2 电介质的极化、电导和损耗

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极化前
极化后
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四、空间电荷极化（夹层介质界面极化）
夹层介质界面极化概念 ： 当t=0:
U1 C2 U 2 C1
G1 G2 C1 C 2
U
当t=∞: U 1 G2 U 2 G1
A
G1
P G2
B
C1
U C2
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一般有
C 2 G2 C1 G1
电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积 累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成 的，高压绝缘介质的电导通常都很小，这种性质 的极化只有在低频时才有意义
又如电机定子线圈出槽口和套管等情况，如果固体绝 缘材料的r减小，则交流下沿面放电电压可以提高。
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2. 多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与 其 r成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分布较均匀 ，从而达到绝缘的合理应用
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。
பைடு நூலகம்



液体的分子结构、极性强弱，、纯净程度、介质温度等对 电导影响很大，各种液体电介质的电导可能相差悬殊，工 程上常用的变压器油、漆和树脂等都属于弱极性。
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液体电介质中电压－电流特性
区域1：液体电介质的 电导在电场比较小的 情 况 下，遵循欧姆定 律 区域2：随着场强的增 大 ， 与气体相似，有 一平坦区域 区域3：场强继续增大 超过某一极限 ，电极 发射电子引起电流激 增，最终击穿

极性介质（如云母、玻璃等）及离子性介质，水分子与固体介质分子 的附着力很强，在介质表面形成连续水膜，表面电导较大，且与湿度有 关。称这类介质为亲水性介质。

采取使介质表面洗净、光洁、烘干、或表面涂以石蜡、绝缘漆、有机 硅等措施，可以降低介质表面电导。

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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
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解： (1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm (2)插入后：Vs/Va= a / 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
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二、气体电介质的相对介电常数


气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率 很小，一切气体的相对介电常数都接近1 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的 增大略有增加，但变化很小
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部分气体的相对介电常数（环境条件 20℃, 1 atm）
气体种类 氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气
（2）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。
r 较大，一般为3~6，还可能更大。 r和T及f的关系和极
性液体的相似
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五、讨论极化的意义
1. 选择绝缘 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑
介电常数r
选择用于电容器中的绝缘材料时，若追求同体积条件 有较大电容量，要选择 r 较大的介质，这样，电容器单位 容量的体积和重量就可以减小。选择时要注意电气强度， 对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的介质
电流
A
破坏区 欧姆区 平坦区
液体电介质的电压
电流特性
电压
V
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三、 固体电介质的电导
固体介质电导分为离子电导和电子电导两部分。 离子电导很大程度取决于介质中所含杂质，特别是对中性 及弱极性介质，杂质离子起主要作用。 当电场很高时，由于碰撞游离和阴极电子发射，电子电导 急增，预示绝缘接近击穿。
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固体介质的表面电导
相对介电常数
f1 4 2 0 -30 -10
f2 f3
10 温度T (℃)
30
50
（2）f不变时
T升高，r先增后减
频率 f1f2f3
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四、 固体电介质的介电常数
（1）中性固体电介质： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉 、无机玻璃等都属此类电介质，只有电子式极化和离子式极 化形式，r不大，通常在2.02.7范围。陶瓷，云母等晶体型离 子结构的中性电介质，相对介电常数r 一般在5~8左右。
当外加电压小于击穿场强时，空气的电导率是很小的，为10-1510-16（ -1 · -1），故是良好的绝缘体。气体电导主要是电子电导。 cm 29
二、 液体电介质的电导

形成电导电流的带电质点主要有两种：一是构成液体的基 本分子或杂质离解而成带电质点，构成离子电导。二是由 于相当大的带有电荷的胶体质点构成电泳电导。 中性和弱极性液体，在纯净时，电导很小，而当含有杂质 和水分时，其电导显著增加，绝缘性能下降，其电导主要 由杂质离子构成。 极性和强极性液体介质，其分解作用很强，离子数多，电 导很大；一般情况下，不能作绝缘材料。
欧姆区
电流
A
破坏先 导电流
高场强 区电流 随场强 非线性 增长
VH
VS
电流特性
VB
电压
V
固体电介质的电压
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四、 讨论电导的意义
（1）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
（2）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 （3）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
高电压技术
第一章 电介质的极化、电导和损耗
李 卫 国
80798486，60105052 lwglixi@
1-1 电介质极化
电介质的极化有4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)
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一、电子位移极化
极化机理：电子偏离轨道
介质类型：所有介质
无损极化过程，流过的电
流ig ； Cp — Rp代表有损极化 （空间电荷极化）电流支 路，流过电流ip ；
Rlk 代表电导电流支路
，流过的电流为ilk。
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一、气体电介质的电导
在工程中使用得最多的是 空气，其带电质点来源主要有
两方面：
一是外界紫外线、宇宙射 线等照射，产生游离,离子浓
度约为5001000对/cm3；
固体介质的表面在干燥、清洁时，其电导很小，故其表面电导主要是 由于附着于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物而引起 的，其中水分起着特别重要的作用。

对中性和弱极性介质（如石蜡、聚苯乙烯、硅有机物等），水分子与 固体介质分子的附着力很小，水分不易在介质表面形成连续水膜，而只 能凝聚成小水滴，故表面电阻较高，电导较小，称这类介质为僧水性介 质。
不通过测量表。
• 以后如不加以特殊说明，绝缘电阻均指体积绝缘电阻。
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测量介质中电流的电路图
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介质电导的大小与带电质点的密度、速度、电荷量、外施 电场有关。

温度越高，参与漏导的离子越多，即电导电流越大。因此 ，介质电阻具有负的温度系数，与金属电阻相反。

当介质中出现自由电子构成的电子电流时，表明介质即将 击穿或已击穿，此时介质不能再作绝缘体，这时绝缘电阻值将 急剧下降。 电介质的绝缘电阻随温度上升而下降，近似于指数关系：
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三、转向极化（偶极弛豫极化）
极化机理：极性分子转向 介质类型：偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质 建立极化时间：需时较长，10-610-2 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（有关） 温度（温度较高时降低，低温段随温度增加） 极化弹性：非弹性 + + + + + + + E0 消耗能量：有
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1-4 电介质能量损耗及介质损失角正切

介质损失角正切


工程介质 的介质损耗
讨论介质损耗的意义
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一、介质损耗的基本概念

介质损耗定义：介质在交流电压下的有功功率损耗 介质损耗包括两部分： 电导引起的损耗 周期性极化引起的损耗 直流 ——电导损耗——R、G
R1——体积绝缘电阻； R2——表面绝缘电阻。
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•
介质的绝缘电阻或介质电导决定了介质中的泄漏电流。
• 泄漏电流大，将引起介质发热，加快绝缘介质的老化。 因此，一般所指泄漏电流是流过介质内部的电流，相应的绝 缘电阻是体积绝缘电阻，以此来反映介质内部的情况。
• 由于表面电阻受外界的影响很大，因此在工程上测量绝 缘电阻时，应在测量回路中加以辅助电极，使表面泄漏电流
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01、漏导电流和绝缘电阻
在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种极化的存 在，流过电介质的电流很大，之后随时间而变化。经过一定
时间后，极化过程结束，流过介质的电流趋于一定值I，这 一稳定电流称为漏导电流，与之相应的电阻称为电介质的绝 缘电阻R。 U R I 这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘 电阻 RR R 1 2 R1 R2
4. 夹层介质界面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。
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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(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 。