电介质电导和损耗
电介质的极化电导与损耗
纯净液体介质中电流I与外施电压U的关系：
1、区域a 电压和电流关系较符合欧姆定律，即这时液体介质具 有一定的较高的体积电阻率。通常所说的液体介质电阻率 都是按这个范围来定义的。
2、区域b 电流有饱和趋向但不十分明显。这 是因为液体的密度远大于气体，离子 相遇的机会多，复合的概率较大，不 可能所有的离子都运动到电极，而电 压增高时复合概率减小，因而电流就 有所增加。
2电极逸出电子由于高电场的作用或由于肖特基效应指在电场作用下热电子发射增加从电极逸出电34可编辑ppt3碰撞电离与气体中产生电子碰撞电离的情况相似在液体中的电子亦因高电场作用被加速到能在碰撞液体分子时使液体分子电离
电介质的极化
一、电介质的极性及分类
偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为 d 的 两电荷（+q，-q）所组成的系统称为偶极子。
（1）弗仑开尔缺陷：格结点上的离子离开晶格结点位置， 则在该晶格结点上形成空穴。这种离子和空穴组成的缺陷 称为弗仑开尔缺陷。
（2）肖特基缺陷：正、负离子逸出介质表面，而在晶 格结点上出现两个空穴，这样组成的缺陷称为肖特基缺陷。
离子电流：晶格结点上的离子以结点为中心振 动，在电场的作用下，与晶格缺陷相邻接的位置 上的离子有可能落入晶格缺陷，这样，晶格缺陷 就能顺序地在晶格中移动，形成离子电流。
1、区域a 电压与电流的关系服从欧姆定律； 2、区域b 电流与电压几乎成指数关系； 3、区域c 电流将随电压更急剧增加直至击穿。
区域a为低电场电导区，区域b、c为 高电场电导区。与气体、液体介质相比， 它明显地无饱和区。
固体介质中的带电粒子：
（1）电子，从电极中逸出 （2）离子，离子电导； （3）传导电子和空穴，电子电导。
低电场电导区以离子电导为主，而高电场电导区以电子 电导为主。低电场电导区如果离子 的浓度和迁移率一定 时，则电流与电压成比例。
《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗
电介质放入极板间,就要受到电场的作用,介质原
子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生 位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而 不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面 呈现出与极板上电荷相反的电的极性来，即靠近正极 板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正 的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚 电荷。正由于靠近极板两表面出现束缚电荷，根据异 极性电荷相吸的规律，要从电源再吸收等量的异极性 电荷Q′到极板上，这就导致Q=Q0+ Q′＞Q0。
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r 大的电介质，因 为这样可使电容的体积减小和重量减轻。但其他电气设备中往
往希望选用 r 较小的电介质，这是因为较大的 r往往和较大的 电导率相联系，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。
在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用， 这时应注意各种材料的r 值之间的配合，因为在工频交流电压 和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与各层电 介质的r 成反比。
四、空间电荷极化
上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理与上述不同，它是带电质点（电子或正、 负离子）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
当开关S和上，两电介质 都发生极化。由于电介 质不同，极化程度也不 同，故交界面处积聚的 异号电荷不相等。如： 介质Ⅰ下部边缘处积聚 的正电荷比介质Ⅱ上部 边缘处积聚的负电荷多 的话，则在两介质交界 面处显示出正的电极性 来。这种使夹层电介质 分界面上出现电荷积聚 的过程称为夹层极化。
最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极 化和空间电荷极化等。
2 电介质的极化、电导和损耗
极化前
极化后
5
四、空间电荷极化（夹层介质界面极化）
夹层介质界面极化概念 ： 当t=0:
U1 C2 U 2 C1
G1 G2 C1 C 2
U
当t=∞: U 1 G2 U 2 G1
A
G1
P G2
B
C1
U C2
6
一般有
C 2 G2 C1 G1
电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积 累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。 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
又如电机定子线圈出槽口和套管等情况，如果固体绝 缘材料的r减小，则交流下沿面放电电压可以提高。
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2. 多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与 其 r成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分布较均匀 ，从而达到绝缘的合理应用
3. 材料的介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是影 响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。
பைடு நூலகம்
液体的分子结构、极性强弱，、纯净程度、介质温度等对 电导影响很大，各种液体电介质的电导可能相差悬殊，工 程上常用的变压器油、漆和树脂等都属于弱极性。
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液体电介质中电压－电流特性
区域1：液体电介质的 电导在电场比较小的 情 况 下，遵循欧姆定 律 区域2：随着场强的增 大 ， 与气体相似，有 一平坦区域 区域3：场强继续增大 超过某一极限 ，电极 发射电子引起电流激 增，最终击穿
极性介质（如云母、玻璃等）及离子性介质，水分子与固体介质分子 的附着力很强，在介质表面形成连续水膜，表面电导较大，且与湿度有 关。称这类介质为亲水性介质。
高电压技术(第1章)
极化、电导和损耗：在外加电压相对较低（不超 过最大运行电压）时，电介质内部所发生的物理 过程。
这些过程发展比较缓慢、稳定，所以一直被 用来检测绝缘的状态。此外，这些过程对电介质 的绝缘性能也会产生重要的影响。
击穿：在外加电压相对较高（超过最大运行电压） 时，电介质可能会丧失其绝缘性能转变为导体， 即发生击穿现象。
离子式结构的固体电介质的体积电导则主要 由离子在热运动影响下脱离晶格移动所形成。
影响固体电介质体积电导的主要因素 电场强度
场强较低时，加在固体介质上的电压与流过 的电流服从欧姆定律。场强较高时，电流将随电 压的增高而迅速增大。
因固体介质发生碰撞游离的场强高，在发生 游离前阴极就能发射电子，形成电子电导，故流 过固体介质的电流不存在饱和区。 温度
荷。
二、电介质极化的概念和极化的种类
极化：无论何种结构的电介质，在没有外电场 作用时，其内部各个分子偶极矩的矢量和平均 来说为零，电介质整体上对外没有极性。
当外电场作用于电介质时，会在电介质沿 电场方向的两端形成等量异号电荷，就像偶极 子一样，对外呈现极性，这种现象称为电介质 的极化。
电介质极化的四种基本形式：
温度升高时，体积电导按指数规律增大。 杂质
杂质含量增大时，体积电导也会明显增大。
固体电介质的表面电导主要是由附着于介质表 面的水分和其他污物引起的。
固体电介质的表面电导与介质的特性有关：
亲水性介质，容易吸收水分，水分可以在其表 面形成连续水膜，如玻璃、陶瓷就属此类。
憎水性介质，不容易吸收水分，水分只能在其 表面形成不连续的水珠，不能形成连续水膜，如石 蜡、硅有机物就属此类。
电负性相等或相差不大的两个或多个原子相 互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子， 这种化学键就称为共价键。
5 电介质的极化、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：
2、介质损耗
交流时流过电介质的电流：
I＝I R＋I C
介质损耗(有功损耗)：
P UI cos＝UIR UIC tan＝CU 2 tan
由上式可见，介质功率损耗P与试验电压、被试品尺寸等因 素有关，不同试品间难以互相比较；而对于结构一定的被试 品，在外施电压一定时，介质损耗只取决于tan δ。 tan δ被称为介质损耗角正切，它只与介质本身特性有关， 与材料尺寸无关，因而不同试品的tan δ可相互比较。
①偶极子极化；②夹层极化
偶极子极化（转向极化） 非弹性极化； 特点： 极化时间较长； 频率对极化有影响； 有能耗；
（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↓
夹层极化 合闸瞬间：
U1 U2
t 0
C2 C1
稳定后： U1
对同类试品绝缘的优劣可用tan δ来代替P对绝缘进行判断。
tanδ的物理含义：表征单位体积均匀介质内能量损失的大小
介质损耗的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路
Ir U /R 1 tg p I c U C p C p R
U2 Pp U 2 C p tg R
2、影响电介质电导的因素
场强、杂质和温度。
（1）电压（电场强度）：
（2）杂质：
第一章 电介质的极化、电导和损耗
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
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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2016-3-21
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.
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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
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。
关于介质损耗的一些基本概念
第一篇关于介质损耗的一些基本概念1、介质损耗与介质损耗因数：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。
也叫介质损失，简称介损。
介质损耗指的是电介质在电场作用下引起的能量损耗，主要分为三种形式：漏导引起的损耗、电介质极化引起的损耗、局部放电引起的损耗。
直流电压作用下电介质里的损耗主要是漏导损耗，用绝缘电阻或漏导电流表示就可以了，因此平常讨论的介质损耗均为针对交流电压作用下电介质中的损耗。
2、介质损耗角δ：在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角为φ)的余角(δ)。
简称介损角。
3、介质损耗正切值tgδ：又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值。
简称介损角正切。
根据推导当电介质、外加电压及其频率一定时，介质损耗P与介质损耗因数tgδ成正比，所以可以用tgδ来表征介质损耗的大小，工程上都是通过测量计算tgδ值来表示介损的大小。
4、高压介质损耗测量仪：简称介损仪，是指采用电桥原理，应用数字测量技术，对介质损耗角正切值和电容量进行自动测量的一种新型仪器。
一般包含高压电桥、高压试验电源和高压标准电容器三部分。
5、外施：使用外部高压试验电源和标准电容器进行试验，对介损仪的示值按一定的比例关系进行计算得到测量结果的方法。
6、内施：使用介损仪内附高压电源和标准器进行试验，直接得到测量结果的方法。
7、正接线：用于测量不接地试品的方法，测量时介损仪测量回路处于地电位。
8、反接线：用于测量接地试品的方法，测量时介损仪测量回路处于高电位，他与外壳之间承受全部试验电压。
9、常用介损仪的分类：现常用介损测试仪有西林型和M型两种。
QS1和KD9000属于西林型。
10、常用抗干扰方法：目前介质损耗测量中常见抗干扰方法有以下几种：倒相法、移相法、变频法和移相跟踪抗干扰法等。
11、准确度的表示方法tgδ：±（1%D+0.0004）CX：±（1%C+1pF）加号前表示为相对误差，加号后表示为绝对误差。
2. 第一章 电介质极化、电导、损耗
8
§1.2 电介质的电导
二、影响电介质电导的因素
9
1.电场的影响
2.温度的影响
电场↑
温度↑
杂质↑
电导↑
3.杂质的影响
§1.2 电介质的电导
三、电介质在直流电压作用下的吸收现象
10
一固体电介质加上直流电压 U,可以观察到流过
电介质电流i 从大到小随时间衰减,最终稳定于
某一数值,此现象就称为吸收现象。
也表征了介质损耗的特性。
2.在交流电压下
tgδ表征介质损耗的大小。
17
§1.3 电介质的损耗
三、影晌tgδ的因素 1.频率
18
2.温度
3.电压
ห้องสมุดไป่ตู้
§1.3 电介质的损耗
四、介质损耗在工程应用上的意义 1.选材；
19
2. tgδ值的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本 项目； 3.合理使用设备。
1
第一章 电介质的极化、电导和损耗
2
电介质在电压 (电场 )作用下，会发生极化、电导、 损耗和击穿等现象， 这是电介质的基本电气特性。 认识影响这些电气性能的各种因素以及各现象在 工程中的意义。能帮助我们合理地选择和使用绝缘 材料，同时为后面的绝缘试验提供了理论基础。
§1.1 电介质的极化
一、电介质的极化（基本概念） 电介质在电场作用下，由于束缚电荷的位 移或偶极分子的转向，在介质两端面上出 现等量异号电荷，对外显示电性的现象，
2.采用组合绝缘时选择介电系数合理搭配的绝 缘材料； 3.通过测ε值来判断绝缘材料的受潮情况及含 气泡的多少
§1.2 电介质的电导
一、电介质电导的基本概念 电介质在电场作用下，有一定电流流过的现象， 称为电介质的电导。 这是因为在电介质内部还是存在数量很少的带 电粒子。 表征不同电介质电导过程强弱程度的物理量是 电导率γ(或电阻率ρ)。 电介质的电阻率一般达109～1022Ω•cm，而导体 的电阻率在10-2Ω•cm 以下,可见两者差别之大。
第一章电介质极化、电导和损耗
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。
第一章电介质极化、电导和损耗
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。
第一章电介质极化、电导和损耗
•• •
交流：流过电介质的电流 I IRIC
第一章电介质极化、电生方向相反的偏移，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。
第一章电介质极化、电导和损耗
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。
第一章电介质极化、电导和损耗
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1010～1014cm 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1017～1019cm
第一章电介质极化、电导和损耗
固体、液体介质的电导率 与温度T 的关系：
B
Ae T
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。
第一章电介质极化、电导和损耗
第三节、电介质的损耗
第二章_液体、固体电介质的电气性能
对串、并联电路，有：P1=P2
CP
CS
1tg2
一般tgδ＜＜1，即tg2δ 0,
所以CP≈CS=C,则 P=P1=P2=U2ωCtgδ
4.电介质的损耗及其影响因素 影响电介质损耗的因素主要有温度、频率和电
压。不同的电介质所具有的损耗形式不同，从而温 度、频率和电压对电介质损耗的影响也不同。 5.介质损耗在工程实际中的应用
固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分
和污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。介
质吸附水分的能力与自身结构有关。 有亲水性介质
和憎水性介质。
所以，介质的绝缘电阻实际上是体积电阻和表
面电阻两者的并联值
R RV RS RV RS
RS---表面泄漏电阻
RV---体积泄漏电阻
5.影响电介质电导的主要因素
IEC规定的电工绝缘材料的耐热等级（最高持续温度）：
Y（O） A
E
B
F
H
C
90 105 120 130 155 180 220℃
如果材料使用温度超过上述规定，绝缘材料 就将迅速老化，寿命大大缩短。实验表明，对A级 绝缘，温度每增加8℃，则寿命缩短一半左右，这 通常称为热老化的8℃原则。对B级和H级绝缘材料 而言，当温度每升高10℃和12℃时，寿命也将缩 短一半。
1.介电常数
组合绝缘的相对介电 常数ε为
S
(1 x) x S
x
s --固体电介质的相对介电常数
x --浸渍介质的相对介电常数
2.介质损耗
组合绝缘的组合绝缘的总介质损失角正切为
tg1(t1g xS xS )x 1(t1g xxxS )x
tg S --固体电介质的介质损失角正切
西安交通大学14春学期《高电压技术》离线作业
西安交通大学14春学期《高电压技术》离线作业《高压电技术》第一章电介质的极化、电导和损耗本章要点：1.电介质的极化；2.电介质的电导；3.电介质的损耗。
本章目标：1.掌握电介质极化的概念、分类及特点；2.掌握相对介电常数的概念，了解电介质极化在工程上的意义；3.掌握电介质电导的概念及其特点；4.掌握电介质损耗的概念、特点及其工程意义。
本章重点：1.电介质极化的概念；2.电介质电导的概念及其工程意义；3.电介质损耗的概念及其工程意义。
本章难点1.电介质的极化、电导和损耗的概念一、单项选择题：1.极化时间最长的是( D )。
A.电子式极化 B.离子式极化C.偶极子极化D.空间电荷极化2.下列因素中，对固体电介质的tgδ影响不明显的是( D )。
A.湿度B.电源频率C.表面污秽D.大气压强3.下列电介质中属于离子结构的是（ B ）。
A.纤维B.云母C.空气D.变压器油二、填空题：1.夹层极化相当于增大了整个电介质的等值电容。
2.电介质极化的基本形式有电子式极化、离子式极化、偶极子式极化、空间电荷极化（夹层式极化）。
3.εr是表征电介质在电场作用下极化程度的物理量。
- 1 -《高压电技术》4.在电介质的四种极化形式中，无损极化形式有电子式极化、离子式极化。
5.在电介质的四种极化形式中，有损极化形式有偶极子式极化、空间电荷极化（夹层式极化）。
6.选用电容器的绝缘介质时，希望εr 大些，这样可使电容器单位容量的体积和质量减小。
7.电介质的电导是离子性电导，金属的电导是电子性电导。
8.电导率是表征电介质电导强弱程度的物理量。
9.影响液体介质电导的主要因素有电场强度、温度、杂质。
10.固体电介质的电导分为体积电导和表面电导。
11.给电介质加上较低的电压时，介质中的能量损耗有电导损耗和极化损耗。
12.在直流电压作用下，电介质中只有电导损耗。
13.在交流电压作用下，介质中的有功功率P = U2?Ctg? 。
高电压之名词解释
名词解释：1)介质损耗：在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化损耗，总称为介质损耗。
2)介质损耗极数：tgs=Jt/Jc为介质中总的有功电流密度与总的无功电流密度之比。
3)激励：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象。
所需能量成为激励能We。
4)电离：使原来的一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子。
5)电子崩：随着气熄场强增大，气体中产生撞击电离，电离出的离子和电子在电场驱引下又参加到撞击电离中去电离就像雪崩似的增大6)平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。
其与密度呈反比。
7)电晕：在极不均匀的电场中，当外加电压及平均场强还较低时，电极曲率半径较小处，附近空间的局部场强已很大。
在这局部强场处，产生强烈的电离，伴随着电离而存在复合和反激励，辐射出大量光子，使在黑暗中可以看到在该电极附近空间有蓝色的晕光，称为电晕。
8)气隙沿面放电：沿气体与固体（或液体）介质的分界面发展的放电现象。
9)闪络：沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击穿的现象。
10)静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使气隙击穿的最低电压。
静态击穿时间：生涯时间，统计延时，放电发展时间。
11)伏秒特性：气隙的击穿电压要用电压峰值和延续时间二者共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性。
12)50%击穿电压：指气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值，反映了该气隙地基本耐电强度。
13)2us冲击击穿电压：气隙击穿时，击穿前时间小于和大于2us 的概率各为50%的冲击电压。
这也就是50%曲线与2us 时间标尺相交点的电压值。
14)标准参考大气条件：温度：压强：湿度：15)固体电介质击穿的机理：电击穿、热击穿。
16)电击穿：由电场的作用使介质中的某些带电质点积累的数量和运动的速度达到一定程度，使介质失去了绝缘性能，形成导电通道。
（类似于气体击穿）17)热击穿：由电场作用下，介质内的损耗发出的热量多于散逸的热量，使介质温度不断上升，最终造成介质本身的破坏，形成导电通道。
电介质四大基本参数
电介质四大基本参数
电介质四大基本参数是指电介质的电阻率、电导率、介电常数和介电损耗因数。
1. 电阻率：电阻率是指电介质中电流通过时所需要的电势差，单位是欧姆/米，符号为ρ，其计算公式为：ρ=U/I，其中U为
电介质中电流通过时所需要的电势差，单位是伏特，I为电流，单位是安培。
2. 电导率：电导率是指电介质中电流通过时所需要的电势差，单位是西门子/米，符号为σ，其计算公式为：σ=I/U，其中U
为电介质中电流通过时所需要的电势差，单位是伏特，I为电流，单位是安培。
3. 介电常数：介电常数是指电介质中电场强度和电介质中电位的比值，单位是介电常数，符号为ε，其计算公式为：ε=E/U，其中E为电场强度，单位是伏/米，U为电介质中电位，单位
是伏特。
4. 介电损耗因数：介电损耗因数是指电介质中电流通过时所需要的电势差，单位是无量纲，符号为tanδ，其计算公式为：
tanδ=Im/Re，其中Im为电介质中电流的虚部，Re为电介质中
电流的实部。
电介质四大基本参数是电介质特性的重要指标，它们的测量和分析对于研究电介质的特性和性能具有重要意义。
高电压课件 第一章 电介质的极化电导和损耗
第一篇高电压绝缘及试验第一章电介质的极化、电导和损耗1-1电介质的极化根据电介质的物质结构，电介质极化具有以下四种基本类型：电子位移极化；离子位移极化；转向极化；空间电荷极化。
现分别加以说明。
一、电子位移极化E=0电子云负电荷中心原子核感应偶极矩E原子核（a） (b)图1-1-1 电子位移极化（a）极化前；（b）极化后一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子和带负电荷的电子云构成的。
当不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，如图1-1-1（a）所示，此时，感应电矩为零。
当外加一个电场，电场力将使荷正电的原子向电场方向位移，荷负电的电子云中心向电场反方向位移，但原子核对电子云的引力又使两者倾向于重合，当这两种作用力达到平衡时，感应电矩也达到稳定，这个过程叫做电子位移极化。
二、离子位移极化在由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使离子内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。
如图1-1-2示出了氯化钠晶体的离子位移极化。
E图1-1-2 氯化钠晶体的离子位移极化三、转向极化在极性介质中，宏观上对外并不呈现合成电矩，当有外电场时，每个分子的固有偶极矩就有转向电场方向的趋势，顺电场方向做定向排列，但是由于受分子热运动的干透，这种转向定向的排列，只能达到某种程度，而不能完全，随场强和温度的不同，这种转向排列在不同的程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。
四、空间电荷极化在大多数绝缘结构中，电介质往往呈现层式结构（宏观或微观的），电介质中也可能存在晶格缺陷。
在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这种极化称为空间电荷极化。
表1 各种极化形式对比1-2 电介质的介电常数一、 介电常数的物理意义从物理学课程中得知，在真空中，有关系式0D E =ε（1-2-1）式中：E 为场强矢量（V/m ）；D 为电位移矢量（C/m 2）。
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— 热击穿 3、用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的 tg 必须很小，否则冲击
波在电缆中传播时波形将发生严重畸变，影响测量精确度 4、但介质损耗引起的介质发热有时也可以利用
The End Thank You
一、气体电介质的电导：
气体中无吸收电流； 气体离子的浓度约为500~1000对/cm2；
气体电介质中的电流密度—场强特性
分成三个区域
j
区域1：E≈5×10-3 V/cm，电
流密度j随着E增加而增加；
区域2：当E进一步增大，j趋 向饱和；
以上两者的电阻率约1022 Ω•cm量级。
区域3：当场强超过E2≈103
ln E
电子性电导例三：Tunnel Effect 在电子获得的能量远大于位垒高度，而且薄膜厚度 小于数百Å时，电子象跨过隧道似的贯穿两金属电极 间的介质而引起两金属电极间的电流，产生隧道效 应，此时之间的关系是斜率为负的直线关系。和其 他电导过程不同，隧道效应电流与温度无关
ln j E2 : 1E
3、设计绝缘结构时要考虑到环境条件，特别是湿度的影响。注意环境湿 度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理。
4、某些能量较小的高压电源，应注意减小绝缘材料的表面泄漏电流。
5、并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘 电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导体釉，高压电机定子绕组 出稽口部分涂半导体漆等，都是为 了改善电压分布，以消除电晕。
见图
电介质损耗
损耗角正切：
tg 因j为r ：
jc
C A
d
EU d
Cd A
V Ad
Jc E
jg
—
所以： E 2单t位g体V 积 介Ud 2质2 中CA的d 损tg耗A功d 率：
真空和无损极化引起的电流密度 P EJr EJctg
E 2tg
比例
电介质损耗的特点及影响因素
1、反映单位体积中的损耗，与绝缘体的体积大小无关 例1：当试品绝缘有两种不同绝缘并联组成
U 2Cxtg U 2C1tg1 U 2C2tg 2
则：
tg
C1 Cx
tg 1
C2 Cx
tg 2
当C2/Cx越小，C2中缺陷（ tg 2 增大）在测整体的 tg 时越难发现 解决办法是分解测量 （如分别对变压器线圈和套管的 tg 进行测量）
t1＜t＜t2: 由于分子热运动加快，妨碍极性分 子的转向极化，极化损耗的减小比 电导损耗的增加更快
t＞t2时： 电导损耗占主要部分
损耗主要由电导决定
P
f rtg 1.8 1012
E2
tg ∝ p/f r
1、损耗功率P：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的 变化，损耗功率趋于恒定
偶极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达 1015Ω•cm~1016Ω•cm
区域c：场强继续增大超过 某一极限，因Shottky效应 电极发射电子引起电流激增， 最终击穿
分三个区域
区域a：符合欧姆定律，也称低 场强领域
区ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱb：电流随场强非线性增加 区域c：出现破坏先导电流 区域b、c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
结构紧密，洁净的离子性电介质，电阻率为1017Ω•cm~1019Ω•cm 结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅达1013Ω•cm~1014Ω•cm 非极性或弱极性介质主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达1017Ω•cm~1019Ω•cm
漏导电流密度: 可由迁移中的载流子密度n及其迁移速 度Vd获得
j envd enE
vd E
式中E为施加电场强度，e为载流子的电荷量，μ为载流 子的迁移率
j envd enE
vd E
漏导电导率和电阻率分别为
电导率σ： 电阻率ρ：
j en
E
1
电介质中电导特性划分
2、与介质分子的离解度有关: 介电常数越大，电导越大 见表
3、与温度有关
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
AeB/T A、B — 常数；T — 绝对温度 — 电导率
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
因此，测定 tg 所用的电压，最好接近于被试品 的正常工电压，所加电压过低不易发现绝缘中的缺陷； 而过高则容易对绝缘造成不必要的损伤．
讨论电介质损耗的意义
1、在绝缘预防性试验中， tg 是一基本测试项目，当绝缘受潮 或劣化时 tg 急创上升。绝缘内部是否普遍发生局部放电，也 可以通过测 tg ~ U的关系曲线加以判断
非极性液体电介质的电阻率1018Ω•cm 弱极性1015Ω•cm 偶极性1010Ω•cm~1012Ω•cm，由于损耗太大，实际上不使用。 强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能用作绝缘材料
分成三个区域
区域a：液体电介质的电导 在电场比较小的情况下，遵 循欧姆定律
区域b：随着场强的增大， 与气体相似，有一平坦区域
以载流子的性质划分，电导（这里指漏导，以下无特 别说明均指漏导）可以分为电子性电导和离子性电导。
无论是何种电导类型，在低场强下电压-电流的关系 遵循欧姆定律。在高场强下
离子性电导:
ln j E
电子性电导：根据电子在导带、价带、电极和 不纯物的状态之间的跳跃方式的不同可分为各 种不同的电导过程。
电介质中的电导是由于电介质的基本物质 及其中所含杂质分子的化学分解或热离解形 成带电质点(电子、正离子、负离子)，沿电 场方向移动而造成的。它是离子式的电导， 也就是电解式的电导。
ig
0
i'a t
i'c
固体介质中的电流与时间的关系
ic — 充电电流 ia — 吸收电流（数分钟以上）
ig — 泄漏电流
例2：当集中性缺陷所占的体积相对于被试绝缘的体积越小，则集中 性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗中的比重越小
如： 电机、电缆设备，被试绝缘体积较大，虽然集中性缺陷的发展
是运行中故障的主要原因，但测 tg 很难发现，一般不测 tg
2、与温度和频率有复杂的关系
3、与试验电压的关系
当所加试验电压足以使绝缘中的气泡游离或足以 使绝缘产生电晕或局部放电等情况时，tg 的值将随试 验电压的升高而迅速增大。
· 多孔性纤维材料不仅表面电阻小，体积电阻也小
见表
讨论介质电导的意义
1、在绝缘预防性试验中，要测绝缘电阻和泄漏电流以判断绝缘是否受 潮或有其它劣化现象。在试验中需注意将表面电导与体积电导区别 开来。
2、串联的多层介质在直流电压下的稳态电压分布与各层的电导成反比， 要合理选材 直流电缆在运行时，由于芯线附近的温度较铅层附近处高，所以芯 线附近绝缘电阻下降会使该处场强下降，而其它部分的场强将相应 增加，这种情况在设计时要充分予以注意。
其主要形式为能带模型、跳跃模型、空间电荷 制约电流模型、电子雪崩电流、光传导电流、 场致发射电流等
电子性电导例一： Shottky Effect 当施加电场时，阻碍电子飞出金属的位垒高度因电场的作 用而使实际的位垒高度下降，导致由电极发射到介质导带 的电子的增加，其结果是
ln j E
电子性电导例二：Poole-Frenkel Effect 肖特基效应是电场的作用下实际位垒高度下降引起的电 流的增加，而Poole-Frenkel效应是电介质内部因电场 的作用引起实际位垒高度下降，进而使得介质内部发射 到导带上的电子增加，也即电流的增加，结果表现为
1、当场强不足以产生碰撞电离时气体中的损耗是由电导引起的， 损耗极小（ tg＜10-8） 2、当外施电压U超过局放起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加， 这在高压输
电线上是常见的，称为电晕损耗。
2、液体电介质中的损耗
非极性或弱极性电介质损耗 很小，损耗主要由电导决定
t＜t1时： 电导和极化损耗都很小，随着温度 的升高，极化损耗显著增加
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
测量介质中电流的电路图
V/cm时，气体电介质将发生碰
js
撞电离，从而使气体电介质电
导急剧增大
0
C
A
B
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
E1
E2
Ecr 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、介电常数 ：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率
的变化，介电常数也达到较低的稳定值
3、损耗 tg ：当频率升高到一定值时，转向极化跟不上频率的 变化，tg 与频率成反比地减小
3、固体电介质中的损耗
1、极性固体电介质包括： 纤维材料——纸、纤维板等结构不紧的材料 含有极性基的有机材料——聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等
2、极性固体电介质的 tg 与温度、频率的关系和极性液体相似，其 tg 值较
大，高频下更为严重，