第二十讲固体电介质的电导
固体电介质的电导
2. 电介质中的电子跳跃电导
常用的绝缘高分子介质材料多由非晶体或非
晶体与晶体相共存所构成。
图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图
由原子周期性排列所形成能带仅能在各个局部区 域中存在，在不规则的原子分布区能带间断，在具有 非晶态结构的区域电子不能像在晶体导带中那样自由 运动，电子从一个小晶区的导带迁移到相邻小晶区的 导带要克服一势垒（见图3-5）。
固体电介质的电导按导电载流子种类可分为离 子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，而 后者以自由电子为载流子。在弱电场中，主要是离 子电导
3.2.1 固体电介质的离子电导 3.2.2 固体电介质的电子电导 3.2.3 固体电介质的表面电导
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3.2.1 固体电介质的离子电导
固体电介质按其结构可分为晶体和非晶体两 大类。对于晶体，特别是离子晶体的离子电导机
1 Rs Gs
(3-25)
s
1ห้องสมุดไป่ตู้
s
(3-26)
1. 电介质表面吸附的水膜对表面电导率的影响
介质的表面电导受环境湿度的影响极大。任何 介质处于干燥的情况下，介质的表面电导率 s 很小， s 但一些介质处于潮湿环境中受潮以后，往往 有明 s 显的上升（或 下降）（见图3-10）。可以假定， 由于湿空气中的水分子被吸附于介质的表面，形成 一层很薄的水膜。因为水本身为半导体 （ 105 m），所以介质表面的水膜将引起较大 的表面电流，使 s增加。
式中，n——空间电荷的体积浓度； De——电子的扩散系数。
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3.2.3 固体电介质的表面电导
通过固体介质的表面还有一种表面电导电流Is。 此电流与固体介质上所加电压U成正比，即
电介质电导和损耗
见表
温度升高液体电介质粘度降低，离子迁移率 增加，电导增大 温度升高液体电介质或离子的热离解度增加， 电导增大 A、B — 常数；T — 绝对温度
B/T Ae
— 电导率
见图 见图
4、与电场强度有关: 当场强到达一定程度后，电导将迅速增大
离子电导：带电粒子是离子，低电场电导区
电介质的电导和损耗
电介质中的传导电流
电气传导电流概念：是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
电介质电导
I
ic
ig
0
i 'a i 'c
1 V
特点： 1、与温度有关，与液体类似
2、与电场强度有关：当电场强度大于某一定值时
0e
b (E E 0)
b — 与材料性质有关的常数
0 — 电导率与电场强度无关时的电导率 E 0 — 电导率与电场强度无关时的最大电场强度
见图
3、与杂质有关：合成高分子绝缘材料的催化剂、增塑剂、填料
j
C A js
Ⅰ Ⅱ
B
Ⅲ
0
E1
E2
E cr
E
二、液体电介质 电导 特点：
一是由液体本身的分子和杂质的分子解 离成离子，构成离子电导； 二是由液体中的胶体质点(如变压器油中 悬浮的小水滴)吸附电荷后，变成带电质 点，构成电泳电导。
1、与纯净度有关: 杂质越多，电导越大
2、与介质分子的离解度有关: 介电常数越大，电导越大
C A d
E U d
第二十讲固体电介质的电导
Ae 1
(ua us 2 ) KT
A2eud
KT
3 电子电导
电介质可以看成是一种宽禁带的半导体，禁带宽度 大于3~5eV。对于这样高的 禁带宽度，本征载流子对于电子电导几乎没有影响。电介质的电子电导主要是 由于杂质本身以及由杂质形成的各种缺陷，特别是俘获了电子或空穴的各种复 合缺陷在电场作用下发生电离造成的。此外外部电极注入的电子也不可忽略。
ln ln A1 ( a
s
2
) / KT
T
由实验测得 、 T ，作出 ln ~ 1 曲线（直线） ，则可从直线斜 率中球得电导的总活化能 (
a
s
2
) ；从直线截距上求得常熟
A1。
在室温下，热缺陷很少，杂质缺陷起主导作用。 由杂质载流子形成的电导为：
nd qd A2e
M M m Q It qN qN
1）离子电导的载流子 （1）本征缺陷载流子：因热缺陷而产生的脱离格点的填隙离子及空格 点称 为本征缺陷载流子。 本征缺陷载流子主要分为： 肖特基（Shottky）缺陷和弗兰克尔（Frenkel）缺陷。 肖特基缺陷：当晶格结点上的一个离子由于剧烈的热运动脱离格点的束 缚，进入到晶体表面某一空着的正常格点位置时，在晶格中留下一个空 格点，这就是肖特基缺陷。 弗兰克尔缺陷：如果晶格结点上的离子（通常为正离子）进入到晶格的 填隙位置,晶体中同时出现一个空格点和填隙离子，其特征为空格点和填 隙离子数相等，这种缺陷称为佛兰克尔缺陷。
内能增加为：
nv n f
u n f v f
i f
nv N
个空格点在 N 个晶位的分布以及 n n 个填隙离子在 N 个可能的填隙位置上的分布 C C 约形成一个费兰克尔缺陷 需要的能量 u 。
第三章 介质电导
∴
E1
=
d τμ
τ、μ对给定的材料为定值，也可通过实验测得。
E 1随d的增加而增加。
17
§3-2 气体介质的电导
3. 高电场区 当电场强度很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获得
很高的能量而产生新的碰撞和电离，使离子生成速率N随 电场强度E的增大而呈指数式增加，导致电流密度的指数 增大。
18
3
2. 电场较强时
当电场强度增大时，电流密度增大。
如果
j >> ξ ⋅ n2 qd
N≈ j qd
或
j ≈ Nqd = 常数 = jS
通常所说的电导率均是指饱和区的电导率。
此时，电流密度与电场强度 无关，即电流达到饱和； 由电离作用生成的离子全部 到达极板上进行复合。
E1 = ?
设：τ
=
d ，而v v
= μ E1
三、液体介质的电泳电导
1.载流子——胶粒 来源：1）加树脂（提高粘度、稳定性）——悬浮离子； 2）过量的水——细小水珠。
特点：1）胶粒为分子的聚集体，大小在10-6~10-10m； 2）胶粒为分散体系，作布朗热运动； 3）胶粒为带电体，带电规律：
¾ε胶粒＞ε液体，胶粒带正电
¾ε胶粒＜ε液体，胶粒带负电
§3-1 电介质电导总论
1. 由电子（或空穴）热激发带间跃迁中所产生的本征载流子对电介质 （绝缘体）的传导没有显著的贡献，甚至在较高温度（500K）下也是 如此。
2. 在室温或低于室温时，由杂质能级中电子（或空穴）热激发所产生的 非本征载流子对电介质（绝缘体）的传导没有贡献；在较高温度 （500K）下由于杂质的热电离而产生的电导率可达到检测的极限值， 即10-21 （Ω·m）-1量级的限值。
固体电介质的电导..35页PPT
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢！
固体电介质的电导..
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
电介质电导和击穿课件
• 3.1 概述 • 3.2 气体电介质的电导和击穿 • 3.3 固体电介质的电导 • 3.4 固体电介质的热击穿 • 3.5 固体电介质的电击穿
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1
3.1 概述
• 1．什么是电介质的电导？提高电介质的绝缘性能 的基本方法是什么？（掌握）
• 2．电介质电导类型有哪些？（掌握） • 3．什么叫电介质的击穿？它有哪些击穿形式？通
• （1）气体导电机理 • （2）气体电导过程的理论分析
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8
（1）气体导电机理
• 气体能导电是因为气体中存在一定浓度的带电正 负离子（载流子），载流子存在则是因为气体中 随时随地进行着下述两个过程：
• 电离过程：
• 气体在光、热、辐射等作用下，电子从分子中分离出来 使气体分子带正电，从而形成正离子载流子，这个过程 称为电离。电离出来的电子又极容易被其他分子所捕获 而形成负离子。描电离过程的速度大小用单位时间单位 体积产生的正离子（或负离子）数n′描述
Emfp,T,L
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21
（2）物理过程及其模型的建立
• 当电场达到游离场强之后，气体电介质中载流子的产生 除了因外界因素（如光照等）使极板表面和气体发生电 离而产生载流子外，还通过以下碰撞过程产生载流子
• 1）电子碰撞电离过程： • 描述该过程的关键参数-----电子电离系数α：一个电子运动
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31
3.3 固体电介质的电导
• 1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪些 类型？本征离子电导率规律有何特点？（掌握）
• 2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子电 导率有何特点？（掌握）
固体电介质的电导
当电子从金属电极发射时，如图3－6右下角附 图所示的金属表面感应正电荷，这时，电子受到感
应正电荷的作用力F（x），可以看成是以金属为对
称面，电子与其对称位置的等量正电荷之间的静电 引力（镜像法），从而可得热电子发射电流密度与 外电场E的关系式为
j AT 2 exp[( D e3E / 4 0 r ) / kT] (3-20)
1 Rs Gs
(3-25)
s
1
s
(3-26)
1. 电介质表面吸附的水膜对表面电导率的影响
介质的表面电导受环境湿度的影响极大。任何
介质处于干燥的情况下，介质的表面电导率 s很小，
但一些介质处于潮湿环境中受潮以后，往往 有明 s
显的上升（或 下降 s）（见图3-10）。可以假定，
由于湿空气中的水分子被吸附于介质的表面，形成 一层很薄的水膜。因为水本身为半导体 （ 10 5 m），所以介质表面的水膜将引起较大
电子电流密度，由理查森—杜什曼（Richardson-
Dushman）式知
j AT e2 D / kT
(3-19)
式中
A 4mek 2
h3
D uxo uF
其中m ——电子质量；
D ——金属的功函数；
u xo——沿x轴方向逸出金属的电子在x方向所应具
有的最低能量。
当外施电场E时，电场将使电子逸出金属的势垒 降低，电子容易发射，这一现象就是如图3-6所示的 肖特基（Schottky）效应。
如图3-8a)所示，电子的波函数在II区间发生了 衰减，但是通过势垒后进入III区间内的粒子能量等 于原来的能量。
图3-8 隧道效应 (a)电子波函数的变化 (b)肖特基效应产生的势垒变化
高电压技术-试题及答案
《高电压技术》二、填空(每题2分,共20分)1。
带电质点的复合2。
棒－板3. 1.24。
离子电导5. 低6. 降低7．反接法8. 工频高电压试验9. 巴申10．雷电冲击1. 带电质点消失的途径有带电质点受电场力的作用流入电极、带电质点的扩散和带电质点的复合____________。
2. 工程实际中,常用棒－棒或________________电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
3。
国际上大多数国家对于标准雷电波的波前时间规定为________________μs。
.4. 固体电介质的电导按载流子种类可分为电子电导和__________________。
5. 棒－板电极系统，棒为负极性时的电晕起始电压比棒为正极性的电晕起始电压低______。
6. 某220kV电气设备从平原地区移至高原地区，其工频耐压水平将_________________。
7．当电气设备的外壳接地时，采用西林电桥测量tanδ宜采用_________________.8. 电气绝缘的高电压试验包括_________________、直流高电压试验和冲击高压试验。
9.在实际应用中，采用压缩气体或高真空作为高压设备绝缘的理论依据是____________定律。
10．BIL是指电气设备的____________绝缘水平.三、单项选择题(每题2分，共32分)1．C 2。
D 3。
A 4. A 5. B 6。
A 7. D 8。
C9. C 10。
B 11.B 12。
C 13.A 14.C 15.B 16.A1．气体中带电质点产生的最重要方式是(）：A。
热电离 B. 光电离 C。
碰撞电离 D. 以上都不是2。
下列仪器中，不能用来测量直流高电压的是（）A．测量球隙 B．静电电压表 C．电阻分压器 D．电容分压器3. 下列说法中，（）是不正确的A．加在气隙上的电压达到最低静态击穿电压时，气隙即被击穿B．伏秒特性表示的是间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系C．由于放电具有分散性，一般用50％击穿电压表示气隙的冲击击穿特性D．伏秒特性曲线是一个带状区域4. 关于操作冲击电压作用下极不均匀场的击穿电压，(）是不正确的A．操作冲击电压下气隙的击穿通常发生在波尾部分B．击穿电压与波前时间的关系曲线呈现“U”形C．气隙的操作冲击电压远低于雷电冲击电压，D．操作冲击击穿特性具有显著的饱和特征5. （ )不是提高沿面放电电压的措施A．采用屏障和屏蔽 B．降低表面憎水性C．减小绝缘体的表面电阻率 D．使沿面的电位分布均匀6. 工频耐压试验时,工频变压器的负载大都为（ )A. 电容性 B。
2电介质的极化、电导和损耗
33
固体电介质的电压－电流特性
区域1：符合欧姆定律， 也称低场强领域
区域2：电流随场强非线 性增加
区域3：出现破坏先导电 流
区域2、3也称高场强领 域。和液体、气体不同 ，固体中的电压－电流 特性没有饱和状态
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
7
极化机理：带电质点移动 介质类型：不均匀（或夹层）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
8
当电场强度小于使气体分子 电离所需的值时，气体介质
中的损耗极小（tg <10-8），
工程中可以略去不计。所以 常用气体（如空气，N2；CO2 ，SF6等）作为标准电容器的 介质 当外施电压U超过起始放电电 压 U0 时 ， 将 发 生 局 部 放 电 ， 损耗急剧增加
42
三、液体电介质中的损耗
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
10
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
对中性和弱极性介质（如石蜡、聚苯乙烯、硅有机物等），水分子与 固体介质分子的附着力很小，水分不易在介质表面形成连续水膜，而只 能凝聚成小水滴，故表面电阻较高，电导较小，称这类介质为僧水性介 质。
液体、固体电介质的极化、电导与损耗
液体、固体电介质的极化、电导与损耗一、电介质物质结构的基本知识电介质：能在其中持久建立电场的物质物质性质与其微鸡肉结构直接相关1．形成分子和聚集态的各种键分子：原子或离子组成，气、液、固三种由原子、离子或分子组成。
键——质点间的结合方式化学键：高子键，共价键，分子由相邻原子间的结合力（相互吸收作用）分子键：分子间的结合力高电压领域理论基础——电介质与放电理论高电压是基础课2．电介质分类（1）非极性及弱极性电介质非极性电介质——由非极性分子组成，分子由共价键结合弱极性电介质——存在分子异构或支链，多少有些极性。
（2）偶极性电介质——由极性分子组成，聚氯乙烯（3）离子性电介质：只固体形式，无个别分子——晶体和无定形体两类晶体——云母，电瓷无定形体——石英二、电介质的极化及相对介电常数1．极化的基本类型真空中电容量为co，摄入固体介质，容量变为，相对介电常数，尽量增大原因——介质极化现象。
由介质极化形式：（1）电子位移极化介质中的原子，分子或离子中的电子在外电场作用下，电子轨道相对于原子核发生位移，从而产生感应电短的过程。
特点：存在于一切介质中，极化时间短，极化程度取决于E，，与电源频率f无关，极化是弹性的，无能量损耗，去掉外电场，极化可立即恢复。
（2）位移极化离子结合成的电介质，外电场作用使正、负离子产生微小位移，平均具有电场方向的偶极矩，这种极化时间极短，极人程度与电源频率f无关，有正的温度系数。
（2）转向极化（偶极豫极化或取向极化）极性介质，单个分子子具有偶极矩，无外电场，对外平均不具有偶极矩，外电场作用下，取向极化率增加，对外具有了偶极矩，存在于偶极性介南中，非弹性的，转向需克服相互间作用面做功，消耗能量，复原时不可能收回，极化时间长，与f有关频率较高时，转向极化跟不上电场变化，极化率减小。
温度防碍（4）夹层介质界面极化上述3种带电质点的弹性位移或转向形成本：带点质点移动形式。
实际——多层电提质绝缘结构如双层介质表面电荷尔蒙不重新分配。
高电压提纲附答案 (2)
高电压复习纲要学习情境一1、云母绝缘材料由哪几部分组成？云母制品的种类及用途答：组成：介电材料，补强材料，粘结剂种类：云母带：具有良好的电气和力学性能，在室温下具有柔软性，可以连续包绕电机线圈，经浸渍或模压成型为电机线圈主绝缘云母板：柔软云母板在常态时具有柔软性，任意弯曲而不破裂；塑型云母板在常温下是硬质板状材料，加热时变软，继续加热加压可以塑制成不同形状的绝缘构件云母箔：一般在电机、电器中用作卷烘式绝缘以及转子铜排绝缘2、钢化玻璃的用途答：用途：钢化玻璃绝缘子、制真空器件、发光器件显示外壳、绝缘。
3、常见的合成树脂材料有哪些？热塑性树脂与热固性树脂的区别？答：种类：交联聚乙烯，酚醛树脂，环氧树脂，聚乙烯，聚氯乙烯区别：热塑性树脂是加热成型后冷却硬固，再加热又软化，可以多次反复成型。
具有可溶性的树脂热固性树脂在热压成型后成为不溶熔的固化物，再加热也不软化，也就是只能塑制一次4、六氟化硫气体的性质答：物理性质：常态下，纯净的SF6气体为无色无味，无毒，不燃的惰性气体，容易液化化学性质：非常稳定，在空气中不燃烧，不助燃。
在150摄氏度下不与水、酸、碱、卤素及绝缘材料作用，在500摄氏度以下不分解，但温度超过600摄氏度时，SF6气体将产生部分热分解5、变压器的主绝缘和纵绝缘答：主绝缘：是绕组与接地部分之间以及绕组之间的绝缘纵绝缘：是指同一绕组的匝间、层间以及与静电屏之间的绝缘6、何为游离？按照能量来源的不同，游离分为哪几种形式？气体中带点质点的消失形式有哪几种？答：游离定义：中性原子从外界获得足够的能量，使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带点质点）的过程游离形式：按照能量来源不同，可分为：碰撞游离，光游离，热游离，表面游离消失形式；带电质点受电场力的作用流入电极；带电质点的扩散；带电质点的复合7、汤逊理论的要点是什么？适用条件是什么？答：要点：均匀电场中，气体间隙的击穿主要由电子的碰撞游离和正离子撞击阴极表面造成的表面游离所引起的适用条件：在均匀电厂，低气压，短间隙的条件8、巴申定律的主要内容是什么？答：击穿电压Ub是气压P和间隙距离d乘积的函数：Ub=f(Pd)9、流注理论的要点是什么？适用条件是什么？答：要点：电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，空间电荷对电场的畸变作用是产生光游离的重要原因适用条件：不均匀电场，高气压，长间隙的条件10、何为电晕放电？它有何危害？限制电晕的方法有哪些？答：定义：当电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在曲率半径小的电极附近，电场强度将先达到引起游离过程的数值，间隙在这一局部区域形成自持放电在高场强区，会出现蓝紫色的晕光，并发出“咝咝”的响声危害：产生能量损耗；产生高频电磁波，干扰信号；产生臭氧，氮氧化物，有腐蚀作用方法：改进电极形状，增大电极的曲率半径；对输电线路采用分裂导线11、何为极性效应？正棒——负棒和负棒——正棒间隙击穿电压和起晕电压之间的关系答：定义：对于电极形状不对称的不均匀电场间隙，如棒-板间隙，棒的极性不同，间隙的起晕电压和击穿电压不同。
高铁高压供电设备之液体和固体电介质的击穿特性—电介质的电导
离解出来的离子造成的。
电泳电导：由液体介质中的胶体质点吸附
电荷后形成带电胶粒产生的。
不同电介质电导的特点
液体电介质的电导率：
液体种类
液体名称
温度（℃）
电导率
（S/cm）
纯净程度
中性
变压器油
80
0.5×10−12
未净化
80
2×10−15
净化
80
10−15
80
极性
强极性
0.5×10−15
两次净化
高度净化
电介质的电导
吸收现象和吸收比
吸收现象
电介质中的电流及其等值电路
（a）在电介质
上施加直流电压
（b）直流电压下流过
电介质的电流
（c）电介质的等
值电流
电介质的电导
（a）在电介质
上施加直流电压
（b）直流电压下流过
电介质的电流
（c）电介质的等
值电流
电介质在直流电压U作用下，流过电介质的电流i随时间逐渐衰减，最终达到
60
15
绝缘良好：K=≥1.3
绝缘受潮或劣化：K值变小
某个 稳定值，称为吸收现象。
电介质的电导
绝缘在直流电压作用下的吸收现象
（a）无外加电场
（b）有外加电场
电介质的电导
泄漏电流与绝缘电阻
电介质在直流电压U的作用下，开始由于各种极化过程的存在，流过的电流较
大， 然后随着极化过程的结束，电流逐渐衰减而趋于一稳定值，即泄漏电流。与这
个 稳定值所对应的电阻就称为电介质的绝缘电阻。
二氯联苯
80
10−11Leabharlann 工程应用蓖麻油20
10−12
工程应用
第二章液体、固体电介质的电气性能
2-4 电介质的老化
一、电老化 局部放电;电化学过程 二、热老化 1、IEC规定的电工绝缘材料的耐热等级（7级）： Y（O）、A、E、B、F、H、C 2、热老化的8℃规则、10 ℃规则、12 ℃规则 对A级绝缘，温度每增加8℃，则寿命缩短一半左右。
5、影响电介质电导的主要因素
（1）温度
B
γ AeT
（2）杂质
要注意防潮
6、电介质电导在工程实际中的应用
（1）用来判断绝缘状况
（2）DC作用下，电介质中各层电压分布规律 U 1
U2
G2 G1
（3）表面绝缘电阻的合理应用
a.为了减小表面泄漏电流以提高放电电压，应使表面电阻 增大;
b.为了减小表面局部场强以善电场分布，应使表面电阻适 当减小。
3、介质损耗的计算及指标 （1）DC下 用γ即可表达其损耗特性：
PU2 GU2 R
R—介质的绝缘;G电 —阻 介质的电导
（2）AC下
P U cI o U sC t Ig U 2 C p tg
式中 tgδ——介质损耗因数，常用百分数
表示 ψ——功率因数角 δ——介质损耗角（δ=90°- ψ）
通常采用tgδ而不用P表示电介质的损耗特性，这是因为 ①P与U、C、ω有关，不便于对不同尺寸的同一绝缘材料进
第二章 液体、固体电介质的电气性能
电介质的基本电气性能
极 化—— 相 对 介 电 常 数 εr 电 导—— 电 导 率 γ 损 耗—— 介 质 损 耗 因 数 tgδ 击 穿 —— 击 穿 电 场 强 度bE
2-1 电介质的极化、电导和损耗
一、极化现象及相对介电常数
1、极化的定义
电介质在电场中所发生的
对电容器希望εr大些，对电缆则希望εr小些。 （2）设计交流绝缘结构时，应考虑电场的合理分布。
电介质的电导
由于本征离子是由液体分子 电离而来，因此可认为本征 离子的性质与液体分子基本 相同，即：
, , U0 U0 n0 q 常数
注：该关系式只适用于液 体的本征离子，杂质 离子不能适用。
§3-4 固体介质的电导
一、固体介质的载流子
•离子：杂质离子和本征离子 •电子
液体分子的迁移率为： U0 2 exp （ ） 6 KT KT 式中U 0 、、 分别为液 体分子迁移势垒高度、 势 垒间距和分子固有振动 频率 1 液体的粘度： U0 6KT 3 exp （ ） KT 本征离子的电导率为： n0 q 2 2 U0 exp （ ） 6 KT KT
§3-3 液体介质的载流子和电 导
常见的液体电介质： •矿物油——变压器油、电容器油； •植物油——蓖麻油、桐油； •有机溶剂——苯、甲苯、四氯化碳； •新型液体介质——十二烷基苯、硅油、酯类油。 纯液体介质具有很低的电导率=10-13~10-15（cm）-1， 含有杂质的液体介质的电导率=10-9~10-13（cm）-1。
通常所说的电导率均是指饱和区的电导率。
E1 ? d 设： ，而V E1 V d E1 、对给定的材料为定值， 也可通过实验测得。 E1随d的增加而增加。
3. 高电场区 如电场很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获 得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大。
§3-2 气体介质的载流子和电 导
一、载流子的产生 •体积电离——体内气体分子相互碰撞而发生的电离，又 称为本征电离； •表面电离——金属电极表面电子逸出而使气体发生的电 离，又称为非本征电离。 气体介质只有在气体分子电离的情况下，才会产 生电流。气体分子的相互碰撞，光、热、辐射等都可 能引起气体电离。
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➢不随时间变化的漏导电流，真实反映电介质内部的导电过程。为了排除前三 种电流的影响，需要长时间把电压加在试样上使电流不随时间改变为止。
一般来说，固体电介质的电导按照载流子类型可分为三种：
第二十一讲 固体电介质的电导
1 概论 固体电介质的漏导电流包括两部分：流过体内的电流 Iv和沿着电介质表面 流动的电流 Is，有 I =Iv +Is 。
Is
I
I
Iv
固体电介质的漏导电流
在一定电压下，漏导电流与电压成正比，符合欧姆定律。在高电压下， 漏导电流与电压不成线性欧姆定律。电导G和电阻R不仅与材料有关，而 且和试样的几何形状和尺寸有关。
➢离子电导或电解电导：载流子是材料的本征离子、杂质离子及空格点； ➢离化分子电导或电泳电导：这种电导是由于离化了的分子或分子团引起的， 在固体中少见，主要出现在玻璃和无定形固体中； ➢电子电导：由自由电子和空穴引起，载流子来自光电效应，电极注入，施主 或受主掺杂。
实际固体电解质中的电导是复杂的，往往多种类型的电导同时存在并相互转 化，材料的电导及其规律与材料的化学组成、结构、杂质及环境有很大关系。
根据热力学平衡条件
且 F 0
nv T C
nv N
可得： nv Ne uv KT
在离子晶体中，正、负离子空格点往往是同时出现的，以便
晶体内部维持电中性。
则肖特基热缺陷浓度为： ns Neus 2KT
弗兰克尔缺陷的浓度：
由于填隙和空格点出现引起的熵变为：
S
K
ln
! ln nv )!nv !
(Ni
Ni
)
nv )!nv !
K (ln
N ! ln
Ni
)
(N nf )!nf ! (Ni nf )!nf !
内能增加为： u n f v f
nv n f 个空格点在 N 个晶位的分布以及 ni n f 个填隙离子在
Ni
个可能的填隙位置上的分布
C
nv N
m M Q M It qN qN
1）离子电导的载流子
（1）本征缺陷载流子：因热缺陷而产生的脱离格点的填隙离子及空格 点称 为本征缺陷载流子。 本征缺陷载流子主要分为： 肖特基（Shottky）缺陷和弗兰克尔（Frenkel）缺陷。 肖特基缺陷：当晶格结点上的一个离子由于剧烈的热运动脱离格点的束 缚，进入到晶体表面某一空着的正常格点位置时，在晶格中留下一个空 格点，这就是肖特基缺陷。
C ni Ni
约形成一个费兰克尔缺陷
需要的能量u f 。
nf NNi euf 2KT
由us 和u f 相当高，在室温下这两种缺陷的浓度非常低，对电 导影响不大。只有当晶体非常纯净，温度非常高，热缺陷对材料 的电导才逐渐显示出来。
一般来说晶体中这两种热缺陷同时存在，究竟出现荷重形式的 热缺陷，主要取决于 us 和 u f 的值。取决与晶体结构紧密时， us u f ， 填隙空间很小，产生一对填隙离子和空格点的激活能 uf 大，容易 形成 Shottky 缺陷，导电载流子为空格点；如果晶体结构比较松 散，u f us ，产生空格点的激活能us 大，容易形成 Frenkel 缺陷， 这时电导载流子遍是填隙离子和空格点离子。
弗兰克尔缺陷：如果晶格结点上的离子（通常为正离子）进入到晶格的 填隙位置,晶体中同时出现一个空格点和填隙离子，其特征为空格点和填 隙离子数相等，这种缺陷称为佛兰克尔缺陷。
肖特基缺陷浓度：
设单位体积空格点数为 nv ，每产生一个空格点需能量uv ，单位 体积晶体内能增加 nv uv ， nv 个空格点 N 个晶位上的分布公式：
C
nv N
n!
(N
nv )!nv!
由于空格点的出现引起的熵变为
S
K
ln
C
nv N
晶体自由能 F 的变化
F
u
TS
nvuv
KT
ln
C
nv N
考 虑 到 nv 和 N 都 是 非 常 大 的 数 ， 引 用
Stering
公式
ln n! nln n n 则，
F nvuv KT[N ln N (N nv ) ln( N nv ) nv ln nv ]
（2）杂质缺陷载流子 晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材料的化学纯度以及掺杂量,与 温度无关。室温下即使是高纯物体，杂质载流子仍然远高于热缺陷本征载 流子，因此例子电导主要去取决于杂质含量。
杂质缺陷载流子：材料本身有杂质；掺杂改性。 材料中杂质的存在方式： 1).均匀分散在材料内部，形成固溶体； 2).富集在一起，形成单独的一相； 3).对于多晶固体则可能富集在晶界区域，形成晶界相。
快或慢地逐渐下降，最后达一稳定值，不再随时间而变。达稳定值的时间不 小于1分钟。有以下几种电流需考虑： ➢介质极化的快速响应部分引起的充电电流。试样电容C0，外电阻R0，衰减时 间τ0=R0C0，若R0很小，这一电流几乎是瞬时响应，迅速衰减。 ➢介质极化的缓慢响应部分引起的光电电流。这一电流通常按e-t/z下降。τ通常 比τ0大得多，因此不需要考虑外电阻引起的衰变过程。对结构不复杂的均匀电 介质τ<1s，对多晶材料和复合材料τ达几分钟以至几小时。这种缓慢的极化形 式很多情况下是空间电荷的建立所贡献的极化。
设电介质垂直于电流方向截面积A,电极间距d，则其体积电导Gv和 体积电阻Rv为：
Gv
v
A d
Rv
v
d A
其中γv、ρv分别为体积电导率和体积电阻率，且：
1 Gv Rv
v
1 v
测量体积电导 Gv和表面电导 Gs时，需将体积漏导电流和表面漏导电流分离开 来。加上恒电压时，固体电介质的电流是时间的函数，先很快上升，然后或
2 离子电导
离子电导的直接实验证据是利用法拉第电解实验给出的。当电流为离子 的移动所引起时，随着电流的通过，伴随有物质移动。
例：某一介质为正离子导电时，在介质通过直流电流一段时间后，在负 电极处析着一定量的物质，其重量∆m与总电量Q，原子量M离子电荷Q 有关，电子电导不出现这种情况，只有离子电导才会出现这种现象，实 际上这是一种电解现象，即不单是电荷的移动，还是物质粒子的移动。