1 电介质的极化和电导

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。