5-电介质的极化、电导和损耗

第二章介质的极化、电导和损耗(1)液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。常用的液体介质：变压器油、电容器油、电缆油常用的固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶电介质分类：按状态分气体、液体和固体三类气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；导电性能介电性能电气强度电导率(绝缘电阻率)γ介电常数ε介质损耗角正切tanδ击穿电场强度电介质的电气特性表现在电场作用下的：表征参数：本次课程的目的要求:1、掌握极化、电导(绝缘电阻)的概念2、能说明极化的种类和特点3、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2.1电介质的极化一、介质的极化和介电常数1、极化定义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。2、介电常数表示极化强弱的一个物理量。以真空平板电容器为例分析：极化前：dAUQC000极化后：dAUQQUQC000000//dAdAQQQCCr是反映电介质极化特性的一个物理量。与温度有关r气体接近于1，因密度小、极化率低；液体和固体多在2～6之间。用于电容器的绝缘材料，希望选用大的介质，可使单位电容的体积和重量减小。其他电气设备中总是选较小的介质，因介质损耗较小。采用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。采用组合绝缘时应注意各种材料值之间的配合，在交流电压下，串联多层介质的场强分布与介质的成反比。rrrrrr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.二、极化种类1、无损极化：①电子式②离子式(1)电子式极化特点：极化时间很短；各种频率下均可发生，与外加频率无关；具有弹性，无损耗；温度影响不大。(2)离子式极化特点：极化时间稍长；与频率无关；弹性极化，无损；温度对极化有影响：温度影响：T↑→转向容易→极化↑；T↑↑→热运动加剧阻碍转向→极化↓(1)偶极子极化（a）无外电场（b）有外电场2、有损极化：①偶极子②夹层极化特点：极化时间较长；非弹性极化；有能耗；频率对极化有影响；(2)夹层极化12021CCUUt合闸瞬间：一般介质不均匀，于是要有一电压重新分配过程，亦即C1、C2上电荷重新分配，在此过程中，分界面上将集聚起多余的电荷，从而显出极性来。122121GGRRUUt极化结果：等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性极化特点：与分子结构无关；极化时间长（G很小）；有能耗，负的温度系数。稳定后：各种极化类型的比较极化类型产生场合极化时间(s)极化原因能量损耗电子式任何电介质10-15束缚电荷的位移无离子式离子式结构电介质10-13离子的相对偏移几乎无偶极子式极性电介质10-10～10-2偶极子的定向排列有夹层介质界面多层介质交界面10-1～数小时自由电荷的移动有空间电荷电极附近三、电介质极化在工程上的意义rr1、组合绝缘要注意各种材料值的配合。在交流及冲击电压下，各层电压分布与其成反比，选择使各层介质电场分布较均匀。2、选择设备绝缘材料时，要根据不同目的选择不同的。3、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。rr电介质的相对介电常数气体：一切气体的都接近1；液体：非极性和弱极性电介质1.8～2.8强极性电介质3～6固体：非极性和弱极性电介质2～2.7强极性电介质3～6离子性电介质5～8rrr2.2电介质的电导电介质电导分为离子电导、电子电导2、离子电导：本征离子电导：极性电介质本身离解呈现的电导；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，其倒数为电阻率。一、电导的分类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。3、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（如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了带电粒子。4、表面电导：对固体介质，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，清除表面污秽、烘干水分、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i=i1+i2+IgI1－充电电流：无损极化对应的纯电容电流，又称快极化电流；Ig－泄漏电流：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即电导电流。I2－吸收电流：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化)，又称慢极化电流；三、影响电介质电导的因素1、电压（电场强度）：电导电流随电压增大而增大2、杂质：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；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。（1）液体介质：与此稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的绝缘电阻，即gIUR（2）固体介质：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。固体、液体介质的电导率与温度T的关系：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,介质的电导随温度T按指数规律上升。3、温度：四、绝缘电阻的特点(1)测量介质或设备的时应加压1或10分钟；R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体积电导的主要因素。(2)具有负的温度系数，而金属电阻具有正的温度系数；R五、电介质电导的工程意义1、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正比，选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；4、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RV和表面电阻RS，由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。(3)由于与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加自由电子的导电现象，造成剧烈下降；RR思考题1-1、1-5、1-6补充思考题：金属材料的电导与电介质电导的区别是什么？