高电压技术第2章 液体和固体电介质的绝缘特性

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夹层式极化 t=0，合闸瞬间： U 电压分配与各层的电容成反比， U 达到稳态: U 各层上电压分配与电导成反比， U 若为单一介质，即
1 2 , 1 2 ,则
U1 U2
t 0
1 2
t 0

C2 C1
1
t

2
G2 G1

U1 U2
t
若介质不均匀，即
1 2 , 1 2 ,则
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1、电介质的等值电路
交流作用下的等值电路 （a）并联等值电路 （b）串联等值电路
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2、用介质损耗角的正切tgδ来表示介损
（1）并联等值电路
I R U Rp 1 tg I C UC p C p R p P UIcosψ UI R UIC tg U 2C p tg

掌握极化、电导和损耗的概念 内容：
电介质的极化
电介质的电导
电介质的损耗
3Baidu Nhomakorabea
电介质的极化、电导和损耗
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： 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

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第一节 电介质的极化

（一）电介质的极性和分类
三、电介质的损耗
（一）介质损耗的概念 电介质在电压作用下有能量损耗，将电介质的能量 损耗简称为介质损耗。
(1)电导损耗
由泄漏电流引起的损耗.交直流下都存在。
损耗的形式 (2)极化损耗 由偶极子与夹层极化引起,交流电压下极明显。
(3)游离损耗 指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部 气泡中局部放电所造成的损耗。
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（二）电介质极化的概念和极化的种类

电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷 或带电质点，沿电场方向产生的弹性位移或偶极子 的取向现象。
偶极子—大小相等、符号相反，彼此相距为 d的两电荷（+q、-q）所组成的的系统。 偶极子的极性、大小和方向常用偶极矩来 表示。偶极矩的方向由负电荷指向正电荷， 其大小为每个电荷的电量乘以正、负电荷间 的距离。 6 极化程度的强弱，用介电常数 r 来表示。
离子式极化
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3、偶极子式极化

偶极子式极化存在于 极性电介质中
在外电场作用下，偶极性分子沿电场方向定向排列，使整个 介质对外呈现极性的现象称为偶极子式极化。
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偶极子式极化
特点
a. 极化所需时间较长，约为10-6S~10-2S,因而与频率有关 b. 极化过程有能量损耗 c. 温度对极化影响很 大,温度很高和很低时, 极化均减弱
（五）电介质的损耗意义
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Qo=CoU
Q=CU
C0
式中
0
A d C0
0 A
d
C
A
d
真空的介电系数； 金属极板的面积； 极间距离； 极板间为真空时的电容量；
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+++++
d
+++++ -------+++++ -------d
-------Q0 C0U
为了保持电场强度不变
Q Q0 Q CU
第二章
液体和固体电介质的 绝缘特性
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概述
固体、液体介质
•固体、液体介质的绝缘强度比气体大许多；
•作电气设备的内绝缘可以缩小结构尺寸；
•截流导体的支撑需要绝缘介质；
•液体介质可兼作冷却与灭弧介质等。
液体与固体电介质与气体的击穿有很大不同； 将讨论电介质极化、电导、损耗和老化等物理 过程
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电介质的极化、电导和损耗
叫做夹层电介质。由于各层的介电系数和电导系数不同，在电场 作用下， 各层中的电位，最初按介电系数分布 (即按电容分布)， 以后逐渐过渡到按电导系数分布(即按电阻分布)。 此时，在各层电介质交界面上的电荷必然移动，以适应电位 的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累， 称为夹层介质界面板化。 特点： 其极化的过程特别缓慢，一般在 10-1S 以上，甚至数小时， 同时伴有介质损耗。
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（四）电介质极化的意义
（1）选用于电容器的绝缘材料，希望材料 r 大；用于其他 绝缘构的绝缘材料，希望材料 r 小； （2）注意各种材料 r 的配合，串联介质中场强E的分布与 成反比； （3）材料的介质损耗与极化类型有关；而介质损耗是影响 绝缘劣化和热击穿的一个重要因素； （4）夹层极化现象在绝缘预防性试验中可用来判断绝缘受 潮情况。在使用电容器等电容量很大的设备时，必须特别注 意吸收电荷可能对人身安全造成的威胁。
极化基本形式
电子式极化


离子式极化
偶极式极化


空间电荷极化
夹层式极化
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1、电子式极化

在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道 相对于原子核发生弹性位移的现象。
+
E=0
电子式极化
+
E
-

电子式极化存在于一切电介质中。
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特点： 一是极化所需要的时间极短，约10－15S； 即它在各种频率的交变电场中均能产生；
强极性分子 离子键（强极性键） 原子的电负性相同 非极性键 非极性分子 一个极性键组成 极性分子 化学键 共价键 原子的电负性不同 极性键 结构对称 非极性分子 多个极性键组成 结构不对称 极性分子 分子键 - 分子间通过吸引力结合在一起。 强极性分子 离子性电介质（只有固体形式） 极性分子 极性电介质：环氧树脂、蓖麻油等 非极性分子 非极性电介质：聚四氟乙烯、氮气等
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用介质损耗角的正切tgδ来表示介损
CS CP 1 tg 2 P U 2C p tg
tg 是衡量材料本身在电场损耗能量并转变为热能的一 个宏观的物理参数称之为介质损耗角正切。
中性及弱极性介质： tg 较小
极性介质： tg 较大
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用介质损耗角的正切tgδ来表示介损 由于: (1).P值与试验电压U的高低等因素有关; (2).tgδ是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，而仅 取决于电介质的损耗特性。 (3)tgδ可以用高压电桥等仪器直接测量. 所以表征介损用介质损失角的正切tgδ来表示， 而不是用有功损耗P来表示.
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（2）串联等值电路
tgδ = IRS UR = = ωC S R S U C I ωC S
P = I 2 RS U2 = 2 RS Z U2 = RS 1 2 RS + (ωC S )2
(UωC S )2 RS = 1 + (ωC S RS )2
U 2 ωC S tgδ = 1 + tg 2 δ
C
C0
相对介电常数 r
C Q0 Q 1 0 C0 Q0
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相对介电系数εr
表征电介质在电场作用下的极化程度。它的值由电 介质的材料所决定。
气体分子间的间距很大，额度很小，因此各种气 体的相对介电系数均接近于1。 液体介质分为弱极性、极性和强极性。一般常用 弱极性和极性液体介质，弱极性为2.2，极性为 4.5。 固体介质分为中性（弱极性）、极性和离子性。 相对介电系数大多在2~7之间。
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流过介质的电流i由三个分量组成：
i ic ia ig
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(1). 电容电流ic 在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极 化过程所引起的电流，无损耗，存在时间极短。 (2). 吸收电流ia 有损极化所对应的电流，即夹层极化和偶极 子极化时的电流，它随时间而衰减。 (3). 泄漏电流 绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电 导电流,它不随时间而变化.
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（二）气体介质的损耗
气体间距离大，相互间作用力 弱，所以在极化过程中不会引起损 耗。 如果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)。 若气体的电场强度E达到放电起 始场强E0。损耗急剧增加。
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（三）液体电介质的损耗
中性或弱极性液体介质的损 耗主要起因于电导，损耗较小， 与温度的关系也与电导相似。
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4、空间电荷极化
空间电荷极化： 介质内的正、负自由离子在电场 作用下改变分布状况时，便在电吸附近形成空间电荷 称为空间电荷极化。 其极化的过程特别缓慢，所以假使加上交变电 场，在低频时有这种现象存在，而在高频时因空间 电荷来不及移动，就没有这种极化的现象。
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5、夹层极化
夹层式极化：由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质，
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极性液体以及极性和中 性液体的混合油都具有 电导和极化两种损耗， 介质损耗较大，而且和 温度、频率都有关系。
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（四）固体电介质的损耗
（1）分子式结构 中性：石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯； 主要是电导损耗，非常小。 极性：纤维材料（纸、纸板）、含极性基有机材料（聚氯 乙烯、有机玻璃、酚醛树脂）； 是电导损耗和极化损耗，tanδ较大，与温度、频率关 系和极性液体相似。 （2）离子式结构 结构紧密不含使晶格畸变的杂质：主要是电导损耗， tanδ小。（云母） 结构不紧密:存在离子松弛或极化现象，tanδ较大。（玻 璃、陶瓷） （3）不均匀结构 云母和纸或布以及漆组合的复合杂质、油浸纸、胶纸绝缘。 40 损耗取决于各成分的性能和数量间的比例。
二是这种极化具有弹性，在去掉外电场 后，依靠正负电荷的吸引力，作用中心会立 即重合而呈中性。这种极化没有能量消耗。
三是温度对极化的影响极小。
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2、离子式极化

在外电场作用下，离子的位移造成的极化。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 离子式极化 + + + + + -+ -+ -+ -+ -+
表面干燥、清洁 表面电导
表面脏污、受潮
非极性和弱极性电介质
（五）电导在工程实际中的意义
（1）在绝缘预防性试验中，一般要测量绝缘电阻和泄漏电流， 以判断绝缘是否受潮或其他劣化现象； （2）串联多层介质在直流电压下稳态分布和各层电导成反比， 所以设计用于直流设备时，要注意所用介质的电导率，尽量 使材料得到合理使用； （3）设计绝缘结构时要考虑环境条件，特别是湿度的影响； （4）对某些能量较小的电源，如静电发生器等，要注意减小 绝缘材料的表面泄漏电流以保证得到高电压； （5）并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设 法减小绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导体釉， 高压电机定子绕组出槽口部分涂半导体漆等，都是为了改善 30 电压分布，以消除电晕。
离子式极化只存在 于离子结构的电介 质中
-+ -+ -+ -+ -+
E
-+ -+ -+ -+ -+
-
E=0
特点： 一是极化所需要的时间极短，约10－13S；即它在各种 频率的交变电场中均能产生； 二是这种极化具有弹性。极化没有能量消耗。 三是温度对极化有影响，一般是随温度而增大。
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温度 ：离子间结合力降低， 极化程度增加。 。 r一般具有正的温度系数 温度 ：离子密度减小，极化 程度降低。
气体介质的电导非常小
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（三）液体电介质的电导
非极性液 体电介质 极性液体 电介质 电导很小
离子电导
电导很大
强极性液 体电介质
电泳电导
不用做绝 缘材料
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（四）固体电介质的电导
极性固体 电介质 非极性固 体电介质 电导较大
体积电导
电导小
离子性固 体电介质
不用做绝 缘材料 电导小
电导大 电导小
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3.吸收现象 固体电介质在直流电压作用下，观察到电路中 的电流从大到小随时间衰减,最终稳定于某一数值, 称为“吸收现象”。 吸收的解释为，由于电流由大变小，好像电流 被介质吸收了一样，称为“吸收”现象。 实验的判断：介质干燥和嘲湿,吸收现象不一样，据 此可判断绝缘性能的好坏.
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（二）气体电介质的电导
C 1 G1 U ，则 1 C 2 G2 U2
t 0

U1 U2
t
所以合闸以后，两层介质之间有 一个电压重新分配的过程，也就是 说，C1 、C2上的电荷要重新分配。
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（三）电介质的相对介电常数
实验： 两个完全相同的实验， 一个处于真空状态， 另一个处于固体介质 中，从实验结果来分
析它们发生的过程。
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二、电介质的电导
1. 定义 介质在电场作用下,使其内部联系较弱的带电粒子作 有规律的运动形成电流，即泄漏电流.这种物理现象 称为电导。
表征电导过程强弱程度的物理量为电导率γ，或 它的倒数电阻率ρo
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电介质中的电流
S1合上, i=ic+ia+ig ic：电容电流 ia：吸收电流 ig：泄漏电流 断S1合S2，有 与吸收电流 具有相同曲 线的电流反 向流过。