固体电介质的电导

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1、子情境1.1绝缘材料的电气性能 子情境子情境1.1绝缘材料的电气性能绝缘材料的电气性能 要求要求 熟悉电介质在电场作用下的极化、电导和损耗等物理现象，以及它们在工程上的合理应用。子情境1.1绝缘材料的电气性能 电介质的极化、电导和损耗的概念 各类电介质的极化、电导和损耗的特 点 相对介电常数r 电介质的等值电路 介质损失角正切tan 电介质极化、电导和损耗在工程上的 意义知识点知识点子情境1.1绝缘材料的电气性能 相对介电常数相对介电常数r介质损失角正切介质损失角正切tan电介质的极化、电导和损耗在工程上电介质的极化、电导和损耗在工程上的意义的意义 重点和难点重点和难点子情境1.1绝缘材料的电

2、气性能 任务电介质的极化任务电介质的极化 内容内容 极化的概念和极化的形式极化的概念和极化的形式介电常数介电常数 电介质极化在工程上的意义电介质极化在工程上的意义 子情境1.1绝缘材料的电气性能 一、极化的概念和极化的形式一、极化的概念和极化的形式（一）极化的概念（一）极化的概念电介质有外电场作用时，正、负电荷受电场电介质有外电场作用时，正、负电荷受电场力的作用，其相对位置发生变化，电介质的表力的作用，其相对位置发生变化，电介质的表面出现电荷面出现电荷,这种现象称为这种现象称为电介质的极化电介质的极化。子情境1.1绝缘材料的电气性能 （二）极化的形式（二）极化的形式 电子式极化电子式极化2离子

3、式极化离子式极化3偶极子式极化偶极子式极化4.夹层式极化夹层式极化子情境1.1绝缘材料的电气性能 图图11电子式极化示意图电子式极化示意图定义：无外电场时对外不显电性。外电场 作用下由于电子发生相对位移而发生极化。特点：极化过程时间极短，约10-1410-15s；极化是弹性的，无能量损耗；与电源频率、温度无关。子情境1.1绝缘材料的电气性能 图图12离子式极化示意图离子式极化示意图定义定义：发生于离子结构的电介质中。正常：发生于离子结构的电介质中。正常对外不呈现极性，在外电场作用下正、对外不呈现极性，在外电场作用下正、负离子偏移其平衡位置，使介质内正、负离子偏移其平衡位置，使介质内正、负离子的

4、作用中心分离，介质对外呈现负离子的作用中心分离，介质对外呈现极性。极性。特点特点：时间极短，约：时间极短，约10-1210-13s；极化是；极化是弹性的，无能量损耗；极化程度与电源弹性的，无能量损耗；极化程度与电源频率无关，随温度升高而略有增加。频率无关，随温度升高而略有增加。子情境1.1绝缘材料的电气性能 图图13偶极子式极化偶极子式极化示意图示意图 极性电介质的分子本身就是一个偶极子。在没有外电场作用时,整个介质对外不呈现极性。在有外电场作用时，偶极子受电场力的作用发生转向，并沿电场方向定向排列，整个介质对外呈现极性。这种由偶极子转向造成的极化称为偶极子式极化。特点：极化过程时间较长，约1

5、0-1010-2s；极化非弹性的，去掉外电场，不能恢复到极化前的状态，有能量损耗；极化程度与电源频率、温度有关子情境1.1绝缘材料的电气性能 图图14夹层极化夹层极化物理过程示意图物理过程示意图 S刚合闸瞬间刚合闸瞬间（相当于施加很高频率的电压）等值电路中电容支路的容抗远小于电导支路的电阻，两层介质上的电压分配与各层电容成反比稳态时稳态时等值电路中电容支路相当于开路，两层介质上的电压分配与各层电导成反比对两层不同的介质1C设 C1C2、G1G2，t0时，U1U2；t时，U1U2，这样，在t0后，U2下降，U1 上升。即C2上的部分电荷经G2放掉，而C1则要经过G2从电源再吸收一部分电荷，结果使

6、两层介质的分界面上出现了不等量的异号电荷，从而显示出电的极性来子情境1.1绝缘材料的电气性能 夹层式极化夹层式极化:使夹层电介质分界面上出现电荷积聚的过程。由于夹层极化中有吸收电荷，故夹层极化相当于增大了整个电介质的等值电容。夹层式极化的特点夹层式极化的特点：极化过程缓慢;是非弹性的;只有在直流电压下或低频电压作用下，极化才能呈现出来，有能量损耗。子情境1.1绝缘材料的电气性能 【实例分析】【实例分析】设图14（b）中C1=1，C2=2，G1=2，G2=1，U=3，为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位合闸初瞬合闸初瞬:U1=2U2 =1，Q1=U1C1=2 Q2=U2C2=2稳态时稳态

7、时:U1=1，U2=2 Q2=U2C2=4，分界面上堆积的电荷为413。子情境1.1绝缘材料的电气性能 二、介电常数二、介电常数当极板间为真空时，电压U对真空电容器充电，极板上出现电荷Q0。此时电容器的电容值C0为极板面积，单位为cm2 真空的介电数，8.861014F/cm。极间距离，单位为cm固体介质插入后,在电场作用下，电介质发生极化，在沿电场方向的两个表面上产生异号电荷，所产生的电场与外施电压产生的电场方向相反。因 为U不变，E将保持不变。为维持电场恒定，极板上的电荷增加用以抵消极化电荷所产生的反电场。极化后固体介质的介电常 数子情境1.1绝缘材料的电气性能 相对介电常数相对介电常数r

8、它是表征电介质在电场作用下极化程度的物理量 r的值由电介质的材料决定，并且与温度、频率等因素有关。子情境1.1绝缘材料的电气性能 子情境1.1绝缘材料的电气性能 三、电介质极化在工程上的意义三、电介质极化在工程上的意义（1）选择电介质时，除应注意电气强度等要求外，还应注意r的大小。（2）几种绝缘介质组合在一起使用（高压电气设备的绝缘常是这种情况）时，应注意各种材料r的配合（3）材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。子情境1.1绝缘材料的电气性能 （4）在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等大容量设备时，须特别注意吸收电荷对

9、人身安全的威胁。子情境1.1绝缘材料的电气性能 任务电介质的电导任务电介质的电导 内容内容电介质电导的概念电介质电导的概念电介质的等值电路和绝缘电阻电介质的等值电路和绝缘电阻各类电介质电导的特点各类电介质电导的特点电介质电导在工程上的意义电介质电导在工程上的意义子情境1.1绝缘材料的电气性能 一、电介质电导的概念一、电介质电导的概念电介质内部总有一些带电质点（主要是正、负离子）,在外电场作用下作定向运动，形成电流，这种现象称为电介质的电导。电介质电导与温度有密切的关系，温度越高，电导越大，这一特性恰与金属电导相反。子情境1.1绝缘材料的电气性能 二、电介质的等值电路和绝缘电阻二、电介质的等值电

10、路和绝缘电阻存在的时间很短，很快衰减到零泄漏电流，是不随时间变化的恒定电流 介质的绝缘电阻反映有损极化形成的电容反映真空和无损极化所形成的电容反映有损极化的等效电阻存在的时间较长子情境1.1绝缘材料的电气性能 绝缘电阻R可表示为:体积绝缘电阻表面绝缘电阻介质绝缘电阻介质绝缘电阻的大小决定了介质中泄漏电流的大小。泄漏电流大，将引起介质发热，加快介质的老化。固体介质的绝缘电阻包括体积绝缘电阻和表面绝缘电阻，是它们两者并联的总阻值。子情境1.1绝缘材料的电气性能 1气体电介质的电导气体电介质的电导气体介质只要工作在场强低于其击穿场强时，其电导是很微小的，为10-1510-16()，故是良好的绝缘体，

11、气体电导主要是电子电导。三、各类电介质电导的特点三、各类电介质电导的特点子情境1.1绝缘材料的电气性能 2液体电介质的电导液体电介质的电导形成电导电流的带电质点有构成液体的基本分子和杂质离解而成带电质点，构成离子电导。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，形成电泳电导。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子情境1.1绝缘材料的电气性能 3固体电介质的电导固体电介质的电导离子电导很大程度取决于介质中所含杂质，特别是对中性及弱极性介质，杂质离子起主要作用。固固体体介介质质电电导导体积电导体积电导表面电导表面电导主要是由附着于介质表面的水分和其他

12、污物引起的，与介质的特性有关。容易吸收水分的电介质称为亲水性介质，水分可以在其表面形成连续水膜。不易吸收水分的介质称为憎水性介质，水分只能在其表面形成不连续的水珠。憎水性介质的表面电导通常要比亲水性介质的小。采取使介质表面洁净、干燥或涂敷石蜡、有机硅、绝缘漆等措施，可以降低固体电介质的电导。子情境1.1绝缘材料的电气性能 四、电介质电导在工程上的意义四、电介质电导在工程上的意义（1）在高压设备绝缘预防性试验中，一般都要测量绝缘电阻和泄漏电流，以判断设备绝缘是否受潮或其他劣化现象。（2）电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导产生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升高，有时必须降低设备的

13、工作电流。在一定的条件下，电导损耗还可能导致介质发生热击穿。（3）注意环境湿度对固体绝缘的影响，有时需作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。子情境1.1绝缘材料的电气性能 任务电介质的损耗任务电介质的损耗 内容内容电介质损耗电介质损耗的的概念概念介质损失角正切介质损失角正切各类电介质损耗的特点各类电介质损耗的特点电介质损耗在工程上的意义电介质损耗在工程上的意义子情境1.1绝缘材料的电气性能 一、电介质损耗的概念一、电介质损耗的概念电介质在电压作用下有能量损耗。一种是电导引起的损耗；另一种是由有损极化引起的损耗。直流电压下直流电压下:外加电压低于发生局部

14、放电电压介质中损耗由电导引起。用绝缘电阻表达交流电压下交流电压下：除了电导损耗外，还由于存在周期性极化引起的能量损耗。用介质损失角正切表示。子情境1.1绝缘材料的电气性能 二、介质损失角正切（二、介质损失角正切（）无功电流 有功电流 tan仅取决于材料的特性，而与材料尺寸无关。子情境1.1绝缘材料的电气性能 实例分析实例分析 设平行平板电极间为真空时电容为0.1F。现放入r3.18的固体介质，加上工频5kV电压后，介质损失有25W，试计算放入的固体介质的tan。解：由子情境1.1绝缘材料的电气性能 三、各类电介质损耗的特点三、各类电介质损耗的特点1气体电介质的损耗l 电场强度小于使气体分子游离

15、所需值时，电导极小，所以损耗也极小。因此，常用气体介质的电容器作为标准电容器。相对介电常数r接近1，极化率极小，损耗就是电导损耗。l 在强电场下气体易游离，如在不均匀电场中出现局部放电时，气体间隙的介质损耗增加。若固体介质中有气泡，气泡内的局部放电也会使损耗增加。子情境1.1绝缘材料的电气性能 2液体和固体电介质的损耗液体和固体电介质的损耗非极性或弱极性的液体或固体，结构较紧密的离子性介质，极化形式主要是电子式极化和离子式极化，无极化损耗，损耗主要由电导决定，tan较小，约10-4数量级，且介质损耗大小随温度的升高而升高。偶极性固体和液体介质以及结构不紧密的离子性 固体介质，除具有电导损耗外，

16、还有极化损耗，tan较大。损耗和温度、频率等因素有较复杂的关系。在电力系统中电源频率固定为50Hz，一般频率只有很小变化，可视为对tan无影响。子情境1.1绝缘材料的电气性能 工频电压下20时，某些液体和固体电介质的tan值电介质tan（%）电介质tan（%）变压器油蓖麻油沥青云母带电瓷油浸电缆纸环氧树脂0.050.5130.21250.580.21聚乙烯交联聚乙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚氯乙烯酚醛树脂0.010.020.020.050.010.030.02510110子情境1.1绝缘材料的电气性能 四、电介质损耗在工程上的意义四、电介质损耗在工程上的意义（1）作为绝缘介质，希望其tan越小越好。

17、因此，选择绝缘介质时，必须注意材料的tan。tan越大，介质的损耗也越大，交流电压下发热也越严重。这不仅使介质容易劣化，严重时还可能导致热击穿。（2）在电气设备绝缘预防性试验中，tan的测量是一个基本项目。当绝缘受潮时tan会增大，绝缘中存在气隙或大量气泡时在高电压下tan也会显著增大，因此通过测量tan和tan=f(U)的关系曲线可以对绝缘状态加以判断。子情境1.1绝缘材料的电气性能 小小结结任何电介质都有一定的导电性，电导的倒数就是绝缘电阻。气体的电导很小，可忽略不计；液体电介质的电导大小除与电介质本身性质有关以外，还与杂质含量有关；固体电介质的电导与电介质本身性质、杂质含量和介质表面状态都有关。作为绝缘介质，希望其电导越小越好。极化是指在电场作用下，电介质的表面出现电荷的现象。极化的形式有电子式、离子式、偶极子式、夹层式。极化的程度可用相对介电常数r表示。作为电气设备的绝缘介质，希望r小；作为电容器的绝缘介质，希望r大。子情境1.1绝缘材料的电气性能 电介质在交流电压下的损耗包含电导损耗和极化损耗两部分。介质损耗大小用介质损失角正切tan表示。作为绝缘介质，希望其tan越小越好。