第一章 电介质的极化、电导和损耗

区域a、b为低电场区， 区域c为高电场区。
低电场下液体电介质的电导： 1、离子电导：由于液体本身的分子和所含的 杂质的分子离解为离子而形成； 2、电泳电导：由于液体中的胶体质点吸附电 荷后变为带电质点而形成； 中性介质和弱极性介质的离子主要来源于 杂质分子的离解，电导比较小，可用作电介 质；极性介质和强极性介质的离子除了杂质分 子的离解外，自身分子也易离解，所以电导比 较大，通常不用做绝缘物质用
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第一章 电介质的极化、电导和损耗
本章重点与难点：
概念
1、什么是电介质：
106~1019Ω·m
电介质指的是具有很高电阻率的材料 2、电介质的作用： 绝缘，将不同电位的导体分隔开，使之在 电气上不相连接
相对介电常数，介质损耗角正切
3、电介质的分类： 气体：空气，SF6等
外绝缘
电介质工作在电场中，其导电性能的变化：
2）极性电介质：杂质离解和自身分子离解共同作用。
3）离子式电介质：离子在热运动影响下脱离晶格移动 所形成。
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4）影响因素 （1）电场强度： E较小，U和I服从欧姆定律，E较大时，U升高，I 增加速度很快，无饱和区。 （2）温度：T↑,G↑↑ （3）杂质：杂质含量↑,G↑↑ eg:当纸板的含水量增为百分之几时,固体电介 质的体积电导将增大3~4个数量级.
2、表面电导——由附着于介质表面的水分和污物引起 1）亲水性电介质：水可在其表面形成连续水膜。 表面电导大 2）憎水性电介质：水分在其表面只能形成不连续的水 珠。 表面电导小
五、电介质电导在工程上的意义 第三节 电介质的损耗 1、通过测量电介质电导（即为绝缘电阻），可以很容易 判断绝缘是否受潮或者有其他的劣化现象。 本节内容： 电介质的损耗的概念，介质损耗角正切， 气体、液体和固体的电导。
P tg
U 2 2 rCS U 2CS tg 2 1 ( rCS ) 1 tg 2 U 2CS tg
tg 很小
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P tg
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由此可见，不管采用哪种电路，只要外加电 tg 与P成正 压大小、频率和试品的尺寸一定时， tg 比，故可用 反映介质在交流电压下损耗的大 小。
可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总 的电压U保持不变。这就意味着C1要通过G1放掉一部 分电荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。 于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就 是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电 流称为吸收电流。
由于这种极化涉及电荷的移动和积聚，必然伴随能 量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、 几分钟、甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频 交流电压下才能表现出来。
2、注意电介质的电导率的配合。
3、电导引起损耗，对绝缘的影响。
一、介质损耗的基本情况： 1、电介质的等值电路： 对于串联的两层不同均匀介质的平行板电极上突然 加上直流电压后，其等值电路：
图中C1 代表介质 的无损极化（电子式 和离子式极化），C2 —R2 代表各种有损极 化，而R3则代表电导 损耗。
U1 U2

t 0
C2 C1
t=
,电压分配将与电导成反比：
C1< C2，而G1>G2，则由上面两式：
一般C2 G2 即C1、C2上的电荷需要重新分配，设
1 1
C
G
U1 U2
可得：

t 0
C2 C1
U1 U2

t
G2 G1
U1 U2

t
G2 G1
t=0时，
U1>U2
t 时， U1<U2
电介质 电极
E
U
U
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t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：
凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的 绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介 电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重 新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整 个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极 化，简称夹层极化
f 增大，曲线向右移动
因为频率高时，偶极子的转向来不及充分进行
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五、电介质损耗在工程上的意义 1、是选择绝缘材料的依据。
2、判断绝缘材料是否受潮、劣化。
3、使用电气设备时注意使用环境的频率、温度和电压 的要求。
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Ua≤U＜Ub： I基本饱和，饱和电流为10-19A数量级 Ub≤U＜U0： U↑ I↑↑ U≥U0： U↑ I↑↑↑
气隙被击穿
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三、液体电介质的电导 U＜Ub： U≥Ub： 低电场区，电导很小，一般不考虑 强电场区，考虑电导 在区域b，电流饱和 程度不高，因为液体的密 度大，正负离子复合的机 会大，不可能所有的离子 都运动到电极。
r 往往和较大的电导率相联系，
电介质的电导的概念，气体、液体和固体 的电导。
因而介质损耗也较大。 采用 r 较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、 提高套管的沿面放电电压等。
一、电介质电导 的基本概念
二、气体电介质的电导 气体电介质的伏安特性如图所示： U＜Ua： U与I基本满足欧姆定律
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。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电 导和电子电导两种。
2、离子式极化：
离子式结构的电介质在无外电场作用时，内部的正、 负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平 衡极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向 相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。
3、偶极子式极化：
每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在 外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电 矩等于零，整个介质对外并不表现出极性 出现外电场后偶极 子沿电场方向转动，作 较有规则的排列， 因而 显出极性，这种极化称 为偶极子极化或转向极 化。
U0：发生碰撞游离的 电压。
U＜U0：主要是电导 损耗，很小。
U≥U0：主要是气体分子发生游离而消耗的电场的能量 引起的损耗。
在低温时，极化损耗和 电导损耗都很小； 随着温度的升高，偶 极子转向极化增强， 电导损耗也在增大， 所以总的tgδ 亦上升， 并在 t = t1时达到极大 值； 在 t1< t< t2 范围内极化强度减弱，极化强度的减弱超过了电导损耗 的增加，所以总的tgδ曲线下降，并达到最小值。在t>t2 以后电导 损耗的急剧上升、极化损耗退居次要地位，因而tgδ将随 t 的上升 而持续增大。
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一、电介质的极性及分类 一些概念： 偶极子 分子键，化学键 正离子，负离子
二、电介质极化的概念和极化的分类
极化：在没有外电场作用时，电介质内部各个 分子偶极矩的矢量和的平均值为0，电介质整 体对外无极性。当施加外电场时，电介质会在 沿电场方向的两端形成等量异号电荷，对外呈 现极性，这个现象称为电介质的极化。 极化的基本形式：电子式极化，离子式极化， 偶极子式极化，空间电荷极化。
I I I R C
I R I3 I 2 R
I C I1 I 2C
U
I R
R
CP
I C
串联等值电路 上述有损电介质也可用一 只理想的无损耗电容CS和一个 电阻 r 相串联的等值电路来代 替，如右图所示。 由右图的相量图可得
I
δ U Cs r Ucs U Ur φ I
1、电子式极化：
在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对 于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而 出现感应偶极矩。这种极化称为电子式极化，又称为电 子位移极化。
电子式极化存在于一切电介质中，其特点：
完成极化需要的时间极短，极化与频率无关； 没有能量损耗，外场消失，整体恢复中性； 温度对极化过程的影响很小。
1、当外加电压较低时，电介质内部要发 生极化、出现电导、引起损耗。
内绝缘
液体：油、酒精等
2、当外加电压较高时，电介质可能丧失 绝缘性能转变为导体，绝缘击穿。
固体：石蜡、聚乙烯、松香、纸、云母等
第一节 电介质的极化 本节内容： 我们首先讨论电介质的极化、电导和损耗过程。 电介质的极性；极化的概念、分类，以及 各种极化的物理过程；相对介电常数。
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对于平行平板电容器，极间为真空时：
C0 Q0 0 A U d
电介质的极化是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。介电常数来表示极化强弱。
放置固体介质时,电容量将增大为: 相对介电常数： r
C
Q0 Q' A U d
C C0 0
0 ---真空的介电常数
r 是反映电介质极化特性的一个物理量。
r ---介质的相对介电常数 A d

---介质的介电常数 ---极板面积，cm2 ---极间距离，cm
四、相对介电常数的工程意义 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用 r 大的 电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重 量减轻。 其他电气设备中往往希望选用 r 较小的电介质， 这是因为较大的 第二节 电介质的电导 本节内容：
为功率因数角，
是它的余角，称为介质损失角
tg
Ur Ir CS r U C I / CS
I U/R 1 tg R IC UC P CP R
P I 2r
U 2r r (1 CS ) 2
2
P UI R UI C tg U 2Ctg
2、介质损失角正切 介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗， 包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹 层极化）引起的损耗，总称介质损耗。
在直流电压的作用 下，电介质中没有周期性的极化 过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质 中的损耗将仅由电导所引起，所以用体积电导和表面电导 率两个物理量就已能充分说明问题，不必在引入介质损耗 这个概念了。
影响液体介质电导的主要因素： 1、温度： 分子离解程度↑，自由离子数↑ T↑ 液体粘度↓，离子运动阻力↓， 离子运动速度↑ 电导↑
2、杂质： 杂质↑ 电导↑
四、固体电介质的电导 固体电介质的电导分为体积电导和表面电导：
内部导电能力 表面导电能力
1、体积电导 1）中性或弱极性电介质：主要由杂质离解所引起。
可采用并联等值电路或串联等值电路来分析 并联－－电导损耗 串联－－介质损耗
总电流表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流 随时间变化的曲线，称为吸收曲线。
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向量图
上述三支路等值电路可进一步简化为电阻、电容的的并联 等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常 采用并联等值电路；如果介质损耗主要由极化所引起，则常采 用串联等值电路。 并联等值电路 把电流归并成有功电流和无功电流两部分，即可得如下图 所示的并联等值电路，图中CP代表无功电流IC的等值电容、R 代表有功电流IR的等值电阻。 其中