，且主要由电导损耗引起。如 减至很小， 反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。,随 增大，转向极化逐渐跟不上电场交变， 开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、 增大。一旦 大到偶极子完全来不及转向时， 值变得最小而趋于某一定值， 也变得很小 ，因为这时只剩下电子式极化了。在这样的变化过程中，一定有一个 的极大值，其对应的角频率为,3.固体介质损耗(1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由电导引起损耗，电导率小，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 电工陶瓷（电瓷）：既有电导损耗，又有极化损耗；常温下
15、电导很小。20C和50Hz时 电瓷的 25； 玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。(2)有机绝缘材料可分为非极性和极性非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。,讨论损耗的意义(1) 选择绝缘。tg 过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为 tg 大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流(2) 预防性试验中判断绝缘状况。如果绝缘受潮或劣化，tg将急剧上升，在预防试验中可通过tgU的关系曲线来判断是否发生局部放电(3) 当tg大的材料需加热时，可对材料加交流电压，利用材料本身介质损的发热。该方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法,
