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1、,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,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,第三章 液体和固体介质的电气特性,电导率(绝缘电阻率)介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度,表征参数：,第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗,电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗,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。对于平行平板电容器，极间为真空时：,一、电介质的极化,放置固体介
2、质时,电容量将增大为:,相对介电常数：,0-真空的介电常数,-介质的介电常数,r-介质的相对介电常数,A-极板面积，cm2,d-极间距离，cm,下面的表3-1列出了常用电介质的r值（20C时）,r是反映电介质极化特性的一个物理量。,可见，气体r接近于1，液体和固体大多在26之间。,用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。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，
3、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串联各层电介质的r成反比。,最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。现简要介绍如下：,(一)电子式极化,在外电场 的作用下，介质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，其值为（矢量 的方向为由q指向q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。,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；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,
4、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。,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 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 一般具有正的温度系数。,(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
5、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，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，1010102s，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系。,偶极子极化与频率f 的关系：,频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 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交变，值不断下降；当f
6、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，减小到。,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 很小。液体、固体介质的 在低温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，又开始随着温度的上升而减小。,如图3-6为极性液体、固体介质的 与温度的关系。,(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
7、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。,t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：,t=,电压分配将与电导成反比：,一般 即C1、C2上的电荷需要重新分配，设C1G2，则由上面两式：,t=0时，U1U2 t 时，U1U2,可得：,可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总的电压U保持不变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。,于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成的电流称为吸收电流。,由于
8、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。,二、电介质的电导,电导率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。,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10101014 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10171019,3、电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态
9、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：,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。,三、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
10、化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。,直流下：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。,式中：电源角频率；功率因数角；介质损耗角。,交流时：流过电介质的电流,此时介质的功率损耗：,（3-7）,介质损耗角为功率因数角的余角，其正切tg又可称为介质损耗因数，常用百分数（）来表示。有损介质等值电路如图所示，电介质中流过的是电容电流，吸收电流 和传导电流。三个分量叠加在一起为总电流。,可采用并联等值电路或串联等值电路来分析,并联电导损耗 串联介质损耗,总电流
11、表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。,1、并联等值电路,按图3-9，有：,介质损耗角正切 等于有功电流和无功电流的比值，即：,此时功率损耗为：,与式（3-7）所得介质损耗完全相同。,2、串联等值电路,有损电介质可用一只理想的无损耗电容 和一个电阻r 相串联的等值电路来代替，如图所示。,（3-9）,由向量图有：,由于：,所以：,介质损耗角 值一般很小，所以：,（3-11）,比较式（3-9）和式（3-11）,说明两种电路电容值几乎一样，可用同一电容表示。,(二)气体、液体和固体介质的损耗,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
12、，这时损耗将急剧增大。,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：,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 与温度的关系如图所示。,2.液体介质损耗,（1）中性和弱极性液体介质,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 亦上升，并在tt1时达到极大值；,在t1tt2的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极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 曲线随t的升高而下降，并在t=t2时达到极小值。,在tt2以后
13、，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 就随时间t的上升而持续增大。,极性液体介质的 和 与电源角频率 的关系如图所示。,较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，也小，且主要由电导损耗引起。,如 减至很小，反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。随 增大，转向极化逐渐跟不上电场交变，开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、增大。一旦大到偶极子完全来不及转向时，值变得最小而趋于某一定值，也变得很小。,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；20C和50Hz时 25；玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。,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。,(2)有机绝缘材料,可分为非极性和极性,（本节完）,小 结,电介质的极化 电子式极化 离子式极化 偶极子极化 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,
