第三章固體液體極化電導(dǎo)和損耗

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)邱巍邱巍電氣工程系電氣工程系輸電教研室輸電教研室High Voltage Technology第三章液體和固體介質(zhì)的電氣特性第一節(jié) 液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗n電場下電介質(zhì)的變化電場下電介質(zhì)的變化n1. 在弱電場下，主要有極化、電導(dǎo)、介質(zhì)在弱電場下，主要有極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等損耗等 2. 在強(qiáng)電場下，主要有放電、閃絡(luò)、擊穿在強(qiáng)電場下，主要有放電、閃絡(luò)、擊穿等等第一節(jié) 液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗(dielectric polarization）1、電介質(zhì)、電介質(zhì)(dielectric)：n定義：電阻率高的絕緣材料定義：電阻率高的絕緣材料n作用：隔離不同電壓作用：

2、隔離不同電壓n分類：氣體、液體、固體分類：氣體、液體、固體電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化 將電介質(zhì)放入電場，表面出現(xiàn)電荷。將電介質(zhì)放入電場，表面出現(xiàn)電荷。0E 這種在外電場作用下電介質(zhì)表面這種在外電場作用下電介質(zhì)表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫做出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化。所產(chǎn)生的電荷稱之為所產(chǎn)生的電荷稱之為“極化電荷極化電荷”。 在電介質(zhì)上出現(xiàn)的極化電荷是正負(fù)在電介質(zhì)上出現(xiàn)的極化電荷是正負(fù)電荷在分子范圍內(nèi)微小移動(dòng)的結(jié)果，電荷在分子范圍內(nèi)微小移動(dòng)的結(jié)果，所以極化電荷也叫所以極化電荷也叫“束縛電荷束縛電荷”。1.1.極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象電介質(zhì)是絕緣體電介質(zhì)是絕緣體,電介質(zhì)體內(nèi)只有極少自由電子電介質(zhì)體內(nèi)

3、只有極少自由電子1-1 電介質(zhì)的極化n （a）電極間無介質(zhì)）電極間無介質(zhì) （b） 電極間有介質(zhì)電極間有介質(zhì)n極化現(xiàn)象造成：在外施電場作用下，固體中原來極化現(xiàn)象造成：在外施電場作用下，固體中原來彼此中和的正、負(fù)電荷產(chǎn)生了位移，形成電矩，彼此中和的正、負(fù)電荷產(chǎn)生了位移，形成電矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷，相應(yīng)地便在極板上使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷，相應(yīng)地便在極板上另外吸住了一部分電荷另外吸住了一部分電荷 Q，所以極板上電荷增多，所以極板上電荷增多，并造成電容量亦增大。并造成電容量亦增大。UQ束縛電荷束縛電荷UCQ000000QQQCCr相對(duì)介電常數(shù)CUQQQ0dSC00 每個(gè)分子負(fù)電荷對(duì)外影響均可等

4、效為單獨(dú)每個(gè)分子負(fù)電荷對(duì)外影響均可等效為單獨(dú)一個(gè)靜止的負(fù)電荷一個(gè)靜止的負(fù)電荷 的作用。其大小為分子中的作用。其大小為分子中所有負(fù)電之和，所有負(fù)電之和，這個(gè)等效負(fù)電荷的作用位置這個(gè)等效負(fù)電荷的作用位置稱為分子的稱為分子的“負(fù)電作用中心負(fù)電作用中心”。-從電學(xué)性質(zhì)看電介質(zhì)的分子可分為兩類：無極分子、從電學(xué)性質(zhì)看電介質(zhì)的分子可分為兩類：無極分子、有極分子。有極分子。2.2.電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制 同樣，所有正電荷的作用也可等效同樣，所有正電荷的作用也可等效一個(gè)靜止的正電荷的作用，這個(gè)一個(gè)靜止的正電荷的作用，這個(gè)等效正等效正電荷作用的位置電荷作用的位置稱為稱為“正電作用中心正電作用中

5、心”。+無極分子：無極分子：正負(fù)電荷作用中心重合的分子；正負(fù)電荷作用中心重合的分子；如如H2、N2、O2、CO2有極分子：有極分子：正負(fù)電荷作用中心不重正負(fù)電荷作用中心不重合的分子。合的分子。如如H2O、CO、SO2、NH3.+-+H2在無外場作用下整個(gè)分子在無外場作用下整個(gè)分子無電矩?zé)o電矩。-+OH+H+H2O+- 有極分子對(duì)外影響等效為一有極分子對(duì)外影響等效為一個(gè)電偶極子，個(gè)電偶極子，在無外場作用下存在無外場作用下存在在固有電偶極矩固有電偶極矩。第一節(jié) 液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗2 、電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化定義：電介質(zhì)由于電場作用，沿電場方向定義：電介質(zhì)由于電場作用，沿電場方向表面

6、出現(xiàn)束縛電荷，形成偶極子的表面出現(xiàn)束縛電荷，形成偶極子的現(xiàn)象。現(xiàn)象。電子式極化 （2）離子式極化）離子式極化E0E 0E偶極子極化偶極子極化n出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有規(guī)則的排列，規(guī)則的排列， 因而顯出極性，這種極化稱為因而顯出極性，這種極化稱為偶極子極化偶極子極化或或轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化（4）空間電荷極化）空間電荷極化(夾層極化夾層極化)各種極化表各種極化表極化種類極化種類產(chǎn)生場合產(chǎn)生場合所需時(shí)間所需時(shí)間能量損耗能量損耗產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因電子式極化電子式極化任何電介質(zhì)任何電介質(zhì)10-15 s無無束縛電子運(yùn)行束縛電子運(yùn)行軌道偏移軌道偏移離子式極化

7、離子式極化離子式結(jié)構(gòu)電離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)介質(zhì)10-13 s幾乎沒有幾乎沒有離子的相對(duì)偏離子的相對(duì)偏移移偶極子極化偶極子極化極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)10-1010-2 s有有偶極子的定向偶極子的定向排列排列夾層極化夾層極化多層介質(zhì)的交多層介質(zhì)的交界面界面10-1 s數(shù)小數(shù)小時(shí)時(shí)有有自由電荷的移自由電荷的移動(dòng)動(dòng)介電常數(shù)介電常數(shù)n介電常數(shù)介電常數(shù)n相對(duì)介電常數(shù)是反映相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的參電介質(zhì)極化程度的參數(shù)數(shù)n氣體分子間的距離很氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體大，密度很小，氣體的極化率很小，一切的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近都接近121210EEr液體電介質(zhì)

8、的介電常數(shù)液體電介質(zhì)的介電常數(shù)n液體電介質(zhì)的介電常數(shù)液體電介質(zhì)的介電常數(shù) 非極性和弱極性電介質(zhì)如石油、苯、四氯化碳、硅油等，非極性和弱極性電介質(zhì)如石油、苯、四氯化碳、硅油等， 數(shù)值不大，數(shù)值不大， 在在1.8 2.5范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。n極性電介質(zhì)極性電介質(zhì) 如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等， 數(shù)值在數(shù)值在2 6范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 還能用作絕緣介質(zhì)。還能用作絕緣介質(zhì)。n強(qiáng)極性電介質(zhì)強(qiáng)極性電介質(zhì) 如酒精、水等如酒精、水等, 10，其電導(dǎo)也很大，不能用做絕緣材料。，其電導(dǎo)也很大，不能用做絕緣材料。用作電容器浸漬劑時(shí)，可使電容器的比電容增大，但通常用作電容器浸漬劑時(shí)，可使電容器的比電容增大，但通

9、常損耗都較大。損耗都較大。rrr固體電介質(zhì)的介電常數(shù)固體電介質(zhì)的介電常數(shù)n非極性和弱極性固體電介質(zhì)非極性和弱極性固體電介質(zhì) 如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉石棉、無機(jī)玻璃等無機(jī)玻璃等，電介質(zhì)只有電子式極化和離子，電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化式極化， 在在2.0 2.7范圍范圍；n極性固體電介質(zhì)極性固體電介質(zhì) 樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等滌綸等 較大，一般為較大，一般為36 6；n離子性電介質(zhì)離子性電介質(zhì) 如陶瓷，云母等，相對(duì)介電常數(shù)如陶瓷，云母等，相對(duì)介電常數(shù)

10、一般在一般在58左右。左右。rrr場強(qiáng)與場強(qiáng)與 的配合的配合n電纜芯處使用電纜芯處使用 較大的較大的材料，可減小電纜芯處材料，可減小電纜芯處場強(qiáng)，電纜中電場分布場強(qiáng)，電纜中電場分布均勻一些，從而提高整均勻一些，從而提高整體的耐電強(qiáng)度。體的耐電強(qiáng)度。rr12212122121dsQdsQCQCQdUdUEE電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)(electrical conduction)定義：定義：介質(zhì)在電場作用下介質(zhì)在電場作用下, 內(nèi)部聯(lián)系較內(nèi)部聯(lián)系較弱的帶電粒子作有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)形弱的帶電粒子作有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)形成電流成電流,即泄漏電流即泄漏電流.這種物理現(xiàn)這種物理現(xiàn)象稱為電導(dǎo)象稱為電導(dǎo).要點(diǎn)：要點(diǎn)： 電介質(zhì)中

11、的帶電質(zhì)點(diǎn)主要是離電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)主要是離子，也稱離子式電導(dǎo)子，也稱離子式電導(dǎo) 指標(biāo)：指標(biāo)：用電導(dǎo)率表示用電導(dǎo)率表示 氣體介質(zhì)的電導(dǎo)氣體介質(zhì)的電導(dǎo)oa段段:隨著電壓升高，到達(dá)陽極的帶隨著電壓升高，到達(dá)陽極的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和速度也隨之增電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和速度也隨之增大大ab段：段：電流不再隨電壓的增大而增大電流不再隨電壓的增大而增大bc段：段：電流又再隨電壓的增大而增大電流又再隨電壓的增大而增大c點(diǎn)點(diǎn):電流急劇突增電流急劇突增均勻電場中氣體的伏安特性液體電介質(zhì)的電導(dǎo)液體電介質(zhì)的電導(dǎo)液體中極化發(fā)展快，液體中極化發(fā)展快，電導(dǎo)構(gòu)成：離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo)電導(dǎo)構(gòu)成：離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo) 離子電導(dǎo)：離子電導(dǎo)：由液體本

12、身的分子和雜質(zhì)的由液體本身的分子和雜質(zhì)的分子解離為離子分子解離為離子 電泳電導(dǎo)：電泳電導(dǎo)：液體中的膠體質(zhì)點(diǎn)（如變壓液體中的膠體質(zhì)點(diǎn)（如變壓器油中懸浮的小水滴）吸附電荷后，形器油中懸浮的小水滴）吸附電荷后，形成帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成成帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成液體電介質(zhì)的電導(dǎo)液體電介質(zhì)的電導(dǎo)a:電導(dǎo)在電場比較小的電導(dǎo)在電場比較小的情況下，遵循歐姆情況下，遵循歐姆 定律定律b:電流飽和趨勢(shì)區(qū)，與電流飽和趨勢(shì)區(qū)，與氣體類似氣體類似C:液體分子發(fā)生了游離，液體分子發(fā)生了游離，電導(dǎo)迅速增大。電導(dǎo)迅速增大。液體電解質(zhì)中的電流和外施電壓的關(guān)系固體電解質(zhì)的電導(dǎo)固體電解質(zhì)的電導(dǎo)n中性分子電介質(zhì)的電導(dǎo)中性分子電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是雜質(zhì)離主要

13、是雜質(zhì)離子子n極性電介質(zhì)，極性電介質(zhì)，因本身能解離，此外還因本身能解離，此外還有雜質(zhì)離子共同決定電導(dǎo)，故電導(dǎo)較有雜質(zhì)離子共同決定電導(dǎo)，故電導(dǎo)較大，大，固體電解質(zhì)的電導(dǎo)固體電解質(zhì)的電導(dǎo)n和液體、氣體不同，和液體、氣體不同，固體中的電流電固體中的電流電壓特性沒有飽和狀壓特性沒有飽和狀態(tài)態(tài)電導(dǎo)在工程上的意義電導(dǎo)在工程上的意義n絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的理論依據(jù)絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的理論依據(jù) 預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣狀況收比判斷設(shè)備的絕緣狀況n直流電壓下分層絕緣時(shí)，各層電壓分布與電阻直流電壓下分層絕緣時(shí)，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻

14、率，實(shí)現(xiàn)各層之間的成正比，選擇合適的電阻率，實(shí)現(xiàn)各層之間的合理分壓合理分壓n 注意環(huán)境濕度對(duì)固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意環(huán)境濕度對(duì)固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理注意親水性材料的表面防水處理n電導(dǎo)損耗導(dǎo)致熱擊穿電導(dǎo)損耗導(dǎo)致熱擊穿電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的損耗(dielectric loss)n介質(zhì)的能量損耗：介質(zhì)的能量損耗：n產(chǎn)生原因：極化產(chǎn)生原因：極化+電導(dǎo)電導(dǎo)n直流直流電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗n交流交流電導(dǎo)和極化損耗電導(dǎo)和極化損耗介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗n介質(zhì)損耗定義介質(zhì)損耗定義 介質(zhì)在交流電壓下的有功功率損耗介質(zhì)在交流電壓下的有功功率損耗并聯(lián)等值電路：并聯(lián)等值電路：并聯(lián)電路中并聯(lián)電路中：R

15、UIRPCPCUItgCUtgUIUIPpCPR2RCCURUIItgPPCPR1/由相量圖：由相量圖：電介質(zhì)的三支路等值電路電介質(zhì)的三支路等值電路uci0CaraCgraigiC1無損極化無損極化C2-R2有損極化有損極化R3電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗gaciiii0)(sticigii吸收曲線吸收曲線電介質(zhì)在直流電壓作用下的吸電介質(zhì)在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象收現(xiàn)象gaciiii |充充電電電電流流 |吸吸收收電電流流 |泄泄漏漏電電流流aiUIcIarIacIgIaI 介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切tg 交流電壓作用下的向量圖：交流電壓作用下的向量圖： 介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 為功為功率因數(shù)角率因數(shù)角

16、的余角，其的余角，其正切正切 tg 又可稱為介質(zhì)損又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（%）來表示。）來表示。用用tg作為綜合反映介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)作為綜合反映介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo) tg 的增大，意味著介質(zhì)絕緣性能變差，實(shí)踐中的增大，意味著介質(zhì)絕緣性能變差，實(shí)踐中常通過測(cè)量常通過測(cè)量tg來判斷設(shè)備絕緣的好壞。來判斷設(shè)備絕緣的好壞。tgCUtgUIUIPpCPR2介質(zhì)損失角正切值介質(zhì)損失角正切值 tgn介質(zhì)損失角正切值介質(zhì)損失角正切值 tg ，如同，如同 一樣，一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)?？梢苑奖愕?/p>

17、表示介質(zhì)的品質(zhì)。rCPRIItg氣體電介質(zhì)的損耗n當(dāng)電場強(qiáng)度小于使氣體分子電當(dāng)電場強(qiáng)度小于使氣體分子電離所需的值時(shí)離所需的值時(shí)，氣體介質(zhì)中的，氣體介質(zhì)中的損耗極?。〒p耗極?。╰g 10-8），工），工程中可以略去不計(jì)。所以常用程中可以略去不計(jì)。所以常用氣體（如空氣，氣體（如空氣，N2；C02，SF6等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)n當(dāng)外施電壓當(dāng)外施電壓U超過起始放電電超過起始放電電壓壓U0時(shí)時(shí)，將發(fā)生局部放電，損，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加耗急劇增加液體電介質(zhì)中的損耗n中性液體固體電介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定中性液體固體電介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定.極性液體介質(zhì)中的損耗與溫度

18、的關(guān)系n極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)損耗和極極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)損耗和極化損耗（偶極子式損耗）兩部分化損耗（偶極子式損耗）兩部分n損耗與溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系。損耗與溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系。固體電介質(zhì)中的損耗n中性電介質(zhì)，中性電介質(zhì)，如石蠟、聚苯乙烯等，其如石蠟、聚苯乙烯等，其損耗主要由電導(dǎo)引起，通常很小，損耗主要由電導(dǎo)引起，通常很小，n極性電介質(zhì)，極性電介質(zhì)，纖維材料（紙、纖維板等）纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機(jī)，材料（聚氯乙烯、和含有極性基的有機(jī)，材料（聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等），有機(jī)玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等），tg 值較大，高頻下更為嚴(yán)重。值較大，高頻下更為嚴(yán)重。離子式電介質(zhì)n離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，n結(jié)構(gòu)緊密的不含雜質(zhì)的離子晶體結(jié)構(gòu)緊密的不含雜質(zhì)的離子晶體，如云母，其，如云母，其tg 主要是由電導(dǎo)引起，主要是由電導(dǎo)引起，tg 極小，且云母的電氣強(qiáng)極小，且云母的電氣強(qiáng)度高