《高压电技术》第二章2.1

2.1液体电介质的极化与损耗2.1.1液体电介质的介电常数2.1.2液体电介质的损耗返回这样，电介质中任一点电场强度，便等于极板上自由电荷面密度在该点产生的场强σ/与束缚电荷面密度σ′/在该点产生的场强-σ′/之和，即(2-1)0Er0002.1.1液体电介质的介电常数要由电介质的微观参数（N、）求得介电常数，必须先求得电介质的有效电场。一般液体电介质的有效电场强度和宏观平均电场强度是不相等的。电介质中某一点的宏观电场强度，是指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化分子形成的偶极矩，共同在该点产生的场强。iE而电介质中的有效电场，是指极板上的自由电荷以及除某极化分子以外其它极化分子形成的偶极矩共同在该分子产生的场强。由于偶极矩间的库仑作用力是长程的，有效电场强度的计算很复杂。洛伦兹（Lorentz）首先对有效电场作了近似计算。下面对液体电介质的有效电场强度和介电常数作一些分析。1.非极性和弱极性液体电介质2rn非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化，其极化率为αe，介电常数与折射率n仍近似保持麦克斯韦关系，即(2-2)这类液体介质的介电常数一般在2.5左右，有四氯化碳、苯、二甲苯、变压器油等。对于非极性和弱极性液体介质，它们的分子在外电场作用下，所感应的偶极矩大小相等，且沿电场方向排列。又由于液体无一定的形状，分子在空间各处出现的几率相等，因而在洛伦兹球内分子的分布可以看作是对称的，球内分子对中心O分子作用的场强=0，所以非极性和弱极性液体介质的有效电场强度(2-3)P——极化强度（）。0233riPEEE0(1)rPE2E上式称为莫索缔（Mosotti）有效电场强度，将其代入克劳休斯方程[式(2-11)]，得到非极性与弱极性液体介质的极化方程为(2-4)式(2-4)称为克劳休斯—莫索缔（Clausius—Mosotti）方程，简称克—莫方程。0123rrN极性液体介质包括中极性和强极性液体介质这类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，还有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子的转向极化往往起主要作用，介电常数远大于折射率平方n2，即。2.极性液体电介质r2E极性液体分子具有固有偶极矩，它们之间距离近，相互作用强，造成强的附加电场，故洛伦兹球内分子作用的电场≠0，莫索缔有效电场也就不适用。极性液体电介质与电源频率有较大的关系。频率太高时偶极子来不及转动，因而值变小，如图2-1所示。其中相当于直流电场下的介电常数，ff1以后偶极子越来越跟不上电场的交变，不断下降；当频率f=f2时，偶极子已经完全跟不上电场转动了，这时只存在电子式极化，减小到，常温下，极性液体电介质的≈3～6。r图2-1极性液体电介质的εr与频率的关系r0rrrrr温度对极性液体电介质的值也有很大的影响：如图2-2所示，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，液体电介质黏度很大，偶极子转动困难，所以很小；随着温度的升高，液体电介质黏度减小，偶极子转动幅度变大，随之变大；温度继续升高，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，又开始减小。图2-2极性液体电介质的εr与温度的关系rrrr返回非极性和弱极性液体介质的极化主要是电子位移极化。相对介电常数与频率无关（），介质损耗主要来源于电导，介质损耗角正切为(2-5)一般非极性和弱极性液体介质的电导率γ很小，在室温下γ=10-12S/m，如取=2，f=50Hz，则tanδ=1.8×10-4，与实验结果相符。2.1.2液体电介质的损耗1.非极性和弱极性液体电介质rs100tan1.810rrfr低频下这类液体介质的ε、p、tanδ与频率ω的关系如图2-3所示，而在高频下由于极性杂质等因素的影响，可能使tanδ显著增大。图2-3ε、p、tanδ与频率ω的关系极性液体介质的介质损耗与粘度有关。极性分子在粘性媒质中作热运动，在交变电场作用下，电场力矩将使极性分子作趋向于外场方向的转动，在定向转动过程中，因摩擦发热而引起能量的损耗。粘度相当大，分子极化跟不上电场的变化；粘度很小，分子定向转动时无摩擦，对这两种情况，偶极子转向极化引起的损耗都甚微；中等粘度下，该损耗显著，在某一粘度下出现极值。2.极性液体电介质油纸电力电缆用的矿物油和松香的粘性复合浸渍剂，是一种极性液体介质。其中矿物油是稀释剂，故油的成分增加时复合剂的粘度减小，对应于一定频率下出现tanδ最大值的温度就向低温移动，而恒温下出现tanδ最大值的频率就向高频移动。图2-4工频下松香复合剂的tanδ与温度的关系表2-1f=50Hz时对应于不同组分松香-矿物油复合剂的tanδ最大值的温度复合剂的组分对应于f=50Hz时tanδmax的温度t(℃)序号松香（%）矿物油（%）110005029554039010324851521表2-1列出工频下油和松香复合剂在不同配方时出现tanδ最大值的温度，相应的tanδ温度曲线如图2-4所示。（本节完）小结液体电介质的介电常数o非极性和弱极性液体电介质的介电常数o极性液体电介质的介电常数液体电介质的损耗o极性和弱极性液体电介质的损耗o极性液体电介质的损耗返回