电介质的极化

高电压技术重庆电力高等专科学校刘赟讲师高电压技术精品资源共享课程高电压技术课程内容绝缘试验绝缘材料过电压保护高电压技术精品资源共享课程绝缘的概念：将不同电位的导体分开，使之在电气上不相连接。具有绝缘作用的材料称为电介质或绝缘材料。电介质的分类：按状态分为气体、液体和固体三类。学习情境1：绝缘介质电气性能及击穿过程在电场作用下电介质会产生许多物理现象，如极化、电导、游离、损耗和击穿放电等现象，正确理解和认识这些现象，对我们进行绝缘结构的合理设计、绝缘材料的合理利用以及对绝缘性能的准确评估有着非常重要的意义。高电压技术精品资源共享课程重庆电力高等专科学校1.1绝缘材料的电气性能重庆电力高等专科学校1.1绝缘材料的电气性能学习情境一绝缘介质电气性能及击穿过程子情境1.1绝缘材料的电气性能子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性子情境1.3液体绝缘材料及其击穿特性子情境1.4固体绝缘材料及其击穿特性高电压技术精品资源共享课程重庆电力高等专科学校1.1.1电介质的极化1.1.2电介质的电导1.1.3电介质的损耗1.1绝缘材料的电气性能子情境1.1绝缘材料的电气性能认识绝缘材料（电介质）在较低电压下的电气性能高电压技术精品资源共享课程重庆电力高等专科学校1.1绝缘材料的电气性能【学习任务】了解电介质在电场作用下的极化现象，熟悉各类电介质极化的特点，了解介电常数的物理意义及电介质极化在工程上的意义。1.1.1电介质的极化高电压技术精品资源共享课程无论何种结构的电介质，在没有外电场作用时，内部的正、负电荷处于相对平衡状态，整体上对外没有极性。当有外电场作用时，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表面要出现异号电荷（靠近正极板的表面出现负电荷，靠近负极板的表面出现正电荷），这种电荷不能离开电介质到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动，我们称它为束缚电荷。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。因此，在外电场作用下，电介质表面出现束缚电荷的现象，我们称为极化。1.1.1电介质的极化高电压技术精品资源共享课程1.1.1电介质的极化极化的概念：在外电场作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。极化的形式：电子式极化、离子式极化偶极子式极化、夹层式极化一、极化的概念和极化的形式高电压技术精品资源共享课程任何电介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，正、负电荷作用中心重合，对外不显电性。而在外电场作用下，原子外层电子轨道相对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态。1.1.1电介质的极化电子式极化：由于电子发生相对位移而发生的极化。特点：时间短，弹性极化,无能量损耗存在于一切材料中高电压技术精品资源共享课程1.1.1电介质的极化离子式极化离子式极化发生于离子结构的电介质中。固体无机化合物（如云母、陶瓷、玻璃等）多属于离子结构。在无外电场作用时，每个分子的正、负离子的作用中心是重合的，故不呈现极性。在外电场作用下，正、负离子偏移其平衡位置，作用中心不再重合，使整个分子呈现极性。特点：时间短，弹性极化,无能量损耗存在于离子结构物质中高电压技术精品资源共享课程有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质，例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介质对外并不表现出极性1.1.1电介质的极化偶极子式极化出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，因而显出极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。特点：时间较长，非弹性极化,有能量损耗.存在于极性材料中高电压技术精品资源共享课程1.1.1电介质的极化夹层式极化前面所讲的三种极化均是在单一电介质中发生的。但在高压设备中，常应用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上会产生“夹层极化”现象。图1-4夹层极化物理过程示意图（a）示意图；（b）等值电路UC1C2G1G2KUK+_+_U1U2(a)(b)以平行板电极间的双层电介质为例说明夹层极化过程。在开关K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，即tUCUC12210到达稳态时，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，即tUGUG1221一般来说，对两层不同的介质，，即CGCG2211ttUUUU11220合闸后，两层介质上的电压有一个重新分配的过程.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（分界面上正电荷比负电荷多，呈现正极性，否则，呈现负极性）。这种使夹层电介质分界面上出现电荷积聚的过程称为夹层式极化。特点：时间很长，非弹性极化，有能量损耗存在于多种材料的交界面当绝缘受潮时，由于电导增大，极化完成时间将大大下降。对使用过的大电容设备，应将两电极短接并彻底放电，以免有吸收电荷释放出来，危及人身安全。高电压技术精品资源共享课程设图1-4（b）中C1=1F，C2=2F，G1=2S，G2=1S，U=3V，为了说明的简便，全部参数均采用基本单位。合闸初瞬，根据式（1-1）可得，则U1=2V，U2=1V，Q1=U1C1=2C，Q2=U2C2=2C，如图1-5（a）所示；稳态时，根据式（1-2）可得，U1=1V，U2=2V，则Q1=U1C1=1C，Q2=U2C2=4C，如图1-5（b）所示；分界面上堆积的电荷为＋4－1＝＋3C。图1-5双层介质中电荷和电位分布（a）合闸初瞬时；（b）稳态时+_+_U1=1U2=2U=3+1-1+4-4C1C2G1G2+_+_U1=2U2=1U=3+2-2+2-2C1C2G1G2(a)(b)1.1.1电介质的极化夹层式极化实例分析高电压技术精品资源共享课程极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15s无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-13s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-10～10-2s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1s～数小时有自由电荷的移动为便于比较，将上述各种极化列为下表1.1.1电介质的极化高电压技术精品资源共享课程介电常数：表征电介质在电场作用下极化程度的物理量.二、介电常数1.1.1电介质的极化重庆电力高等专科学校1.1绝缘材料的电气性能高电压技术精品资源共享课程Uε0——真空的介电常数，8.86×10-14F/cm。当极板间充满一块固体介质后,在电场作用下，电介质发生极化.为维持电场恒定，极板上的电荷必然会增加，增加的电荷用以抵消极化电荷所产生的反电场。QQSCUd0ε——固体介质的介电常数。二、介电常数高电压技术精品资源共享课程相对介电常数：表征电介质在电场作用下极化程度的物理量0r二、介电常数相对介电常数εr的值由电介质的材料决定，并且与温度、频率等因素有关。气体电介质因密度很小，极化程度很弱，因而一切气体的εr应用时都可看作1。在工频电压下、温度为20℃时，常用的液体、固体电介质的εr大多在2～6之间，如表1-2、1-3所示。高电压技术精品资源共享课程二、介电常数电介质极化在工程上的意义：选择电介质时，应注意相对介电常数的大小。用作电容器的绝缘介质时，希望大些好。用作其它设备的绝缘介质时，希望小些好。在绝缘试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。例如，水分侵入电介质后，使材料的介电常数增大，同时水分能增强夹层式极化作用，因此，通过测量材料的相对介电常数，就能判断电介质受潮程度。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。rrr几种绝缘介质组合在一起使用时，应注意的配合。小的电介质其电气强度应高些。rr介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。如极性介质的大，往往其损耗也大。r高电压技术精品资源共享课程思考题1、何为极化？极化型式有哪几种？分别有何特点？2、表征电介质在电场作用下极化程度的物理量是什么？作为电气设备的绝缘介质以及作为电容器的绝缘介质，希望该量大些好，还是小些好？为什么？1.1.1电介质的极化