第二章 电介质理论(一)

第二章 电介质的电气性能（一）
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电介质的电气性能

研究电介质电气性能的意义
电介质电气性能的划分
电介质的极化及介电常数 电介质的电导特性 电介质中的能量损耗及介质损失角正切 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿 电介质的其它性能
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一、研究电介质电气性能意义

设备绝缘的基础
曲线（V–t ）等，击穿电压UC 或击穿 场强EC
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三、电介质的极化与介电常数

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
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(一)电介质物质结构的基本形式

形成分子和聚集态的各种健 离子健
共价键
分子健

电介质的分类：根据化学结构分为3类 非极性及弱极性电介质 偶极性电介质
离子性电介质
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(二)极化与电介质
极化现象
+σ -σ
Vacuum
E0
+σ
-σ
+σ E
-σ
平板真空电容器电容：C0 插入固体电解质后电容：C=rC0 电容量增大的原因在于电介质的极化现象， 是由电介质 极化引起的束缚电荷
研究电介质电气性能的意义
电介质电气性能的划分
电介质的极化及介电常数 电介质的电导特性 电介质中的能量损耗及介质损失角正切 液体电介质的击穿


固体电介质的击穿
电介质的其它性能
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四、电介质的电导特性

电介质中的传导电流


电介质中的电导特性
电介质传导电流的测量


电介质的电导
讨论电介质电导的意义
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I
ic ia ig
0
t
i'a i'c
t
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例：聚乙烯的电流-时间特性
在温度高于室温附近要 达到稳定的漏导电流需 要几个小时的时间，在 更低的温度下，即20℃ 时，电流很难趋向稳定 的漏导电流。 所以通常的 1 min 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。
比电容增大，但通常损耗都较大
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介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）
6
相对介电常数
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：
（1）T不变 f增大，r 减小
f1 4 2 0 -30 -10
f2 f3
（2）f不变
T升高，r先增后减
10 温度T (℃)
30
50
频率 f1f2f3
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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。
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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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固体电介质的介电常数
非极性和弱极性固体电介质：
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， r不大，通常在2.02.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近
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
无论是何种电导类型，在低场强下电压-电流的关系遵循 欧姆定律。在高场强下
离子性电导： ln j E
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（三）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
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介质中的电流与时间的关系
ic：快速极化造成的位移电流 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
（一）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 位移电流：由电介质极化造成的吸收电流
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漏导电流密度：由迁移中的载流子密度n及其迁移速度Vd得
B
14
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
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极化机理：带电质点移动 介质类型：不均匀夹层介质中
建立极化时间：很长
极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）
极化弹性：非弹性
消耗能量：有
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5.空间电荷极化
极化机理：正负离子移动 介质类型：含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：很长 极化程度影响因素： 电场强度（有关）
电源频率（低频下存在）
温度（有关）
极化弹性：非弹性
消耗能量：有
j envd enE vd E
E为施加电场强度，e为载流子的电荷量，μ 为载流子的迁 移率
漏导电导率和电阻率：
电导率 ：

j en E
电阻率ρ ：
1/
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电导（这里指漏导，以下无特别说明均指漏导） 电介质中电导特性划分
以载流子的性质划分，可以分为电子性电导和离子性电导
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 消耗能量：有
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4.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 C1
P G2 U C2
A js
Ⅰ Ⅱ
j
C B
Ⅲ
0
E1
E2
E cr
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E
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
非极性电介质的电导率 1018Ω•cm 弱极性电介质的电导率 1015Ω•cm 极性电介质的电导率 1010Ω•cm~1012Ω•cm ，由于损 耗太大，实际上不使用 强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能 用作绝缘材料
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
离子性电介质：
如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在5~8左右
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(五）讨论极化的意义

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 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量 ，要选择r 较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的 介质
建立极化时间：极短，10-12~10-13 s
极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加） 极化弹性：弹性
消耗能量：无
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3.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


超高压大容量的发展
新材料促进了电力工业的进步
我国绝缘材料发展的现状
加强绝缘材料的研究，促进科技发展
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二、电介质电气性能的划分
极化特性 电气传导特性 损耗特性 电气击穿特性
极化特性：指介电常数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
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(五）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

研究介质损耗的理论依据
极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介 质损失的影响

电气预防性试验：项目的理论根据 研发新型材料
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液体电介质的介电常数
非极性和弱极性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等
r数值不大，在1.82.5范围内。介电常数和温度的关系和单
位体积中的分子数与温度的关系相似
极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等
r数值在26范围内。还能用作绝缘介质
强极性电介质：如酒精、水等
r>10 ，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的
离子位移极化
源自文库转向极化
夹层介质界面极化
空间电荷极化
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1.电子位移极化
极化机理：电子偏离轨道
介质类型：所有介质
建立极化时间：极短，10-1410-15s
极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性
消耗能量：无
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2.离子位移极化
极化机理：正负离子位移
介质类型：离子性介质
气体电介质的介电常数


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 相对介电常数 1.000072 1.000027 1.00055 1.00060 1.00095 1.00096 1.00138 1.00059
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极化与电介质
极化概念：电场中有电介质时，由于电场的作用电
介质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的 变化。这个过程称作极化
+
+
+
+
+
+
+
E0
-
-
-
-
-
-
-
极化前
极化后
8
偶极子(dipole)：单位体积电介质在施加电场前内部的
电荷是均匀分布的，在电场的作用下这些电荷发生位 移，这个单位体积就形成一对偶极子
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电介质极化应用实例二
对于同轴电缆，可采用多层介质，在靠近内电极处采用 介电常数大的好处是什么？为什么？从介电常数的角度来 分析油纸绝缘在套管中是如何改善电场分布的。目前固体 绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选择呢？
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第二章 电介质的电气性能（二）
29
电介质的电气性能

介质
无机、有 无机、油、 机物 有机
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（四)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
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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1022 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
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介质的体积电导和表面电导 三电极法测量介质的体积电阻率ρ V为
S V RV d
单位Ω.cm
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及电压值决定，RV=U/ig
介质的体积电导率γ
V
为
1
V
V
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介质的表面电阻率和电导率：
测量电极
b S RS l
介质
l
b
S
1
S
单位Ω
l 代表两电极间距，b代表电极长
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
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由体积电阻率划分各种介质的结果
导电状态
超导体
导体 10-6~10-2 金属
半导体 10-2~109
绝缘体 109~1022
电阻率 [Ω·cm]
离子性电导随温度的升高而增加
Ae
B
T
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液体电介质中电压－电流特性
分成三个区域
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，因 Shottky 效应电极发射电子引起电 流激增，最终击穿
极化强度：偶极子的扭矩称作极化强度P
每单位体积的电荷量： p divP
极化电荷：P是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度
，称作极化电荷 。 这些电荷由于是极化引起的，不能 单独取出来
真实电荷: 导体中带电的电荷可以自由地取出
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(三）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
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（四)电介质的介电常数
相对介电常数及其物理意义
Vacuum
E0
图中： 单位面积的电荷： 真空中：E0= σ／ε0 极化电荷密度为：σ′ 介质中：E=(σ-σ ′)/ε0
E0 r E '
+σ -σ -σ E
+σ
-σ
+σ
r 0
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相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量