液体和固体介质的电气特性

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自由电荷的 移动
二、电介质的电导
电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导
率γ，在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的
绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关
系：
Ae kT
式中 A－常数，与介质性质有关； T－热力学温度，单位为K；
ф－电导活化能；
k－波尔兹曼常数。
1. 体积电阻
体积电阻率为：
v
Rv
S d
体积电导率为：
v
1
v
1 Rv
d S
Gv
d S
其中， d（cm）为电介质厚度，
体积电阻的测量电路S（cm2）为电极表面积。
2. 表面电阻
表面电阻率为：
s
Rs
l d
表面电导率为：
s
1
s
1 Rs
d l
Gs
d l
其中， d（cm）为电介质厚度，
表面电阻的测量电路 l（cm）为电极长度。
0
0
材料类别 气体介质
弱极性
液体介质
极性 强极性
固体介质
中性或 弱极性
极性 离子性
名称
空气（大气压）
变压器油 硅有机液体
蓖麻油
丙酮 酒精
水
石蜡 聚乙烯
聚氯乙烯
云母 电瓷
εr（工频，20℃） 1.00059
2.2~2.5 2.2~2.8
4.5
22 33 81
2.0～2.5 2.25～2.35
3.2～4 5～7 5.5～6.5
放电，损耗急剧增加，如图所示。
（2）液体介质的损耗
中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。
极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损
耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。
T升高，液体粘度减
小，偶极子极化增强， 极化损耗增加
电导损耗占主要部
分，tanδ重新随温
度上升而增加
分子热运动加快，极 化强度减弱，极化损
极化种类
电介质极化种类及比较 产生场合 所需时间 能量损耗
产生原因
电子式极化 任何电介质
10-15s
离子式极化 偶极子极化
离子式结构 电介质
极性电介质
10-13s
10-10s~ 102s
无 几乎没有
有
束缚电子运 行轨道偏移
离子的相对 偏移
偶极子的定 向排列
夹层极化 多层介质的 1015s ~数小
有
四个主要参数，即电导率 （或绝缘电阻率 ）、介
电常数 、介质损耗角正切 和ta击n穿电场强度（简称
击穿场强） 来表示E b。
一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导 和损耗等电气物理现象。
第一节 液体和固体介质的极化、电导与损耗
一、电介质的极化
1. 介电常数、相对介电常数 平行平板电容器在真空中的电容量为
(C1
C2)
R1R2 R1 R2
当绝缘受潮或有缺陷时，电流的吸收现象不明显，总电 流随时间下降较缓慢，而试品的绝缘电阻与电流成反比。 因此，根据的变化，就可以初步判断绝缘的状况。
U
吸收比：Ka
R60 R15
I60 U
I15 I60
I15
显然，对于不均匀试品的绝缘，如果绝缘状况良好，则
吸收现象明显，值远大于1；如果绝缘严重受潮，由于Ig大 增，Ia迅速衰减，Ka值接近于1。
第二节 液体介质的击穿
一、纯净液体介质的击穿理论
纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 电子碰撞电离理论、气泡击穿理论
二、工程纯液体介质的击穿理论
工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均 指在 标准试油杯中所得数据） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引 起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”， 引起击穿，即“小桥理论”。
2. 极化 概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中
和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现 了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。
种类：
视频链接 视频链接
电子式极化 离子式极化
无损极化
视频链接
偶极子极化 夹层极化
有损极化
双层介质的夹层极化（吸收现象）
A
i
K
R1 U 1
第三章 液体和固体介质的电气特性
液体介质和固体介质广泛用作电气设备 的内绝缘。应用得最多的液体介质是变压 器；常见的固体介质有绝缘纸、纸板、、 塑料等，常用于内绝缘；而用于制造绝缘 子的固体介质有电瓷、玻璃、硅橡胶等。
电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用 下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以
C
Q0
0
A
U 0 d
图3-1 平板电容器中的电荷和电场分布 (a)真空 (b)充以介质
当极板间插入固体介质后，电容量为
CQ0Q‘A
0
U
d
式中 A－极板面积，cm2； d－极间距离，cm；ε－介质的介电常数 ε0－真空的介电常数，ε0=8.86×10-14F/cm
定义
CQ0Q‘ C r U
为介质的相对介电常数。
C1
R2 U 2
C2
U
o
双层介质的等值电路
阴影部分的面积为绝缘在充电过 程中逐渐“吸收”的电荷。
这种逐渐“吸收”电荷的现象叫做 “吸收现象”，对应的电流称为吸 收电流。它是由于介质中偶极子 逐渐转向，并沿电场方向排列而 产生的。
Ig
Ig
t
吸收曲线
t0： U 1U C 1C 2C 2 U 2U C 1C 1C 2 t ： U 1UR 1R 1R 2 U 2UR 1R 2R 2
对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可
用三个并联支路的等值回路来表示。
C0反映电子式和
离子式极化
R反映电导损耗
C′，r支路反映吸
收电流
（1）气体介质的损耗
当电场强度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（tanδ<10-8）。 但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局部
三、 电介质的能量损耗
电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的 损耗和由极化引起的损耗。
介质损耗为： PQ tanU 2C tan
P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于 互相比较，所以改用介质损失角的正切tanδ来判断介质的品质。
有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来 表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要 损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等 值电路。
耗减小
（3）固体介质的损耗
分子式结构介质： 中性：主要电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚苯 乙烯、聚四氟乙烯等；
极性：tanδ值较大，与温度、频率的关系和极性液体相
似，如纸、纤维板和聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂等， 离子式结构介质：主要电导损耗，损耗极小，如云母等； 不均匀结构介质：损耗取决于其中各成分的性能和数量间 的比例，如云母制品、油浸纸、胶纸绝缘等； 强极性电介质：在高压设备中极少使用。