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1、第二章第二章 介质的极化、电导和损耗介质的极化、电导和损耗(1)(1)液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。常用的常用的液体液体液体液体介质介质介质介质：变压器油、电容器油、电缆油变压器油、电容器油、电缆油 常用的常用的固体固体固体固体介质介质介质介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶硅橡胶 电介质分类：电介质分类：按状态分按状态分气体气体、液体液体和和固体固体三类三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；导电性能导电性能导电性能导电性能 介电性能介电性能介电性能介电性能
2、 电气强度电气强度电气强度电气强度 电导率电导率电导率电导率(绝缘电阻率绝缘电阻率绝缘电阻率绝缘电阻率)介电常数介电常数介电常数介电常数 介质损耗角正切介质损耗角正切介质损耗角正切介质损耗角正切tantan 击穿电场强度击穿电场强度击穿电场强度击穿电场强度 电介质的电气特性表电介质的电气特性表现在电场作用下的：现在电场作用下的：表征参数：表征参数：本次课程的目的要求本次课程的目的要求:1、掌握极化、电导、掌握极化、电导(绝缘电阻绝缘电阻)的概念的概念 2、能说明极化的种类和特点、能说明极化的种类和特点 3、能解释吸收现象能解释吸收现象 4、能说明介质电导形成的原因及影响因素、能说明介质电导形成
3、的原因及影响因素 2.1 电介质的极化电介质的极化一、介质的极化和介电常数一、介质的极化和介电常数1、极化定义、极化定义 电介质在电场作用下，其束缚电荷相应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。于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。2、介电常数、介电常数 表示极化强弱的一个物理量。表示极化强弱的一个物理量。以真空平板电容器为例分析：以真空平板电容器为例分析：极化前：极化前：极化后：极化后：是反映电介质极化特性是反映电介质极化特性的一个物理量。的一个物理量。与温度有关与温度有关与温度有关与温度有关 气体气体 接近于接近于1 1，因密度小、极化率低
4、；液体和固体多在，因密度小、极化率低；液体和固体多在2 26 6之间。之间。用于电容器的绝缘材料，希望选用用于电容器的绝缘材料，希望选用 大的介质，可使单位大的介质，可使单位电容的体积和重量减小。电容的体积和重量减小。其他电气设备中总是选其他电气设备中总是选 较小的介质，因介质损耗较小。较小的介质，因介质损耗较小。采用采用 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。沿面放电电压等。采用组合绝缘时应注意采用组合绝缘时应注意各种材料各种材料 值之间的配合，在值之间的配合，在交流交流电压下，串联多层介质的场强分布与电压下，串联多层介质的场
5、强分布与介质的介质的 成反比。成反比。为保持场强不变，极板上电荷必然会增加，以抵消极化电荷为保持场强不变，极板上电荷必然会增加，以抵消极化电荷为保持场强不变，极板上电荷必然会增加，以抵消极化电荷为保持场强不变，极板上电荷必然会增加，以抵消极化电荷产生的反电场产生的反电场产生的反电场产生的反电场.二、极化种类二、极化种类1、无损极化：、无损极化：电子式电子式 离子式离子式(1)(1)电子式极化电子式极化特点：特点：极化时间很短；极化时间很短；各种频率下均可发生，各种频率下均可发生，与外加频率无关；与外加频率无关；具有弹性，无损耗；具有弹性，无损耗；温度影响不大。温度影响不大。(2)(2)(2)(
6、2)离子式极化离子式极化离子式极化离子式极化 特点：特点：极化时间稍长；极化时间稍长；与频率无关；与频率无关；弹性极化，无损；弹性极化，无损；温度对极化有影响：温度对极化有影响：温度影响：温度影响：TT转向容易转向容易极化极化；TT热运动加剧阻热运动加剧阻碍转向碍转向极化极化 (1)(1)偶极子极化偶极子极化（a a）无外电场）无外电场 （b b）有外电场）有外电场 2、有损极化：、有损极化：偶极子偶极子 夹层极化夹层极化 特点：特点：极化时间较长；极化时间较长；非弹性极化；非弹性极化；有能耗；有能耗；频率对极化有影响；频率对极化有影响；(2)(2)夹层极化夹层极化合闸瞬间：合闸瞬间：一般介质
7、不均匀，于是要有一般介质不均匀，于是要有一电压重新分配过程，亦即一电压重新分配过程，亦即C C1 1、C C2 2上电荷重新分配，在上电荷重新分配，在此过程中，分界面上将集聚此过程中，分界面上将集聚起多余的电荷，从而显出极起多余的电荷，从而显出极性来。性来。极化结果极化结果极化结果极化结果：等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性极化特点：极化特点：与分子结构无关；极化时间长（与分子结构无关；极化时间长（G很小）很小）；有能耗有能耗，负的温度系数。，负的温度系数。稳定后：稳定后：各种极化类型的比较各种极化类型的比较极化类型极化类型产生场合产生场合极化时间极化
8、时间(s)(s)极化原因极化原因能量损耗能量损耗电子式电子式任何电介质任何电介质1010-15-15 束缚电荷的位移束缚电荷的位移无无离子式离子式离子式结构电离子式结构电介质介质1010-13-13 离子的相对偏移离子的相对偏移几乎无几乎无偶极子式偶极子式极性电介质极性电介质1010-10-101010-2-2 偶极子的定向排列偶极子的定向排列有有夹层介质夹层介质界面界面多层介质多层介质 交界面交界面1010-1-1数小时数小时自由电荷的移动自由电荷的移动有有空间电荷空间电荷电极附近电极附近三、电介质极化在工程上的意义三、电介质极化在工程上的意义1 1、组合绝缘要注意各种材料、组合绝缘要注意各
9、种材料 值的配合。值的配合。在交流及冲击电在交流及冲击电压下，各层电压分布与其压下，各层电压分布与其 成反比，选择成反比，选择 使各层介质电使各层介质电场分布较均匀。场分布较均匀。2 2、选择设备绝缘材料时，要根据不同目的选择不同的、选择设备绝缘材料时，要根据不同目的选择不同的 。3 3、在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受、在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮的情况。潮的情况。电介质的相对介电常数电介质的相对介电常数气体：一切气体的都接近气体：一切气体的都接近1 1；液体：非极性和弱极性电介质液体：非极性和弱极性电介质 2.8 2.8 强极性电介质强极性电介质 3
10、36 6 固体：非极性和弱极性电介质固体：非极性和弱极性电介质 2 22.7 2.7 强极性电介质强极性电介质 3 36 6 离子性电介质离子性电介质 5 58 82.2 电介质的电导电介质的电导电介质电导分为电介质电导分为离子电导离子电导、电子电导电子电导2 2、离子电导：、离子电导：本征离子电导：本征离子电导：极性电介质本身离解呈现的电导；极性电介质本身离解呈现的电导；杂质离子电导：杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离解在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离解呈现的电导。呈现的电导。电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻
11、率电阻率。一、电导的分类一、电导的分类1、电子电导：、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；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。如果电子电流较大，则介质已被击穿。3、电泳电导：、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化态的胶体粒子（如绝载流子为带电的分子团，通常是乳化态的胶体粒子（如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了带电粒子。缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了带电粒子。4 4、表面电导：、表面电导：对固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在对固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表表面电导面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体，受外
12、界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻积电阻率率时，应尽量排除表面电导的影响，清除表面污秽、烘干时，应尽量排除表面电导的影响，清除表面污秽、烘干水分、在测量电极上采取一定的措施。水分、在测量电极上采取一定的措施。二、电介质的泄漏电流和绝缘电阻二、电介质的泄漏电流和绝缘电阻i=i1+i2+IgI1充电电流充电电流：无损极化对应的：无损极化对应的纯电容电流，又纯电容电流，又称快极化电流称快极化电流；Ig泄漏电流泄漏电流泄漏电流泄漏电流：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即介质中少量离子或电子移动形成的电流，即电导电流电导电流。I2吸收电流吸收电流吸收电流吸收电流：为有损极化对应：为有损极化对应的
13、电流的电流(主要为主要为夹层极化夹层极化)，又称，又称慢极化电流慢极化电流；三、影响电介质电导的因素三、影响电介质电导的因素1、电压（电场强度）：、电压（电场强度）：电导电流随电压增大而增大电导电流随电压增大而增大 2、杂质：、杂质：杂质是液体介质中带电质点的重要来源。杂质是液体介质中带电质点的重要来源。中性液体离子主要来源于杂质分子的离解；中性液体离子主要来源于杂质分子的离解；极性液体除杂质外本身分子也易离解，所以同等条件极性液体除杂质外本身分子也易离解，所以同等条件 下，其电导率比中性液体要大。下，其电导率比中性液体要大。（1）液体介质：）液体介质：与此稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的
14、与此稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的绝缘电阻绝缘电阻绝缘电阻绝缘电阻，即，即（2）固体介质：）固体介质：杂质也是固体电介质体积电导的重要来源，杂质也是固体电介质体积电导的重要来源，杂质含量增大时，体积电导会明显增大。杂质含量增大时，体积电导会明显增大。固体、液体介质的电导率与温度固体、液体介质的电导率与温度T 的关系：的关系：式中：式中：A、B 为与介质有关的常数，其中固体介质的常数为与介质有关的常数，其中固体介质的常数B通常比液体介质的通常比液体介质的B 值大的多。值大的多。T为绝对温度，单位为为绝对温度，单位为K。该式表明该式表明,介质的电导随温度介质的电导随温度T按指数规律上升。按指
15、数规律上升。3、温度：、温度：四、绝缘电阻的特点四、绝缘电阻的特点(1)测量介质或设备的测量介质或设备的 时应加压时应加压1 1或或1010分钟；分钟；中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起；中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起；极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成体积电导的主要因素。体积电导的主要因素。(2)具有具有负的温度系数负的温度系数负的温度系数负的温度系数，而，而金属电阻具有正的温度系数金属电阻具有正的温度系数金属电阻具有正的温度系数金属电阻具有正的温度系数；五、电介质电导的工程意义五、电介质电导的工程
16、意义1、电导是绝缘预防性试验的依据；、电导是绝缘预防性试验的依据；2、直流电压作用下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成、直流电压作用下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选正比，选 择合适的电阻率可实现各层间合理分压；择合适的电阻率可实现各层间合理分压；3、注意环境、湿度对固体介质表面电阻的影响；、注意环境、湿度对固体介质表面电阻的影响；4、工程上有时要设法减小绝缘电阻以改善电压分布。、工程上有时要设法减小绝缘电阻以改善电压分布。(4)对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电和表面电阻阻RS，由于受外界影响，由于受外界影响(如受潮、胀污等如受潮、胀污等)很大，不能用很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。来说明绝缘内部问题。(3)由于由于 与外加电压有关，在临近击穿时有显著与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加自由电子的导电现象，的迅速增加自由电子的导电现象，造成造成 剧烈下降；剧烈下降；思考题思考题 1-1、1-5、1-6补充思考题：补充思考题：金属材料的电导与电介质电导的区别是什么？金属材料的电导与电介质电导的区别是什么？