電介質(zhì)的極化電導(dǎo)和損耗解析課件

1、高電壓技術(shù)趙來軍電力工程系High Voltage Technology緒論課程地位：電氣工程專業(yè)平臺(tái)課之一課程學(xué)時(shí)安排：講課40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)(獨(dú)立開課)成績?cè)u(píng)定：考試70(考勤課堂回答問題+作業(yè))30 教材：高電壓技術(shù)（第四版）沈其工等編參考書： 高電壓工程，中國電力，林福昌電網(wǎng)過電壓教程，中國電力，陳維賢高電壓試驗(yàn)技術(shù)，清華，張仁豫高電壓技術(shù)，中國電力，趙智大高壓（HV）： 35220KV超高壓（EHV）：330750KV特高壓（UHV）：1000KV及以上 一輸電電壓等級(jí)的劃分：二高電壓技術(shù)的研究對(duì)象高電壓絕緣與試驗(yàn)： 1.絕緣材料(電介質(zhì))的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律（實(shí)踐到

2、理論）。 2.高壓試驗(yàn)：判斷、監(jiān)視絕緣質(zhì)量的主要試驗(yàn)方法。電力系統(tǒng)的過電壓： 3.過電壓的成因與限制措施。 三、高電壓學(xué)科的特點(diǎn) 6四、研究課題1 輸變電設(shè)備的狀態(tài)及絕緣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)2 OVT & OCT3 輸變電設(shè)備的介質(zhì)損耗、局部放電測(cè)量4 系統(tǒng)諧振及防止方法5 電磁兼容問題6 Lightning的研究、防護(hù)方法7 氣體放電理論與應(yīng)用8 新絕緣材料研究9 接地網(wǎng)的優(yōu)化、地中電流的研究10 污穢及防止方法、新型絕緣子的研究11 其他領(lǐng)域：環(huán)境保護(hù)、表面處理、可再生能源、國防領(lǐng)域等7第一篇：高電壓絕緣及試驗(yàn)第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗第二章 氣體放電的物理過程第三章 氣隙的電氣強(qiáng)度第四章 固體

3、、液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度1-1 電介質(zhì)的極化(dielectric polarization) 極化：在外加電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向作有限位移或轉(zhuǎn)向，形成電矩（偶極矩）第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗10固體介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷相對(duì)介電常數(shù)反映極化、儲(chǔ)能特性極化的基本形式電子式極化離子式極化偶極子極化空間電荷極化（夾層極化）11電子位移極化特點(diǎn)：存在于一切電介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-1410-15s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無關(guān)）溫度（無關(guān)）極化彈性：彈性消耗能量：無1 電子位移極化2.離子位移極化極化機(jī)理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類型：離子性介質(zhì)建立極化時(shí)

4、間：極短，10-1210-13 s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無關(guān)）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性消耗能量：極微 偶極子極化3.轉(zhuǎn)向極化極化機(jī)理：極性分子轉(zhuǎn)向介質(zhì)類型：偶極性及有離子弛豫性極化的離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：需時(shí)較長，10-610-2 s極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)）溫度（低溫段隨溫度增加，溫度較高時(shí)降低）極化彈性：非彈性消耗能量：有4.空間電荷極化極化機(jī)理：正負(fù)離子移動(dòng)介質(zhì)類型：含離子和雜質(zhì)離子的介質(zhì)建立極化時(shí)間：很長極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有夾層式（界面）極化 當(dāng)t=

5、0: 當(dāng)t=: 18 一般情況下： 電荷從t=0到t=時(shí)會(huì)重新分配，在介質(zhì)的交界面處積累電荷。這些電荷形成的極化形式稱夾層式（界面）極化。極化的時(shí)間常數(shù)： 高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)G通常都很小，因此夾層極化只有在低頻時(shí)才有意義。同樣，去掉外加電壓后，釋放極化電荷的時(shí)間也很長。注意安全。19 為便于比較，將上述各種極化列為下表極化種類產(chǎn)生場(chǎng)合所需時(shí)間能量損耗產(chǎn)生原因電子位移極化任何電介質(zhì)10-15 s無束縛電子運(yùn)行軌道偏移離子位移極化離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)10-13 s幾乎沒有離子的相對(duì)偏移轉(zhuǎn)向極化極性電介質(zhì)10-610-2 s有偶極子的定向排列夾層極化多層介質(zhì)的交界面10-1 s數(shù)小時(shí)有自由電荷的移動(dòng)討論

6、極化的意義：不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)大小的要求不同 選擇電容器的介質(zhì)時(shí)，希望 大；選擇電纜絕緣結(jié)構(gòu)的材料時(shí)，希望小。組合絕緣的配合 對(duì)于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其成反比，要注意選擇，使各層介質(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用21極化類型影響介質(zhì)損耗，從而影響絕緣劣化和熱擊穿 極化形成和介質(zhì)損失有關(guān)，要掌握不同極化類型對(duì)介質(zhì)損失的影響。電氣預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目的理論根據(jù) 在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，夾層極化可用來判斷絕緣受潮情況。 例如，水分侵入電介質(zhì)后，使材 料的介電常數(shù)增大，同時(shí)水分能增強(qiáng)夾層式極化 作用，因此，通過測(cè)量材料的相對(duì)介電常數(shù)，就 能判斷電介質(zhì)受潮程度。 1-2 電介質(zhì)的介

7、電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)及其物理意義相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近1氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小1 氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件 20, 1 atm） 氣體種類相對(duì)介電常數(shù)氦1.000072氫1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空氣1.00059 非極性和弱極性電介質(zhì) 如石油、苯、四氯化碳、硅油等，r數(shù)值不大，在1.82.8范圍內(nèi)。介電常數(shù)和溫度的關(guān)系和單位體積中的分子數(shù)與溫度的關(guān)

8、系相似。極性電介質(zhì) 如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等，r數(shù)值在46范圍內(nèi)，還能用作絕緣介質(zhì)。強(qiáng)極性電介質(zhì) 如酒精、水等，r10，此類液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大。2 液體電介質(zhì)的介電常數(shù)（1）T不變，f增大，r 減小。 （2）f不變， T升高，r先增（分子間黏附力 ）后減（熱運(yùn)動(dòng) ）頻率 f1f2f3介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）非極性和弱極性固體電介質(zhì)： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機(jī)玻璃等都屬此類； 只有電子式極化和離子式極化， r不大，通常在2.02.7范圍； 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系與介質(zhì)密度與溫度的關(guān)系相近極性固體電介質(zhì)： 樹脂

9、、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等 r 較大，一般為36，還可能更大。 r和T及f的關(guān)系和極性液體的相似離子性電介質(zhì)： 如陶瓷，云母等，相對(duì)介電常數(shù)r 一般在58左右3 固體電介質(zhì)的介電常數(shù)1-3 電介質(zhì)的電導(dǎo) 來源：電介質(zhì)不是理想的絕緣體，其內(nèi)部會(huì)存在帶電粒子。它們?cè)陔妶?chǎng)下的定向移動(dòng)，形成電流。 電子電導(dǎo) 電介質(zhì)的電導(dǎo) 離子電導(dǎo)（主要）與導(dǎo)體的電導(dǎo)相比，電介質(zhì)電導(dǎo)的特點(diǎn)：1） 主要載流子是離子2） 電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)上升。29定義：在電場(chǎng)的作用下，由帶電質(zhì)點(diǎn)沿電場(chǎng)方向 移動(dòng)而形成電導(dǎo)電流。 要點(diǎn)： 帶電質(zhì)點(diǎn)主要是離子，也稱離子式電導(dǎo) 指標(biāo)：用電導(dǎo)率(s/)表示 絕緣材料的電阻

10、率：1081020導(dǎo)體的電阻率：10-810-4半導(dǎo)體的電阻率：10-41072.電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的區(qū)別 3.液體和固體電介質(zhì)的與溫度的關(guān)系： 帶電質(zhì)點(diǎn)：電介質(zhì)中為離子（固有離子，雜質(zhì)離子）； 金屬中為自由電子 數(shù)量級(jí)：電介質(zhì)的小，泄漏電流??；金屬的電導(dǎo)電流很大 電導(dǎo)電流影響因素：電介質(zhì)中由離子數(shù)目決定，對(duì)所含雜質(zhì)、 溫度很敏感；金屬中主要由外加電壓決定，雜質(zhì)、溫度不是主要因素。溫度 熱運(yùn)動(dòng)加劇離子遷移率 介質(zhì)分子或雜質(zhì)熱離解 電介質(zhì)的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)；金屬的電阻率具有正的溫度系數(shù)。 分成三個(gè)區(qū)域 區(qū)域1：液體電介質(zhì)的電導(dǎo)在電場(chǎng)比較小的情況下，遵循歐姆定律 區(qū)域2：隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大，有

11、一平坦區(qū)域 區(qū)域3：場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增大超過某一極限，引起電流激增，最終擊穿液體電介質(zhì)中電壓電流特性工程中，極其純凈的液體電介質(zhì)，第二區(qū)可能觀測(cè)不到。固體電介質(zhì)中電流I與外施電壓U的關(guān)系 4. 固體電介質(zhì)的體積電阻和表面電阻體積電阻電介質(zhì)內(nèi)部絕緣狀態(tài)的真實(shí)反映。表面電阻受介質(zhì)表面吸附的水分和污穢影響。水分起著特別重要作用。 親水性介質(zhì)（玻璃、陶瓷）表面電導(dǎo)大； 憎水性介質(zhì)（石蠟、四氟乙烯、聚苯乙烯） 表面電導(dǎo)小。 電介質(zhì)的絕緣電阻定義：電介質(zhì)中的絕緣電阻一般為M特點(diǎn)：1） 負(fù)溫度系數(shù)2） 隨外施電壓上升而下降。3）隨加壓時(shí)間延長而增大。35電介質(zhì)的吸收現(xiàn)象電介質(zhì)中的電流與時(shí)間的關(guān)系36i=ic+ia+

12、igic: 電容電流ia：吸收電流，由各種 極化過程產(chǎn)生ig：電導(dǎo)電流，或泄漏 電流討論電導(dǎo)的意義：1） 在絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)中，由絕緣電阻或者泄漏電流判斷絕緣是否受潮或者劣化。2） 直流設(shè)備中有多層介質(zhì)時(shí)（如直流電纜），其電壓分布與電導(dǎo)成反比，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮。3） 設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮到環(huán)境對(duì)電導(dǎo)的影響。4） 對(duì)于某些能量較小的電源，如靜電發(fā)生器，要減小表面的泄漏電流以保證得到高電壓。5） 有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。如高壓套管附近涂上半導(dǎo)體釉等。371.4 電介質(zhì)的損耗(dielectric loss) 任何電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下都有能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和由某些極化過程引起的損耗。電

13、介質(zhì)的能量損耗簡稱介質(zhì)損耗。1. 介質(zhì)損耗的含義能否用介質(zhì)損耗P值得大小來衡量介質(zhì)的絕緣好壞？2. 電介質(zhì)的三支路等值電路C1無損極化C2-R2有損極化R3電導(dǎo)損耗吸收曲線3. 電介質(zhì)在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象 |充電電流 |吸收電流 |泄漏電流4. 介質(zhì)損耗角正切tg 交流電壓作用下的向量圖： 介質(zhì)損耗角 為功率因數(shù)角 的余角，其正切 tg 又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（%）來表示。并聯(lián)等值電路：并聯(lián)電路中：由相量圖：介質(zhì)損耗正切角（tg )44影響極性電介質(zhì)tg 的主要因素之一：溫度tg和溫度的關(guān)系45tt1:極化損耗、電導(dǎo)損耗都上升;t1tt2:極化減弱，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)占主導(dǎo);當(dāng)f增加時(shí)，極化程度降低，因此需要提高溫度才能達(dá)到最大值。影響tg 的主要因素之二：頻率當(dāng)頻率不太高時(shí)，隨f增加，偶極子轉(zhuǎn)向加快，損耗增加；當(dāng)頻率大過某一值后，偶極子來不及轉(zhuǎn)向，損耗減小。46tg和頻率的關(guān)系影響tg 的主要因素之三：外加電壓外加電壓低， 總損耗電導(dǎo)損耗極化損耗外加電壓超過U0時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部開始出現(xiàn)局部放電，消耗電離能。 總損耗電導(dǎo)損耗極化損耗電離損耗47tg和外加電壓的關(guān)系5.討論介質(zhì)損耗的意義 設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意到絕緣材料的tg 值。若tg 過大會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱，使