1 电介质的极化和电导
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一、介质的极化和介电常数
1、极化定义
电介质在电场作用下,其束缚电荷相应 于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。
2、介电常数
表示极化强弱的一个物理量。 以真空平板电容器为例分析:
极化前: 极化后:
Q0 0 A C0 U d
Q Q0 Q A C U U d
特点: 非弹性极化; 有能耗;
极化时间较长; 频率对极化有影响;
(a)无外电场 (b)有外电场
温度较低时,T↑→分子间作用力↓→转向容易→极化↑; 温度较高时→热运动加剧 阻碍转向→极化↓ (2)夹层极化
合闸瞬间:
U1 U2
t 0
C2 C1
稳定后:
U1 U2
t
R1 G2 R2 G1
(2)固体介质: 杂质也是固体电介质体积电导的重要来源, 杂质含量增大时,体积电导会明显增大。
中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起; 极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成 体积电导的主要因素。
3、温度:
固体、液体介质的电导率与温度T 的关系: 式中:A、B 为与介质有关的常数,其中固体介质的常数B 通常比液体介质的B 值大的多。T为绝对温度,单位为K。 该式表明, 介质的电导随温度T按指数规律上升。
绪
论
一、本门学科的形成、任务
1、我国电力发展的概况
(1) 装机容量、发电量迅速增长
(2) 用电量迅速增长
(3) 电网的建设有较大发展
建国后,1952年建设了110kV输电线路,逐渐形成京津唐 110kV输电网; 1954年建成丰满-李石寨220kV输电线,逐渐形成东 北电网220kV骨干网架;
1972年建成330kV刘家峡-关中输电线路,以后逐渐 形成西北电网330kV骨干网架; 1981年建成500kV姚孟-武昌输电线路,1983年又建 成葛洲坝-武昌和葛洲坝-双河两回500kV线路,开始形 成华中电网500kV骨干网架。1989年建成±500kV葛洲坝 -上海超高压直流输电线路,实现了华中-华东两大区的 直流联网。
与此稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的绝缘电阻,即
三、影响电介质电导的因素
R
U Ig
1、电压(电场强度): 电导电流随电压增大而增大
2、杂质: (1)液体介质:
杂质是液体介质中带电质点的重要来源。 中性液体离子主要来源于杂质分子的离解; 极性液体除杂质外本身分子也易离解,所以同等条件 下,其电导率比中性液体要大。
电介质的相对介电常数 r
1.2 电介质的电导
电导率表征电介质导电性能的主要物理量,其倒数为电阻率。
一、电导的分类
电介质电导分为离子电导、电子电导,主要表现为前者。 1、电子电导:一般很微弱,因为介质中自由电子数极少; 如果电子电流较大,则介质已被击穿。 2、离子电导: 本征离子电导:极性电介质本身离解呈现的电导; 杂质离子电导:在中性和弱极性电介质中,主要是杂质离 解呈现的电导。 电泳电导:载流子为带电的分子团,通常是乳化态的胶体 粒子(如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠)吸附电荷变成了 带电粒子。
导电性能 介电性能 电气强度 表征参数: 电导率(绝缘电阻率)γ 介电常数ε 介质损耗角正切tanδ 击穿电场强度
本次课程的目的要求:
1、掌握极化、电导(绝缘电阻) 的概念
2、能说明极化的种类和特点
3、能解释吸收现象 4、能说明介质电导形成的原因及影响因素
1.1 电介质的极化
到14年底国网公司已建成特高压输电工程“三交四直”: 交流:陕北—晋东南—南阳—荆门—武汉; 淮南—浙北—上海;浙北—福州; 直流:向家坝—上海;锦屏—苏南; 哈密南—郑州;溪洛渡—浙西金华。
二、本门学科的研究对象及特点
1、三大对象:
绝缘技术;绝缘的试验技术及设备; 过电压及防护技术
(1)绝缘又称为电介质,分气体、液体和固体三类。 它的作用是将不同电位的导体分开;绝缘在运行中要承受 各种电压的作用,电压较低时会发生极化、电导和损耗现 象,电压超出临界值时会发生击穿现象。 要研究电介质在电压下的电气物理性能,特别是高压下的 击穿特性。 (2)研究击穿特性需要做高压试验,涉及到试验电源、测 量仪器、手段方法(在线、离线、智能化)等。 (3)电力系统在运行时不但要承受工作电压的作用,还会 受到大气过电压和内部过电压的作用,所以要研究其产生原 因、特点以及防护措施(结合计算机技术、模拟、仿真)。
五、电介质电导的工程意义
1、电导是绝缘预防性试验的依据; 2、直流电压作用下分层绝缘时,各层电压分布与电阻成 正比,选 择合适的电阻率可实现各层间合理分压; 3、注意环境、湿度对固体介质表面电阻的影响; 4、工程上有时要设法减小绝缘电阻以改善电压分布。
思考题
1-1、1-5、1-6
补充思考题:
金属材料的电导与电介质电导的区别是什么?
为保持场强不变,极板上电荷必然会增加,以抵消极化电荷 产生的反电场. C Q0 Q A / d r 是反映电介质极化特性 r C0 Q0 0 A / d 0 的一个物理量。与温度有关 气体 r 接近于1,因密度小、极化率低;液体和固体多在 2~6之间。 用于电容器的绝缘材料,希望选用 r 大的介质,可使单位 电容的体积和重量减小。 其他电气设备中总是选 r 较小的介质,因介质损耗较小。 采用 r 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的 沿面放电电压等。 采用组合绝缘时应注意各种材料 r 值之间的配合,在交流 电压下,串联多层介质的场强分布与介质的 r 成反比。
大容量输电的需求:高效率的大型、特大型发电机组的 建造投运,以其为基础建设的特大容量规模发电基地,需 要更高电压的输电网。 经济性好:资源中心在西部,能源负荷中心在东部,特高压 输电实现更大范围的资源优化配置。
3、高压的分类及世界、我国最高电Biblioteka Baidu等级
输电电压一般分高压、超高压和特高压。 国际上,高压(HV)通常指35~220kV的电压; 超高压(EHV)通常指330kV及以上、750kV及以下电压; 特高压(UHV)指1000kV及以上的电压。 高压直流(HVDC)通常指的是±600kV及以下的直流 输电电压; ±600kV以上的电压称为特高压直流(UHVDC)。 前苏联1150kV输电线于1985年建成两段,到1992年经过了 6年的商业运行考验; 日本于上世纪80年代建设东西和南北两条1000V输电主干线, 将位于东太平洋沿岸的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送 到东京。这两条线目前降压至500kV运行。
一般介质不均匀,于是要有 一电压重新分配过程,亦即 C1、C2上电荷重新分配,在 此过程中,分界面上将集聚 起多余的电荷,从而显出极 性来。
极化结果: 等值电容增大;夹层界面堆积电荷产生极性。
极化特点: 与分子结构无关; 极化时间长(R很大); 有能耗;
三、电介质极化在工程上的意义
1、组合绝缘要注意各种材料 r 值的配合。在交流及冲击电 压下,各层电压分布与其 r 成反比,选择 r 使各层介质电 场分布较均匀。
二、极化种类
1、无损极化:
(1)电子式极化
①电子式 ②离子式 特点:极化时间很短; 各种频率下均可发生, 与外加频率无关; 具有弹性,无损耗; 温度影响不大。 (2) 离子式极化 特点:极化时间稍长; 与频率无关; 弹性极化,无损; εr具正的温度系数;
2、有损极化: ①偶极子 ②夹层极化
(1) 偶极子极化
r
2、选择设备绝缘材料时,要根据不同目的选择不同的 r 。
r
3、在绝缘预防性试验中,夹层极化现象可用来判断绝缘受 潮的情况。 气体:一切气体的都接近1; 液体:非极性和弱极性电介质 1.8~2.8 强极性电介质 3~6 固体:非极性和弱极性电介质 2~2.7 强极性电介质 3~6 离子性电介质 5~8
3、表面电导:对固体介质,由于表面吸附水分和污秽存在表 面电导,受外界因素的影响很大。所以,在测量体积电阻 率时,应尽量排除表面电导的影响,清除表面污秽、烘干 水分、在测量电极上采取一定的措施。
二、电介质的泄漏电流和绝缘电阻
i=i1+i2+Ig I1-充电电流:无损极化对应的 纯电容电流,又称快极化电流; I2-吸收电流:为有损极化对应 的电流(主要为夹层极化),又称慢极化电流; Ig-泄漏电流: 介质中少量离子或电子移动形成的电流,即电导电流。
我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证、研究、 试验等,并于2005年9月在西北网建成投产了750kV输电线 路(官亭-兰州)。 2009年1月我国首条1000kV特高压输电线路开始投入 运行。
2、电力发展为何需要越来越高的电压?
理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比,电压 提高1倍,输送功率将提高4倍;
2、本学科及课程的特点:
多学科性、边缘性、不完善性;抽象、理论性。
第一章 介质的极化、电导和损耗
电介质分类: 按状态分气体、液体和固体三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘; 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。
常用的液体介质:变压器油、电容器油、电缆油 常用的固体介质:绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、 硅橡胶 电介质的电气特性表 现在电场作用下的:
四、绝缘电阻的特点
(1) 测量介质或设备的 R 时应加压1或10分钟; (2)
R 具有负的温度系数,而金属电阻具有正的温度系数;
(3) 由于 R 与外加电压有关,在临近击穿时有显著的迅 速增加自由电子的导电现象, 造成 R 剧烈下降; (4)对于固体电介质,还必须注意区分体积电阻RV和表面电 阻RS,由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大,不能用RS 来说明绝缘内部问题。
1、极化定义
电介质在电场作用下,其束缚电荷相应 于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。
2、介电常数
表示极化强弱的一个物理量。 以真空平板电容器为例分析:
极化前: 极化后:
Q0 0 A C0 U d
Q Q0 Q A C U U d
特点: 非弹性极化; 有能耗;
极化时间较长; 频率对极化有影响;
(a)无外电场 (b)有外电场
温度较低时,T↑→分子间作用力↓→转向容易→极化↑; 温度较高时→热运动加剧 阻碍转向→极化↓ (2)夹层极化
合闸瞬间:
U1 U2
t 0
C2 C1
稳定后:
U1 U2
t
R1 G2 R2 G1
(2)固体介质: 杂质也是固体电介质体积电导的重要来源, 杂质含量增大时,体积电导会明显增大。
中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起; 极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成 体积电导的主要因素。
3、温度:
固体、液体介质的电导率与温度T 的关系: 式中:A、B 为与介质有关的常数,其中固体介质的常数B 通常比液体介质的B 值大的多。T为绝对温度,单位为K。 该式表明, 介质的电导随温度T按指数规律上升。
绪
论
一、本门学科的形成、任务
1、我国电力发展的概况
(1) 装机容量、发电量迅速增长
(2) 用电量迅速增长
(3) 电网的建设有较大发展
建国后,1952年建设了110kV输电线路,逐渐形成京津唐 110kV输电网; 1954年建成丰满-李石寨220kV输电线,逐渐形成东 北电网220kV骨干网架;
1972年建成330kV刘家峡-关中输电线路,以后逐渐 形成西北电网330kV骨干网架; 1981年建成500kV姚孟-武昌输电线路,1983年又建 成葛洲坝-武昌和葛洲坝-双河两回500kV线路,开始形 成华中电网500kV骨干网架。1989年建成±500kV葛洲坝 -上海超高压直流输电线路,实现了华中-华东两大区的 直流联网。
与此稳定电流值相对应的电阻值称为电介质的绝缘电阻,即
三、影响电介质电导的因素
R
U Ig
1、电压(电场强度): 电导电流随电压增大而增大
2、杂质: (1)液体介质:
杂质是液体介质中带电质点的重要来源。 中性液体离子主要来源于杂质分子的离解; 极性液体除杂质外本身分子也易离解,所以同等条件 下,其电导率比中性液体要大。
电介质的相对介电常数 r
1.2 电介质的电导
电导率表征电介质导电性能的主要物理量,其倒数为电阻率。
一、电导的分类
电介质电导分为离子电导、电子电导,主要表现为前者。 1、电子电导:一般很微弱,因为介质中自由电子数极少; 如果电子电流较大,则介质已被击穿。 2、离子电导: 本征离子电导:极性电介质本身离解呈现的电导; 杂质离子电导:在中性和弱极性电介质中,主要是杂质离 解呈现的电导。 电泳电导:载流子为带电的分子团,通常是乳化态的胶体 粒子(如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠)吸附电荷变成了 带电粒子。
导电性能 介电性能 电气强度 表征参数: 电导率(绝缘电阻率)γ 介电常数ε 介质损耗角正切tanδ 击穿电场强度
本次课程的目的要求:
1、掌握极化、电导(绝缘电阻) 的概念
2、能说明极化的种类和特点
3、能解释吸收现象 4、能说明介质电导形成的原因及影响因素
1.1 电介质的极化
到14年底国网公司已建成特高压输电工程“三交四直”: 交流:陕北—晋东南—南阳—荆门—武汉; 淮南—浙北—上海;浙北—福州; 直流:向家坝—上海;锦屏—苏南; 哈密南—郑州;溪洛渡—浙西金华。
二、本门学科的研究对象及特点
1、三大对象:
绝缘技术;绝缘的试验技术及设备; 过电压及防护技术
(1)绝缘又称为电介质,分气体、液体和固体三类。 它的作用是将不同电位的导体分开;绝缘在运行中要承受 各种电压的作用,电压较低时会发生极化、电导和损耗现 象,电压超出临界值时会发生击穿现象。 要研究电介质在电压下的电气物理性能,特别是高压下的 击穿特性。 (2)研究击穿特性需要做高压试验,涉及到试验电源、测 量仪器、手段方法(在线、离线、智能化)等。 (3)电力系统在运行时不但要承受工作电压的作用,还会 受到大气过电压和内部过电压的作用,所以要研究其产生原 因、特点以及防护措施(结合计算机技术、模拟、仿真)。
五、电介质电导的工程意义
1、电导是绝缘预防性试验的依据; 2、直流电压作用下分层绝缘时,各层电压分布与电阻成 正比,选 择合适的电阻率可实现各层间合理分压; 3、注意环境、湿度对固体介质表面电阻的影响; 4、工程上有时要设法减小绝缘电阻以改善电压分布。
思考题
1-1、1-5、1-6
补充思考题:
金属材料的电导与电介质电导的区别是什么?
为保持场强不变,极板上电荷必然会增加,以抵消极化电荷 产生的反电场. C Q0 Q A / d r 是反映电介质极化特性 r C0 Q0 0 A / d 0 的一个物理量。与温度有关 气体 r 接近于1,因密度小、极化率低;液体和固体多在 2~6之间。 用于电容器的绝缘材料,希望选用 r 大的介质,可使单位 电容的体积和重量减小。 其他电气设备中总是选 r 较小的介质,因介质损耗较小。 采用 r 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的 沿面放电电压等。 采用组合绝缘时应注意各种材料 r 值之间的配合,在交流 电压下,串联多层介质的场强分布与介质的 r 成反比。
大容量输电的需求:高效率的大型、特大型发电机组的 建造投运,以其为基础建设的特大容量规模发电基地,需 要更高电压的输电网。 经济性好:资源中心在西部,能源负荷中心在东部,特高压 输电实现更大范围的资源优化配置。
3、高压的分类及世界、我国最高电Biblioteka Baidu等级
输电电压一般分高压、超高压和特高压。 国际上,高压(HV)通常指35~220kV的电压; 超高压(EHV)通常指330kV及以上、750kV及以下电压; 特高压(UHV)指1000kV及以上的电压。 高压直流(HVDC)通常指的是±600kV及以下的直流 输电电压; ±600kV以上的电压称为特高压直流(UHVDC)。 前苏联1150kV输电线于1985年建成两段,到1992年经过了 6年的商业运行考验; 日本于上世纪80年代建设东西和南北两条1000V输电主干线, 将位于东太平洋沿岸的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送 到东京。这两条线目前降压至500kV运行。
一般介质不均匀,于是要有 一电压重新分配过程,亦即 C1、C2上电荷重新分配,在 此过程中,分界面上将集聚 起多余的电荷,从而显出极 性来。
极化结果: 等值电容增大;夹层界面堆积电荷产生极性。
极化特点: 与分子结构无关; 极化时间长(R很大); 有能耗;
三、电介质极化在工程上的意义
1、组合绝缘要注意各种材料 r 值的配合。在交流及冲击电 压下,各层电压分布与其 r 成反比,选择 r 使各层介质电 场分布较均匀。
二、极化种类
1、无损极化:
(1)电子式极化
①电子式 ②离子式 特点:极化时间很短; 各种频率下均可发生, 与外加频率无关; 具有弹性,无损耗; 温度影响不大。 (2) 离子式极化 特点:极化时间稍长; 与频率无关; 弹性极化,无损; εr具正的温度系数;
2、有损极化: ①偶极子 ②夹层极化
(1) 偶极子极化
r
2、选择设备绝缘材料时,要根据不同目的选择不同的 r 。
r
3、在绝缘预防性试验中,夹层极化现象可用来判断绝缘受 潮的情况。 气体:一切气体的都接近1; 液体:非极性和弱极性电介质 1.8~2.8 强极性电介质 3~6 固体:非极性和弱极性电介质 2~2.7 强极性电介质 3~6 离子性电介质 5~8
3、表面电导:对固体介质,由于表面吸附水分和污秽存在表 面电导,受外界因素的影响很大。所以,在测量体积电阻 率时,应尽量排除表面电导的影响,清除表面污秽、烘干 水分、在测量电极上采取一定的措施。
二、电介质的泄漏电流和绝缘电阻
i=i1+i2+Ig I1-充电电流:无损极化对应的 纯电容电流,又称快极化电流; I2-吸收电流:为有损极化对应 的电流(主要为夹层极化),又称慢极化电流; Ig-泄漏电流: 介质中少量离子或电子移动形成的电流,即电导电流。
我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证、研究、 试验等,并于2005年9月在西北网建成投产了750kV输电线 路(官亭-兰州)。 2009年1月我国首条1000kV特高压输电线路开始投入 运行。
2、电力发展为何需要越来越高的电压?
理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比,电压 提高1倍,输送功率将提高4倍;
2、本学科及课程的特点:
多学科性、边缘性、不完善性;抽象、理论性。
第一章 介质的极化、电导和损耗
电介质分类: 按状态分气体、液体和固体三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘; 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。
常用的液体介质:变压器油、电容器油、电缆油 常用的固体介质:绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、 硅橡胶 电介质的电气特性表 现在电场作用下的:
四、绝缘电阻的特点
(1) 测量介质或设备的 R 时应加压1或10分钟; (2)
R 具有负的温度系数,而金属电阻具有正的温度系数;
(3) 由于 R 与外加电压有关,在临近击穿时有显著的迅 速增加自由电子的导电现象, 造成 R 剧烈下降; (4)对于固体电介质,还必须注意区分体积电阻RV和表面电 阻RS,由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大,不能用RS 来说明绝缘内部问题。