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1、第一章 电介质的极化、电导和损耗,高,电,压,技,术,主编 常美生 制作 谢茂林 张建宏 夏琰,第一章 电介质的极化、电导和损耗,目 录 第一章 电介质的极化、电导和损耗 第二章 气体电介质的击穿特性 第三章 液体和固体电介质的击穿特性 第四章 绝缘实验原理 第五章 电气设备的绝缘 第六章 线路和绕组中的波过程 第七章 雷电及防雷电设备 第八章 雷电过电压及 其保护 第九章 内部过电压及保 第十章 电力系统的绝缘配合,第一章 电介质的极化、电导和损耗,第一章 电介质的 极化、 电导和损耗,要求 熟悉电介质在电场作用下的极化、电导和损耗等物理现象，以及它们在工程上的合理应用。,第一章 电介质的极
2、化、电导和损耗, 电介质的极化、电导和损耗的概念 各类电介质的极化、电导和损耗的特 点 相对介电常数r 电介质的等值电路 介质损失角正切tan 电介质极化、电导和损耗在工程上的 意义,知识点,第一章 电介质的极化、电导和损耗, 相对介电常数r 介质损失角正切tan 电介质的极化、电导和损耗在工程上的意义,重点和难点,第一章 电介质的极化、电导和损耗,1.1电介质的极化,内容,极化的概念和极化的形式,介电常数,电介质极化在工程上的意义,第一章 电介质的极化、电导和损耗,一、极化的概念和极化的形式,（一）极化的概念,电介质有外电场作用时，正、负电荷受电场力的作用，其相对位置发生变化，电介质的表面出
3、现电荷,这种现象称为电介质的极化。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,（二）极化的形式,电子式极化 2离子式极化 3偶极子式极化 4. 夹层式极化,第一章 电介质的极化、电导和损耗,图11 电子式极化示意图,定义：无外电场时对外不显电性。外电场 作用下由于电子发生相对位移而发生极化。 特点：极化过程时间极短，约10-1410-15 s ；极化是弹性的，无能量损耗；与电源 频率、温度无关。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,图12 离子式极化示意图,定义：发生于离子结构的电介质中。正常对外不呈现极性，在外电场作用下正、负离子偏移其平衡位置，使介质内正、负离子的作用中心分离，介质对外呈现极性。 特
4、点：时间极短，约10-1210-13s；极化是弹性的，无能量损耗；极化程度与电源频率无关，随温度升高而略有增加。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,图13 偶极子式极化示意图,极性电介质的分子本身就是一个偶极子。在没有外电场作用时,整个介质对外不呈现极性。在有外电场作用时，偶极子受电场力的作用发生转向，并沿电场方向定向排列，整个介质对外呈现极性。这种由偶极子转向造成的极化称为偶极子式极化。 特点：极化过程时间较长，约10-1010-2s；极化非弹性的，去掉外电场，不能恢复到极化前的状态，有能量损耗；极化程度与电源频率、温度有关,第一章 电介质的极化、电导和损耗,图14 夹层极化物理过程示意图,
5、S刚合闸瞬间 （相当于施加很高频率的电压）,等值电路中电容支路的容 抗远小于电导支路的电阻 ，两层介质上的电压分配 与各层电容成反比,稳态时,等值电路中电容支路相当 于开路，两层介质上的电 压分配与各层电导成反比,对两层不同的介质,设 C1C2、G1G2 ，t0时，U1U2； t时， U1U2，这样，在t0后，U2下降，U1 上升。即C2上 的部分电荷经G2放掉，而C1则要经过G2从电源再吸收 一部分电荷，结果使两层介质的分界面上出现了不等 量的异号电荷，从而显示出电的极性来,第一章 电介质的极化、电导和损耗,夹层式极化:使夹层电介质分界面上出现电 荷积聚的过程。由于夹层极化中有吸收电 荷，故
6、夹层极化相当于增大了整个电介质 的等值电容。,夹层式极化的特点：极化过程缓慢;是非弹性的;只有在直流电压下或低频电压作用下，极化才能呈现出来，有能量损耗。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,【实例分析】设图14（b）中C1=1，C2= 2，G1=2，G2=1，U=3，为了说明的简便， 全部参数均只标数值，略去单位,合闸初瞬: U1=2U2 =1， Q1=U1C1=2 Q2=U2C2=2,稳态时 :U1=1，U2=2 Q2=U2C2=4，分界面上堆积的电荷为413。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,二、介电常数,当极板间为真空时，电 压U对真空电容器充电， 极板上出现电荷Q0。此 时电容器的电
7、容值C0为,极板面 积，单 位为 cm2,真空的介电数， 8.861014F/cm。,极间距 离，单 位为cm,固体介质插入后,在电 场作用下，电介质发 生极化，在沿电场方 向的两个表面上产生 异号电荷，所产生的 电场与外施电压产生 的电场方向相反。因 为U不变， E将保持不变。为维持 电场恒定，极板上的 电荷增加用以抵消极 化电荷所产生的反电 场。,极化后,固体介质 的介电常 数,第一章 电介质的极化、电导和损耗,相对介电常数r,它是表征电介质在电场作用下极化程度的物理量,r的值由电介质的材料 决定，并且与温度、频 率等因素有关。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,第一章 电介质的极化、电导
8、和损耗,三、电介质极化在工程上的意义,（1）选择电介质时，除应注意电气强度 等要求外，还应注意r的大小 。 （2）几种绝缘介质组合在一起使用（高 压电气设备的绝缘常是这种情况）时，应 注意各种材料r的配合 （ 3）材料的介质损耗与极化形式有关， 而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一 个重要因素。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,（4）在绝缘预防性试验中，夹层极化 现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用 电容器等大容量设备时，须特别注意吸 收电荷对人身安全的威胁。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,1.2 电介质的电导,内容,电介质电导的概念,电介质的等值电路和绝缘电阻,各类电介质电导的特点,电介
9、质电导在工程上的意义,第一章 电介质的极化、电导和损耗,一、电介质电导的概念,电介质内部总有一些带电质点（主要是正 、负离子）,在外电场作用下作定向运动， 形成电流，这种现象称为电介质的电导。 电介质电导与温度有密切的关系，温度越 高，电导越大，这一特性恰与金属电导相 反。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,二、电介质的等值电路和绝缘电阻,存在的 时间很 短，很 快衰减 到零,泄漏电流，是不随时 间变化的恒定电流,介质的绝 缘电阻,反映有损极化形成的电容,反映 真空 和无 损极 化所 形成 的电 容,反映有损极化的等效电阻,存在的 时间较 长,第一章 电介质的极化、电导和损耗,绝缘电阻R可表示
10、为 :,体积绝缘电阻,表面绝缘电阻,介质绝缘电阻的大小决定了介质中泄漏电流 的大小。泄漏电流大，将引起介质发热，加 快介质的老化。固体介质的绝缘电阻包括体 积绝缘电阻和表面绝缘电阻，是它们两者并 联的总阻值 。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,1气体电介质的电导,气体介质只要工作在场强低于其击穿场强 时，其电导是很微小的，为10-1510-16 ( )，故是良好的绝缘体，气体 电导主要是电子电导。,三、各类电介质电导的特点,第一章 电介质的极化、电导和损耗,2液体电介质的电导,形成 电导 电流 的带 电质 点有,构成液体的基本分子和杂质离解 而成带电质点，构成离子电导。,液体中的胶体质点（如
11、变压器油 中悬浮的小水滴）吸附电荷后变 成带电质点，形成电泳电导。,液体的分子结构、极性强弱、纯净程 度、介质温度等对电导影响很大,第一章 电介质的极化、电导和损耗,3固体电介质的电导,离子电导很大程度取决于介质中所含杂质，特别是 对中性及弱极性介质，杂质离子起主要作用。,固 体 介 质 电 导,体积电导,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，与介质的特性有关。容易吸收水分的电介质 称为亲水性介质，水分可以在其表面形成连续水 膜。不易吸收水分的介质称为憎水性介质，水分 只能在其表面形成不连续的水珠。憎水性介质的 表面电导通常要比亲水性介质的小。,采取使介质表面洁净、干燥或涂
12、敷石蜡、有机硅、 绝缘漆等措施，可以降低固体电介质的电导。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,四、电介质电导在工程上的意义,（1）在高压设备绝缘预防性试验中，一般都要测量绝 缘电阻和泄漏电流，以判断设备绝缘是否受潮或其他 劣化现象。,（2）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。,（3）注意环境湿度对固体绝缘的影响，有时需作表面防 潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子 表面涂硅有机物或地蜡等。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,1.3 电介质的损耗
13、,内容,电介质损耗的概念 介质损失角正切 各类电介质损耗的特点 电介质损耗在工程上的意义,第一章 电介质的极化、电导和损耗,一、电介质损耗的概念,电介质在电压作用下有能量损耗。一种是 电导引起的损耗；另一种是由有损极化引 起的损耗。,直流电压下:外加电压低于发生局部放电电 压介质中损耗由电导引起。用绝缘电阻表达,交流电压下：除了电导损耗外，还由于存在 周期性极化引起的能量损耗。用介质损失角 正切表示。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,二、介质损失角正切（ ）,无功 电流,有功电流,tan仅取决于材 料的特性，而与 材料尺寸无关。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,实例分析,设平行平板电极间为
14、真空时电容为0.1F。 现放入r3.18的固体介质，加上工频 5kV电压后，介质损失有25W，试计算放 入的固体介质的tan。,解 ：由,第一章 电介质的极化、电导和损耗,三、各类电介质损耗的特点,1气体电介质的损耗,电场强度小于使气体分子游离所需值时，电 导极小，所以损耗也极小。因此，常用气体介 质的电容器作为标准电容器。,相对介电常数r接近1，极化率极小，损耗就 是电导损耗。,在强电场下气体易游离，如在不均匀电场中 出现局部放电时，气体间隙的介质损耗增加。 若固体介质中有气泡，气泡内的局部放电也会 使损耗增加。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,2液体和固体电介质的损耗,非极性或弱极性的液
15、体或固体，结构较紧密的离 子性介质 ，极化形式主要是电子式极化和离子式 极化，无极化损耗，损耗主要由电导决定，tan 较小，约10-4数量级，且介质损耗大小随温度的 升高而升高 。,偶极性固体和液体介质以及结构不紧密的离子性 固体介质，除具有电导损耗外，还有极化损耗， tan较大。损耗和温度、频率等因素有较复杂的 关系。在电力系统中电源频率固定为50Hz，一般 频率只有很小变化，可视为对tan无影响。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,工频电压下20时，某些液体和固体电介质的tan值,第一章 电介质的极化、电导和损耗,四、电介质损耗在工程上的意义,（1）作为绝缘介质，希望其tan越小越好。因此
16、， 选择绝缘介质时，必须注意材料的tan。tan越大 ，介质的损耗也越大，交流电压下发热也越严重。这 不仅使介质容易劣化，严重时还可能导致热击穿。 （2）在电气设备绝缘预防性试验中，tan的测量是 一个基本项目。当绝缘受潮时tan会增大，绝缘中 存在气隙或大量气泡时在高电压下tan也会显著增 大，因此通过测量tan和tan=f(U)的关系曲线可以 对绝缘状态加以判断。,第一章 电介质的极化、电导和损耗,本 章 小 结,任何电介质都有一定的导电性，电导的倒数就是绝 缘电阻。气体的电导很小，可忽略不计；液体电介质 的电导大小除与电介质本身性质有关以外，还与杂质 含量有关；固体电介质的电导与电介质本身性
