高电压技术第四章

固体电介质的介电常数
极性固体电介质
树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯 和涤纶等ε r 较大，一般为3~6 ，ε r和T及f 的关系 和极性液体的相似 离子性电介质 如陶瓷，云母等，相对介电常数ε r 一般在5~8左右 ������
5、讨论极化的意义
选择绝缘
在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应 考虑介电常数εr对于电容器，若追求同体积条件有较大 电容量，要选择εr 较大的介质,对于电缆，为减小电容电 流，要选择εr 较小的介质
用极化强度P来表征极化的强度，定义为单位
体积的电极矩，与外加电场强度有关 极化强度P与介电常数 ε 的关系：
3、电介质极化基本类型
电介质的极化有五种基本形式： 电子位移极化 离子位移极化 转向极化 空间电荷极化
夹层介质界面极化（归到空间电荷极化）
液体电介质的介电常数
离子性电导与电场强度的关系
分成三个区域 区域Ι：电导在电场比 较小的情况下，遵循欧姆 定律 区域Ι Ι ：随着场强的增 大，与气体相似，有一平 坦区域 区域Ι Ι Ι：场强继续增 大超过某一极限， 因 Shottky效应电极发射电子 引起电流激增，最终击穿
极纯净液体电介质中 电压－电流特性
固体介质的表面电导
表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，干燥清
洁的固体介质的表面电导很小
介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面
电导也是介质本身固有的性质
亲水性介质：玻璃、陶瓷 憎水性介质：石蜡、聚四氟乙 烯、硅有机物
5、讨论电导的意义
绝缘预防性试验的理论依据
预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸 收比判断设备的绝缘状况 直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻 成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的 合理分压 注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注 意亲水性材料的表面防水处理
固体电介质的击穿
主要内容 ������ 固体电介质的击穿过程 ������ 有机绝缘材料的电树老化 ������ 影响固体电介质击穿电压的主要因素 ������ 电介质的其它性能
概述
气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度
最高 空气的耐电强度一般在3 ~ 4 kV/mm左右 液体的耐电强度在10 ~ 20 kV/mm 固体的耐电强度在十几至几百kV/mm 固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可 恢复的绝缘 普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷 处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指 介质的不均匀性
离子式电介质的电导主要是由离子脱离晶格而
移动，电导的大小和离子本身的性质有关，也 与杂质离子有关 固体电介质的电导与材料的宏观结构有关，如 纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻 率较小 固体介质中电流的吸收现象比较明显
固体电介质的电压－电流特性
区域1：符合欧姆定律，
也称低场强领域 区域2：电流随场强非线 性增加 区域3：出现破坏先导电 流区域2、3也称高场强领域 和液体、气体不同，固体中的 电压－电流特性没有饱和状态
单位Ω
s
1
s
实际测量时，因平行电极存在极间场强不均匀的问题需加
保护电极，或者用三电极法上的同心圆环测量
4、电介质的电导
气体电介质的电导
气体中无吸收电流 气体离子的浓度约为500~1000对/cm3
气体电介质中的电流密度—场强 特性
分成三个区域 区域1：E1≈5×10-3 V/cm， 电流密度j 随着E 增加而增加 区域2：场强进一步增大，j 趋向饱和以上两者的电阻率 约10-22/Ω •cm量级 区域3 ： 场强超过E2≈103 V/cm时，气体电介质将发生碰 撞电离，从而使气体电介质电 导急剧增大
离子性电导与电场强度的关系
分成两个区域 区域1：在电场强度 小于某定值时，电导基 本上为一常数 区域2：在电场强度 超过某定值，离子数剧 增，电导迅速增加，电 流密度随场强呈指数规 律增长饱和电流段观察不 到
工程用纯净液体电介质中 电压－电流特性
离子性电导随温度的升高而增加
固体电介质的电导
介电常数同温度和频率的关系 （氯化联苯）
根据转向极化的特点，
对介电常数随温度 及频变化的趋势作 出解释： T不变 f 增大，εr 减小 f 不变 T 升高，εr 先增后减 粘度（分子间联系） 分子热运动
固体电介质的介电常数
非极性和弱极性固体电介质
如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石 蜡、石棉、无机玻璃等 电介质只有电子式极化和离子 式极化，ε r 在2.0∼2.7范围 ε r与温度的关系相似单 位体积内的分子数与温度的关系
2、极化与电介质
平板真空电容器电容： 插入固体电解质后电容：
C0
Q0 U
Q0 Q ' C U
电容量增大的原因在于电介质的极化现象， Q’ 是由电
介质极化引起的束缚电荷
极化与电介质
极化现象：电场中有电介质时，由于电场的 作用在沿电场方向表面出现束缚电荷，形成 电偶极矩的现象
3、介质的体积电导和表面电导
三电极法测量介质的体பைடு நூலகம்电阻率ρV为 单位Ω.cm
S v Rv d
式中S 为测量电极的面积，d 为介质厚度 RV 由测量的漏导电流ig及电压值u决定，RV=U/ig
介质的体积电导率γv 为
v
1
v
������
介质的表面电阻率和电导率
b s Rs l
(2)插入后：Vs/Va= ε a / ε s，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) Es=16.7 kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV) Ea=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿
液体电介质的电导
液体中极化发展快，吸收电流衰减快 电导构成：离子电导、电泳电导
离子电导：由液体本身的分子和杂质的分子 解离为离子 电泳电导：液体中的胶体质点（如变压器油 中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点构成
非极性电介质电导率： 10-18/Ω•cm 弱极性电介质电导率： 10-15/Ω•cm 极性电介质的电导率：10-10~10-12/Ω•cm 如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，由 于损耗太大，不能用作绝缘材料
电介质电气性能的划分
极化特性：介电常数ε 损耗特性：介损tgδ 电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传
导机理等，电导G 或电阻R 电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压--时 间特性曲线（V–t ）等，击穿电压UC 或击穿场强EC
第1 节电介质的极化及介电常数
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电介质电气性能的划分
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极化特性 电气传导特性 损耗特性 电气击穿特性
1、电介质中的传导电流
电气传导电流概念
表征单位时间内通过某一截面的电量 传导电流的组成 电介质中的传导电流含漏导电流和位移电流两个分量 漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点在电 场作用下运动造成的，又称泄漏电流 位移电流：由电介质极化造成的吸收电流
电介质物质结构的基本形式 极化(polarization)与电介质(dielectrics) 电介质极化的基本类型 电介质的介电常数 讨论极化的意义
1、电介质物质结构的基本形式
电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态
（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关 离子键：强极性键，离子结构电介质玻璃、陶瓷 共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子 非极性电介质聚四氟乙烯、氮气 极性共价键（电负性不同），极性分子 极性电介质环氧树脂、三氯联苯 弱极性电介质聚苯乙烯 存在分子异构或支链
A(E,α,T0) = B(α,T0) A(E,α,T0)：电场作用下单位时间内电子获得的能量
B(α,T0)：电场作用下单位时间内电子碰撞损失的能
量 E：电场，a ：标志电子的状态因子，T0：晶格温度
固有击穿理论：在某一场强值内，上述关系式成立，
获得和失去的能量平衡，超过则不成立，引起破坏， 称之为固有击穿理论 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后，电子整体上得 到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成电子崩， 电场作用下给电子注入能量激增，导致介质结构破坏， 称之为电子崩击穿理论
5、讨论极化的意义
多层介质的合理配合
对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层场强分布 与其εr 成反比，要注意选择εr ，使各层介质的电场 分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用
如果固体绝缘中存在气泡，由于气体的εr是最小的，
所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处 发生电离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能 力降低。如采用油浸方式能改善电场分布 在电缆芯处使用εr较大的材料，可减小电缆芯处场 强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的 耐电强度
电介质极化应用实例一
平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频
电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的 聚乙烯板(ε r=2.3)时，问此时是否会发生间隙击穿现 象？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中 的电场分布
1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm
中性分子电介质的电导主要是杂质离子引起的，高温
时，中性分子可能发生分解产生自由离子，形成电导 纯净介质的电导率可达10-17~10-19 /Ω •cm 极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质 离子共同决定电导，故电导较大，较大的可 达10-15~10-16 /Ω •cm ������
固体电介质的电导
电击穿的特点
作用时间电压作用时间短，击穿电压高 介质特性介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸变，导
致介质击穿电压降低 电场均匀：电场的均匀程度影响极大 累积效应在极不均匀电场中、冲击电压作用下，介质有明 显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下 降，称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电 压施加次数的增多而下降 无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、 频率等因素都无关 ������
一、固体电介质的击穿过程
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固体电介质击穿特性的划分 电击穿 热击穿 电化学击穿（电老化
一、固体电介质的击穿过程
固体电介质击穿特性的划分 区域A：击穿时间小于 10μ s 的区域，击穿电压 随击穿时间的缩短而提 高。类似于气体介质击 穿的伏秒特性 区域B ： 击穿时间在 10∼0.2μ s范围的区域， 击穿电压恒定 击穿都具有电击穿的性质
非极性和弱极性电介质
如石油、苯、四氯化碳、硅油等，ε r 数值不大，在 1.8∼2.5范围内,ε r 和温度的关系相似单位体积中的 分子数与温度的关系 极性电介质 如蓖麻油、氯化联苯等， ε r数值在2∼6范围内。 还能用作绝缘介质 强极性电介质 如酒精、水等, ε r>10，其电导也很大，不能 用做绝缘材料。用作电容器浸渍剂时，可使 电容器的比电容增大，但通常损耗都较大
2、电介质中传导电流的测量
三电极法
测量介质中电流的电路图
介质中的电流与时间的关系
ic：快速极化造成的充电电流 ia：空间电荷极化等缓慢极化 形成的，又称吸收电流
ig：趋向稳定值的漏导电流，
又称泄漏电流
例：聚乙烯的电流-时间特性
在温度高于室温附近, 要达到稳定的泄漏电 流需要几个小时的时 间，在更低的温度下 (20℃)，电流很难趋向 稳定的漏导电流 通常的1min绝缘电阻 测量仅仅是为了工程 上的方便，实际上并 没有物理意义，关于 这一点必须注意。
区域C：击穿电压随击穿前时间的增加而明显下降，具
有热击穿的特点 区域D ：C区以外，击穿时间在几十个小时以上，甚至 几年，介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化
A、B 区：电击穿 C 区：热击穿 D 区：电化学击穿 电老化击穿
电击穿
固体电介质中发生碰撞电离-----固体电介质
中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格 结点上的原子碰撞 电击穿理论本身又分为两种解释碰撞电离的 理论 固有击穿理论 电子崩击穿理论