《介质的损耗与击穿ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《介质的损耗与击穿ppt课件.ppt（36页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,电子位移极化 Electronic Polarization,在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化叫电子位移极化。,三、介质的极化,极化建立时间约为10-1410-16秒 。通常不以热的形式耗散能量，不导致介电损耗。,离子位移极化 Ionic Polarization,电介质中的正负离子在电场作用下发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动。由此形成的极化称为离子位移极化。,离子在电场作用下偏移平衡位置的移动相当于形成一个感生偶极矩。,离子位移极化所需时间大约为10-1210-13秒 。不以热的形式耗散能量，不导致介电损耗。,偶极转向极化 Or
2、ientational (Dipolar) Polarization,转向极化主要发生在极性分子介质中。具有恒定偶极矩的分子称为极性分子。,偶极转向极化 Orientational (Dipolar) Polarization,转向极化主要发生在极性分子介质中。具有恒定偶极矩的分子称为极性分子。,在无外加电场时，这些极性分子的取向在各个方向的几率是相等的，因此就介质整体来看，偶极矩等于零。当极性分子受到外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致。所以介质整体出现宏观偶极矩。这种极化现象称为偶极子转向极化。,空间电荷极化1.空间电荷极化：在电场作用下，不均匀介质内部的正、负离子分别向负
3、、正极移动，引起介质内各点离子的密度发生变化，即出现电偶极矩。这种极化即称为空间电荷极化。在电极附近积聚的电荷就是空间电荷。 空间电荷极化常发生在不均匀介质中。,4,损耗的形式 介质损耗的表示方法 介质损耗和频率、温度的关系 无机介质的损耗,介质损耗,介质损耗定义 电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。 或：电场作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。 它是导致电介质发生热击穿的根源。,6,介质损耗,损耗的形式,介质损耗,电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种
4、条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。 游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。,介质损耗的表示,当容量为C0=0S/d的平板电容器上加一交变电压U=U0eiwt。则：,1、电容器极板间为真空介质时，电容上的电流为：,2、电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为：,与外电压相差90o的相位,但与外电压仍相差90相位。没有损耗。,介质损耗的表示,3、电容器极板间为弱导电性或极性，电容上的电流为：,G是由自由电荷产生的纯电导，G=S/d， C=S/d,
5、位移电流密度,传导电流密度,如果电荷的运动是自由的，则G实际上与外电压额率无关；如果这些电荷是被符号相反的电荷所束缚，如振动偶极子的情况，G为频率的函数。,介质损耗的表示,实际为：,介质弛豫和德拜方程1）介质弛豫：在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状态的过程叫介质弛豫。 介质在交变电场中通常发生弛豫现象，极化的弛豫。在介质上加一电场，由于极化过程不是瞬时的，极化包括两项： P(t) = P0 + P1(t),11,介质的弛豫过程,P0代表瞬时建立的极化(位移极化)，P1代表松弛极化 P1(t)渐渐达到一稳定值。这一滞后通常是由偶极子极化和空间电荷极化所致。当时间足够长时， P1(t) P
6、1 ，而总极化P(t) P 。,2）德拜(Debye)方程 频率对在电介质中不同的驰豫现象有关键性的影响。 设低频或静态时的相对介电常数为(0)，称为静态相对介电常数；当频率时，相对介电常数r （ 代表光频相对介电常数）。则复介电常数为：,可分为实部和虚部，即：,这三式称为德拜方程，它描述了介电常数与频率的关系。,影响介质损耗的因素,1、频率的影响,r，tg，p与的关系,0时，此时不存在极化损耗,主要由电导损耗引起。tg=/，则当0时，tg。随着升高，tg。,随，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而r随而。在这一频率范围内，由于 1，故tg随而。,影
7、响介质损耗的因素,1、频率的影响,r，tg，p与的关系,当很高时，r，介电常数仅由位移极化决定，r趋于最小值。由于 1，此时tg随而。时，tg0。,tg达最大值时m的值由下式求出:,影响介质损耗的因素,不同电导的介质tg与的关系,tg的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tg的最大值变得平坦，最后在很大的电导下，tg无最大值，主要表现为电导损耗特征：tg与成反,1、频率的影响,2、温度的影响,r、tg、P与T的关系,当温度很低时,较大，由德拜关系式可知，r较小，tg也较小。此时，由于221,由德拜可得,随温度，所以r、tg,2、温度的影响,r、tg、P与T的关系,当温度较高时，较
8、小，此时221,随温度，所以 tg 。这时电导上升并不明显，主要决定于极化过程,2、温度的影响,r、tg、P与T的关系,当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，r。此时电导损耗剧烈，tg也随温度而急剧上升。,介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使tg增大。对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如，纸内水分含量从4增加到10时，其tg可增加100倍。,影响介质损耗的因素,3.湿度的影响,无机介质的损耗,电导损耗松弛极化损耗电离损耗结构损耗,（1）电离损耗a)定义：含有
9、气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成的损耗。 所以电离损耗主要发生在含有气相的材料中。这种损耗可能导致介质的热破坏和化学破坏。b)计算式：电离损耗功率可以用下式近似计算：PW=A(U-U0)2式中A为常数，为频率，U为外施电压。 U0为气体的电离电压。在U U0时才适用，此时，当U U0 ，tg剧烈增大。,21,电离损耗,a)定义：在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗称为结构损耗。b)特征结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但tg则和频率无关。结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的。但是当某些原
10、因（如杂质的掺入，试样经淬火急冷的热处理等）使它的内部结构变松散了，会使结构损耗大为提高。因此一般材料：在高温、低频下，主要为电导损耗； 在常温、高频下，主要为松弛极化损耗； 在高频、低温下，主要为结构损耗。,22,结构损耗,离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。（1）结构紧密的晶体：如-Al2O3、镁橄榄石晶体， 晶体的离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大。极化 结构紧密的离子晶体在外电场作用下很难发生离子松弛极化，只有电子式和离子式的弹性位移极化。损耗 无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起。在常温下热缺陷很少，因而损耗也很小。,23,离子晶体的损耗,介质损
11、耗功率与频率的关系结构紧密的晶体的介质损耗功率与频率无关。tg随频率的升高而降低。 因此以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合。如刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等，它们的tg随温度的变化呈现出电导损耗的特征。（2）结构不紧密的离子晶体： 较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的活动范围扩大。 在外电场作用下，晶体中的弱联系离子有可能贯穿电极运动,产生电导损耗。 弱联系离子也可能在一定范围内来回运动，形成热离子松弛，出现极化损耗。 损耗较大，由这类晶体作主晶相的陶瓷材料不适用于高频，只能应用于低频。,（3）固溶体 固溶体或多或少都有各种点阵畸变和结构缺陷，通常有较大的损耗，并
12、且有可能在某一比例时达到很大的数值，远远超过两种原始组分的损耗。 例如ZrO2和MgO的原始性能都很好，但将两者混合烧结，MgO溶进ZrO2中生成氧离子不足的缺位固溶体后，使损耗大大增加，当MgO含量约为25mol时，损耗有极大值。,25,玻璃的损耗,复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。,玻璃的tg与温度的关系1、结构损耗； 2、松弛损耗3、电导损耗； 4、总 损 耗,哪一种损耗占优势，决定于外界因素温度和外加电压的频率。 高频和高温下，电导损耗占优势； 在高频下，主要的是由联系弱的离子在有限范围内的移动造成的松弛损耗； 在高频和低温下，主要是结构损耗，其损耗机
13、理目前还不清楚，大概与结构的紧密程度有关。,玻璃的tg与温度的关系1、结构损耗； 2、松弛损耗3、电导损耗； 4、总 损 耗,电导损耗 网络外离子沿电场方向移动而产生，当高时，离子沿电场方向来不及移动，使tg，随T，电导， tg,松驰损耗 网络外离子只能在一定势叠间产生移动，即随着电场作微小运动。随着T tg有极大值,结构损耗 由于网络松驰变形而产生变形损耗，在较低温度下产生作用。,（2）玻璃的损耗一般纯玻璃的损耗都是很小的，这是因为简单玻璃中的“分子”接近规则的排列，结构紧密，没有联系弱的松弛离子。 在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗大大增加，并且损耗随碱性氧化物浓度的增大按指数增大。这
14、是因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大。在玻璃电导中出现的“双碱效应”（中和效应）和“压碱效应”（压抑效应）在玻璃的介质损耗方面也同样存在，即当碱离子的总浓度不变时，由两种碱性氧化物组成的玻璃，tg大大降低，而且有一最佳的比值。,29,Na2OK2OB2O3玻璃的tg与组成的关系,当两种碱同时存在时，tg总是降低，而最佳比值约为等分子比。这可能是两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，玻璃由不同结构的微晶所组成。,玻璃的损耗,主要是电导损耗、松弛质点的极化
15、损耗及结构损耗。表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗。以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷材料，损耗主要来源于玻璃相。 为了改善某些陶瓷的工艺性能，往往在配方中引入一些易熔物质（如粘土），形成玻璃相，这样就使损耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷随粘土含量的增大，其损耗也增大。因而一般高频瓷，如氧化铝瓷、金红石等很少含有玻璃相。大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。含有可变价离子的陶瓷材料，如含钛陶瓷，往往具有显著的电子松弛极化损耗。,31,陶瓷材料的损耗,降低材料的介质损耗的方法,（1）选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密
16、的晶体作为主晶相。（2）改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离子少，可避免损耗显著增大。(3)尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用“中和效应”和“压抑效应”，以降低玻璃相的损耗。(4）防止产生多晶转变，多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。(5）注意焙烧气氛。含钛陶瓷不宜在还原气氛中焙烧。烧成过程中升温速度要合适，防止产品急冷急热。(6)控制好最终烧结温度，使产品“正烧”，防止“生烧”和“过烧”以减少气孔率。此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。,介电强度,一、介质在电场中的破坏1.介质的击穿:当电场强度超过某一临界值时，介质由
17、介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿。2.击穿电场强度:介质的击穿时，相应的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场强度。3.击穿类型:热击穿，电击穿，局部放电击穿。,33,二、固体电介质的击穿（一） 固体电介质的热击穿1.热击穿 电介质在电场作用下，由于漏导电流、损耗或气隙局部放电产生热量 ，逐渐升温，积热增多，达到一定温度，即行开裂、玻化或熔化，导致绝缘材料性能破坏的现象。2.热击穿的本质 热击穿的本质是处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永
18、久性损坏，这就是热击穿。,34,（二） 固体介质的电击穿1.电击穿 在电场作用下，电介质内少量自由电子的动能加大，当电压足够大时，在电子冲击下激发出新的自由电子参加运动，并产生负离子，介电功能遭受破坏，而被击穿。 这种击穿发展速度很快，约在10-8-10-7秒内骤然击穿，似同雪崩。,35,（二） 固体介质的电击穿2.电击穿的过程 在强电场下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子。这些电子一方面在外电场作用下被加速，获得动能；另一方面与晶格振动相互作用，把电场能量传递给晶格。当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动的能量时，电子的动能就越来越大，至电子能量大到一定值时，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿发生。,36,
