《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗

I
I IR IC
IR
IC
～U
I
U
IR
R CP
IC
δ
φ U
在交流电压的作用下，流过电介质的电流 I 包含有功分量IR 和无功分量 IC ，即
I IR IC
此时的介质功率损耗：
P UI cos UIR UIC tan U 2CP tan 式中：ω——电源角频率
φ——功率因数角
δ——介质损耗角 tanδ又称为介质损耗因数
二、气体、液体和固体介质的损耗
1、气体介质损耗 当外加电场还不足以引起电离过程，气体中只存在很小的 电导损耗（ tanδ〈10-8）；但当气体中的电场强度达到放电起 始场强E0时，气体中将发生局部放电，这时的损耗将急剧增大。
2、液体介质损耗
中性和弱极性液体介质（如变压器油）的极化损耗很小，其
主要损耗由电导引起，因而其单位体积损耗率P0可用下式求得
在电场作用下没有能量损耗的理想电介质是不存在的，实 际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（偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称介 质损耗。
在直流电压的作用下，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 将仅由电导所引起，所以用体积电导率和表面电导率两个物理 量就已能充分说明问题，不必再引入介质损耗这个概念。
强， 具有正r 的温度系数。
三、偶极子极化
有些电介质的分子，如蓖麻油、松香、橡胶、胶木等，在 无外电场作用时，其正负电荷作用中心是不重合的，这些电介 质称为极性电介质。
电介质
组成极性电介质的每一个分
电极
子成为一个偶极子（两个电荷
极），在外电场作用时，由于偶
极子不停的热运动，排列混乱，
U
因此介质靠电极的两表面不呈现

采用介质损耗P作为比较各种绝缘材料损耗特性优劣的指标 是不合适的，因为P值的大小与所加电压U、试品电容量Cp、电 源频率ω等一系列因素都有关系，而式中的tanδ却是一个仅仅取 决于材料损耗特性，而与上述种种因素无关的物理量。通常均采
用介质损耗角正切tanδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的一
个指标，测量和监控各种电力设备绝缘的tanδ值已成为电力系统 中绝缘预防性试验的最重要项目之一。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电 性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电
导率γ、介电常数ε、介质损耗角正切tanδ和击穿电场强度Eb
来表示。 一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等
电气物理现象。不过气体介质的极化、电导和损耗都很微弱， 一般均可忽略不计。所以真正需要注意的只有液体和固体介质 在这些方面的特性。
的黏附力减弱，有利于转向极化，r 随之增大；另一方面，温
度升高时，分子的热运动加强，对极性分子定向排列的干扰也 随之增强，阻碍转向极化的完成，所以当温度进一步升高时， 介电常数反而趋向减小。
四、空间电荷极化
上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理与上述不同，它是带电质点（电子或正、 负离子）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
在液体介质中，还存在一种电泳电导，载流子为带电的分 子团，通常是乳化状态的胶体粒子（如绝缘油中的悬浮胶粒） 或细小水珠，它们吸附电荷后成为带电粒子。
固体介质的电导除了体积电导外，还存在表面电导，后者 取决于固体介质表面所吸附的水分和污秽，受外界因素的影响 很大。在测量固体介质的体积电导时，应尽量排除表面电导的 影响，为此应清除表面的污秽、烘干水分、并在测量接线上采 取一定的措施。
Q4 C
t U 3
随着时间t的增加，U１下降而U２增高，总的电压U保持不变。 这意味着C1要通过G1放电一部分电荷，而C2要通过G1从电源补 充一部分电荷，于是分界面上将积累起一批多余的空间电荷， 这就是夹层极化所引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电 流称为吸收电流。
夹层极化的特点：1、极化所需时间长，故夹层极化只有 在低频时才有意义。具有夹层绝缘的设备断开电源后，应短接 进行彻底放电以免危及人身安全，大容量电容器不加电压时也 应短接；2、极化涉及电荷的移动和积聚，所以必然伴随能量 损耗。
理量。表征电介质在电场作用下极化程度的物理量，其 物理意义表示金属极板间放入电介质后电容量（或极板 上的电荷量）比极板间为真空时的电容量（或极板上的 电荷量）增大的倍数。
材料
气体介质
液体介质
弱极性 极性
中性
固体介质 极性
离子性
名称 空气 变压器油 蓖麻油 石蜡 松香 云母
介电常数 1.00058
2.2 4.5 1.9~2.2 2.5~2.6 5~7
这时应注意各种材料的r 值之间的配合，因为在工频交流电压
和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与各层电
介质的r 成反比。
最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极 化和空间电荷极化等。
一、电子式极化
电子的运动轨迹发生了变形，并相对于正电荷的原子核发 生了位移，因此负电荷的作用中心与正电荷的作用中心不再重 合，这种由电子位移所形成的极化就称为电子式极化。主要特 点：1、极化所需时间极短；2、极化具有弹性，不产生能量损 耗；3、温度对极化的影响较小。
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r 大的电介质，因
为这样可使电容的体积减小和重量减轻。但其他电气设备中往
往希望选用r 较小的电介质，这是因为较大的r往往和较大的 电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用r 较小的绝缘材料
还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。
在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，
P0 E2(W / cm3)
γ与温度有指数关系，故P0也将以指数规律随温度的上升而
增大，例如变压器油在20℃时的tanδ≤0.5%， 70℃时的tanδ≤2.5%。
电缆油和电容器油的性能更好一些，例如高压电缆油在100℃时
的tanδ≤0.15%。
ε tanδ
tanδ ω1
ε
tanδ
0
t1
t2
t (℃) 0
电介质 油浸电缆纸 环氧树脂
聚乙烯 交联聚乙烯
tanδ（%） 0.5~8 0.2~1
0.01~0.02 0.02~0.05
极间为真空时，电容量为：
C0
Q0 U
0A
d
式中：ε0 ——真空的介电常数=8.86×10-14F/cm；
A——极板面积，cm2；
d——极间距离，cm； 极间为固体介质时，电容量将增大为：
C Q0 Q A
U
d
介质的相对介电常数：
r
C C0
Q0 Q Q0
0
相对介电常数是综合反映电介质极化特性的一个物
电的极性。
E
在外电场的作用下，偶极子
受到电场力的作用而发生转向，
顺电场方向作有规律的排列，靠
电极两表面呈现出电的极性。这
种由于极性电介质偶极子分子的
U
转向所形成的极化就称为偶极子
式极化。
偶极子式极化的特点：1、极化所需时间极长，故极化与
频率有较大的关系；2、极化属非弹性，有能量损耗；3、温度 对极化影响很大：极性气体介质具有负的温度系数；对极性液 体和固体介质，二者关系比较复杂：随着温度的升高，分子间
固体和液体介质的电导率γ与温度T的关系均可近似地用下
式表示：
B
Ae T
A、B为常数，均与介质的特性有关，但固体介质的常数B
通常比液体介质的B值大得多；T为绝对温度，K。
电介质的电导率随温度按指数规律上升，所以，在测量电 介质的电导或绝缘电阻时，必须注意温度。
§1-4 电介质中的能量损耗
一、电介质损耗的基本概念
§1-1 电介质的极化
一、极化的概念与介质的相对介电常数
极化：电介质中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取向现象。这时电荷的偏移大都是在原 子或分子的范围内作微观位移，并产生电矩（偶极矩）。
实测表明：两个结 构、尺寸完全相同 的电容器，如在极 间放置不同的电介 质，电容量是不同 的，真空电容器的 电容量是最小的。
ω0
ω
极性液体介质tanδ与温度的关系 tanδ与频率的关系
3、固体介质损耗
无机绝缘材料如：云母、陶瓷、玻璃等都是离子式结构的晶 体材料。云母是一种优良的绝缘材料，结构紧密，不含杂质时没 有显著的极化过程，所以在各种频率下的损耗均主要因电导而引 起，并且其电导率很小。电瓷既有电导损耗，也有极化损耗。玻 璃也具有电导损耗和极化损耗，总的介质损耗大小与玻璃的成分 有关。
当开关S和上，两电介质 都发生极化。由于电介 质不同，极化程度也不 同，故交界面处积聚的 异号电荷不相等。如： 介质Ⅰ下部边缘处积聚 的正电荷比介质Ⅱ上部 边缘处积聚的负电荷多 的话，则在两介质交界 面处显示出正的电极性 来。这种使夹层电介质 分界面上出现电荷积聚 的过程称为夹层极化。
极化过程可用等值电路来解释。
有机绝缘材料中的非极性有机电介质如聚乙烯、聚苯乙烯等， 如果不含极性杂质，它们都只有电子式极化，损耗取决于电导。 极性有机电介质如聚氯乙烯、纤维素、酚醛树脂、绝缘纸等，具 有显著的极化损耗使这一类电介质具有较大的介质损耗。
电介质 变压器油
蓖麻油 沥青云母带
电瓷
tanδ（%） 0.05~0.5 1~3 0.2~1 2~5
二、离子式极化
固体无机化合物（云母、玻璃、 等）的分子结构多数属于离子式结构， 其分子由正、负离子构成。在无外电 场作用下时，各个离子对的偶极矩相 互抵消，故平均偶极矩为零。
在外电场E作用下，正、负离子 将发生方向相反的偏移，使平均偶极 E 矩不再为零，介质呈现极化，这就是 离子式极化。
离子式极化的特点：1、极化过程极短；2、极化具有弹性， 无能量损耗；3、温度对极化有影响：温度升高，离子间的结 合力减弱，极化程度增加；但密度减小，使极化程度降低，综 合起来，前者影响大于后者，所以离子式极化随温度升高而增
C1 1,C2 2,G1 2,G2 1,U 3
开关S在t=0时合上，电压突然从零升至U作用在两电介质上， 这相当于施加一很高频率的电压，故此时两电介质上的电压按 电容成反比分配，即：
u1 C2 2 u2 t0 C1
u1 t0 2,u2 t0 1
Q1 t0 C1U1 2,Q2 t0 C2U2 2
按载流子的不同，电介质的电导可分为离子电导和电子电 导两种，前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。 由于电介质中自由电子数极少，电子电导通常都非常微弱。在 正常情况下，电介质的电导主要是离子电导，这同金属导体的 电导主要依靠自由电子有本质的区别。离子电导又可分为本征 离子电导和杂质离子电导。在中性或弱极性电介质中，主要是 杂质离子电导，在纯净的非极性电介质中，电导率是很小的， 一般为10-19~10-17S/cm；而极性电介质因具有较大的本征离子 电导，其电导率一般为10-14~10-10S/cm。
为什么呢？
电介质放入极板间,就要受到电场的作用,介质原
子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生 位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而 不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面 呈现出与极板上电荷相反的电的极性来，即靠近正极 板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正 的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚 电荷。正由于靠近极板两表面出现束缚电荷，根据异 极性电荷相吸的规律，要从电源再吸收等量的异极性 电荷Q′到极板上，这就导致Q=Q0+ Q′＞Q0。
C Q2 t0 U 3
加压瞬间，两电介质分界面上的正、负电荷相等，并不呈现电 的极性。
合闸之后出现夹层极化，夹层极化结束后等值电路达到稳态 （t ），此时两介质上的电压按电导反比分压，即：
u1
G2 1
u2 t G1 2
u1 t 1,u2 t 2
Q1 t C1U1 1,Q2 t C2U2 4
作业：1、试从产生场合、所需时间、能量损耗、产生原因等 方面比较各种极化的性质和特点（表格形式）。
2、1-2、1-4
§1-3 电介质的电导
任何电介质都不可能是理想的绝缘体，它们内部总是或多 或少地具有一些带电粒子（载流子）。在外电场的作用下，某 些联系较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流（电导电 流或泄漏电流）。即任何电介质都不同程度地具有一定的导电 性，只不过其电导率很小而已，而表征电介质导电性能的主要 物理量即电导率γ或其倒数——电阻率ρ。