第一章 电介质的极化、电导和损耗

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、硅橡胶第一章电介质的极化、电导和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。介电常数用于表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：第一节、电介质的极化dAUQC000(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。Emlqml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；(极化与频率无关)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。r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。r(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，为10－10～10－2s，所以极性电介质的值与电源频率有较大关系。r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，ff1以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，值不断下降；当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。0rrrrr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。rrr如图3-6为极性液体、固体介质的与温度的关系。r(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。由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。第二节、电介质的电导电导率是表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。1、电子电导：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。2、离子电导：本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻率1010～1014杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导，电阻率1017～1019cmcm3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。4、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。固体、液体介质的电导率与温度T的关系：TBAe式中：A、B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B值大的多。T为绝对温度，单位为K。该式表明,随温度T按指数规律上升。第三节、电介质的损耗(一)电介质的损耗的基本概念介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。直流：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。式中：—电源角频率；－功率因数角；－介质损耗角。CRIII交流：流过电介质的电流此时介质的功率损耗：tgCUtgUIUIUIPPCR2cos（3-7）(二)气体、液体和固体介质的损耗1.气体介质损耗气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为：式中：-电介质的电导率，S/cm；E-电场强度V/cm。20EP（W/cm2）2.液体介质损耗（1）中性和弱极性液体介质与温度有指数关系，P0也以指数规律随温度的上升而增大。极性液体介质的损耗与温度的关系如图所示。tg在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的亦上升，并在t＝t1时达到极大值；tg在t1tt2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小超过了电导损耗的增加，所以总的曲线随t的升高而下降，并在t=t2时达到极小值。tg在tt2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。tg极性液体介质的和与电源角频率的关系如图所示。tg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。tg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。tgtgtg3.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；20ºC和50Hz时＝2％～5％；玻璃：电导损耗＋极化损耗，损耗与玻璃成分有关。tg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