1.1 电介质的极化和电导

1、我国电力发展的概况
(1) 装机容量、发电量迅速增长
建国后到1960年，装机容量突破1000万kW，居世界第9 位；1987年突破1亿kW，居世界第4位；1996年装机容量 达到2.37亿kW，跃居世界第2位，实现了全国电力供需基 本平衡；2000年突破3亿kW，仍居世界第2位；2004年， 总装机容量达到4.4亿KW，居世界第1位；2010年，总装 机容量达到9亿KW。

5、极化的种类
（1）无损极化： ① 电子式极化 电子式和离子式 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 偶极子极化
偶极子和夹层极化
(2) 用电量迅速增长
2004年全国用电量是1981年的7.08倍，其间用电量年均 增长8.88％，2000～2004年用电量年均增长12％。根据 预测，2004～2020年我国用电需求仍将保持较高的增长 率，2005～2010年年均用电增长率在6％以上，预计 2011～2020年年均用电增长率5％。 (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。 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，我国电压等级最高的1000kV特高压输电线路 开始试运行（晋东南-南阳-荆门）。
±800KV云—广特高压直流输电工程2009年投产。

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； 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。 资源配置要求：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。
空间电荷
电极附近
6、电导的概念及分类
（1）概念：表征电介质导电性能的物理量，其倒数称为 电阻；又常用电导率衡量，其倒数为电阻率。 （2）电导的分类： 电介质电导分为离子电导、电子电导等，主要表现为前者。 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。
离子电导： 本征离子电导：极性电介质本身离解所呈现的电导； 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。 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\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。
四、自学
1、电介质极化在工程上的意义 2、电介质电导的工程意义
五、小结
六、下次课程任务
绝缘电阻的测量原理、方法及实际测量练习
思考题
1-1、1-5、1-6
特点： 非弹性极化； 有能耗； 极化时间较长； 频率对极化有影响； 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
一般介质不均匀，初始与稳 态值不同，于是两层介质上 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，从而对外 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很大时）； 有能耗；
9、绝缘电阻的特点
(1) 绝缘电阻会随着加压时间的延长而变化， 因此测量 介质或设备的绝缘电阻时应加压时间长一些； (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 来说增加，以抵消极化电荷 产生的反电场.
引入相对介电常数表示 各种介质与真空的比较：
C Q0 Q A / d r C0 Q0 0 A / d 0
r 是反映电介质极化特性的一个物理量。
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 r 电压下，串联多层介质的场强分布与介质的 成反比。
各种极化类型的比较
极化类型 电子式 离子式 偶极子式 夹层介质 界面 产生场合 任何电介质 极化时间(s) 10-15 10-13 10-10～10-2 10-1～数小时 极化原因 束缚电荷的位移 离子的相对偏移 偶极子的定向排列 自由电荷的移动 能量损耗 无 几乎无 有 有
离子式结构电 介质
极性电介质 多层介质 交界面
在设计、生产、试验、运行时要研究各种电介质在电压下 的电气物理性能，特别是在高压下的击穿特性。
（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。
2、本课程的特点
（1）抽象性、多学科性、边缘性、不完善性；
（2）实践性、危险性、工程性；
二、本次课程主要内容（9个方面）
7、绝缘电阻和吸收现象
（1）绝缘电阻的一般概念：
电介质的电阻通常称为绝缘电阻。对于绝缘材料，人们关 注的多是其绝缘性能，而绝缘电阻的高低在一定程度上反 映了绝缘性能的好坏，所以对绝缘材料，我们常讨论其绝 缘电阻，这是与对导体我们常关注其电导不同的。
（2）流过电介质的电流及吸收现象：
以施加直流为例，流 过介质内部的电流：
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。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。
讨论：
2、电介质的电导（电阻）与导体的电导（电阻） 有何异同？温度对它们有何影响？
4、电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
表示极化强弱程度的一个物理量。
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
高压电气试验
理实一体课程
本课程的教学标准
学期授课计划
模块一
情境一
绝缘电阻测量
电介质的极化和电导
一、本课程研究的对象及特点
1、研究对象
绝缘技术；绝缘的试验技术及设备； （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。
i=i1+i2+Ig
根据内部物理 过程，总电流 i可分解为三部 分：
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－电导电流：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即 俗称的泄漏电流。
我们所说电介质的绝缘电阻，就是此时电介质上所加直流 电压与此稳定电流值的比值，即
R
U Ig
而在施加直流电压一段时间后，电介质中的电流逐渐减小， 像是被“吸收”掉了一样的现象，就是常说的“吸收现象”。
讨论：
1、吸收现象的本质是什么？对电介质的绝缘电 阻有何影响？
8、影响电介质电导的因素
（1）电压（电场强度）： （2）杂质： 液体介质： 电导电流随电压增大而增大
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。 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。
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。
3、电介质的种类和应用
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、 硅橡胶等
2、高压的分类
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；