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1、 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、硅橡胶第三章 液体和固体介质的电气特性 电导率 (绝缘电阻率 ) 介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度表征参数：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 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。介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：一、电介质的极化 放置固体介质时,电
2、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，cm2d -极间距离，cm下面的表3-1列出了常用电介质的r值（20C时）r是反映电介质极化特性的一个物理量。 可见，气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其他电气设备中往往希望选用r较小的电介质，这是因为较大的r往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用r较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流 、提高套管的沿面放电电压等。在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料
3、的r值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的r成反比。最基本的极化型式有电子式极化、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 ，其值为 （矢量 的方向为由q指向q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。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。 (二) 离子式极化固体无机化合
4、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。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
5、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。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。 偶极子极化与频率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
6、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3-6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
7、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上的电荷需要重新分配，设C1G2，则由上面两式：t=0时， U1U2 t 时， U1t2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 的关系如图所示。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；但此时偶极子单位时间
8、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。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，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：既有电导损耗，又有极化损耗； 20C和50Hz时 25； 玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。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。(2)有机绝缘材料可分为非极性和极性（本节完）小 结 电介质的极化 o电子式极化 o离子式极化 o偶极子极化 o夹层极化 电介质的电导为表征电介质导电性能的主要物理量 电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗
