第一章 电介质的极化、电导和损耗

50Hz tg时 ＝2％～5％； 玻璃：电导损耗＋极Leabharlann Baidu损耗，损耗与玻璃成分有关。
(2)有机绝缘材料
可分为非极性和极性
非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电
导；
极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。
小 结
电介质的极化
o电子式极化 o离子式极化 o偶极子极化 o夹层极化
电介质的电导为表征电介质导电性能的主要物理量 电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗
以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损
耗这个概念了。
交流：流过电介质的电流
I IR IC



此时介质的功率损耗：
P UI cos UI R UIC tg U 2CP tg （3-7）
—电源角频率； 式中： －功率因数角； －介质损耗角。
(二)气体、液体和固体介质的损耗
(三)偶极子极化
极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中
心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。
极性分子不存在外电场时，极 性分子的偶极子因热运动而杂乱 无序的排列着，如图所示，宏观 电矩等于零，因而整个介质对外
并不表现出极性。
出现外电场后，原先排列杂乱
的偶极子将沿电场方向转动，
1.气体介质损耗
气体中的电场强度达到放 电起始场强E0时，气体中发生 局部放电，这时损耗将急剧增 大。
2.液体介质损耗
（1）中性和弱极性液体介质 损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功 率损耗）为：
P0 E 2 （W/cm2）
-电介质的电导率，S/cm；E -电场强度V/cm。 式中：
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
用于表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：
Q0 0 A C0 U d
(一)电子式极化
在外电场
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
E 的作用下，介质
其值为 m ql （矢量 l 的方向为
作较有规则的排列，如图所示，
因而显示出极性。这种极化称 为偶极子极化或转向极化。
偶极子极化与频率f 的关系：
偶极子极化是非弹性的，极 化过程需要消耗一定的能量，
极化所需的时间也较长， 为
10－10～10－2 s，所以极性电 介质的 r 值与电源频率有较大 关系。
频率太高时，偶极子将来 不及转动，因而其 r 值 变小，如图所示。其中 r 0 相当于直流电场下的相对 介电常数，f >f1 以后偶极 子将越来越跟不上电场的 r 值不断下降；当f 交变， ＝f2 时，偶极子已完全不跟 着电场转动了，这时只存 在电子式极化， r 减小 到 r 。
子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而 减弱，由于极化损耗的减小超过了电导损耗的增加，所以 总的 tg 曲线随t的升高而下降，并在t=t2时达到极小值。
在t>t2以后，由于电导
损耗随温度急剧上升、极 化损耗不断减小而退居次 要地位，因而 tg 就随时间 t的上升而持续增大。
极性液体介质的 与电源角频率 tg 如图所示。
偶极子极化与温度t 的关系：
温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向， 使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。 对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极
子转动比较困难，所以
下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子 热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱， r又开始随着温
降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、tg 增大。一旦 也变得很小。
大到偶极子完全来不及转向时， tg 值变得最小而趋于某一定值，
3.固体介质损耗
(1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃
云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，
是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；
电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20ºC和
的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他 们吸附电荷后变成了带电粒子。 4、表面电导：对于固体介质，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，应清除表面污秽、 烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。
固体、液体介质的电导率 与温度T 的关系：
B T
Ae
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, 随温度T 按指数规律上升。
第三节、电介质的损耗
(一)电介质的损耗的基本概念
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。 直流：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有 达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所
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。 离子式极化的特点：
1、离子相对位移有限，外电场
消失后即恢复原状；
2、所需时间很短，其 r 几乎与
外电场频率无关。
温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化 程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。 通常前一种影响较大，故其 r 一般具有正的温度系数。
和
的关系

极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶极子单位时
较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，
间的转向次数不多，因而极化损耗很小， tg 也小，且主要
由电导损耗引起。
反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的 tg 减至很小， 结果。随 增大，转向极化逐渐跟不上电场交变， 开始下 如
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。
第二节、电介质的电导
电导率是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。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体
和固体介质为：
液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 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
导电性能 介电性能 电气强度
第一节、电介质的极化
电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于
由－q指向＋q）。这种极化称为 电子式极化或电子位移极化。
m，
电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：
完成极化需要的时间极短；(极化与频率无关)
外场消失，整体恢复中性。
所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。
(二) 离子式极化
固体无机化合物大多属 离子式结构，无外电场时， 晶体的正、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。
与温度有指数关系，P0也以指
数规律随温度的上升而增大。极 性液体介质的损耗 tg 与温度的 关系如图所示。
在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升
高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也
在增大，所以总的 tg 亦上升，并在t＝t1时达到极大值；
在t1<t<t2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极
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：极性电介质有较大的本征离子电导，电阻
率1010～1014 cm
杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离
子电导，电阻率1017～1019 cm
3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态
r 很小。液体、固体介质的 r在低温
度的上升而减小。
如图3-6为极性液体、固体介质的 与温度的关系。
r
(四)夹层极化
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。