液體和固體介質的極化電導和損耗課件

電介質的電氣特性表現(xiàn)在電場作用下的導電性能介電性能電氣強度液體和固體介質廣泛用作電氣設備的內絕緣，常用的液體和固體介質為：液體介質：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠第三章液體和固體介質的電氣特性電導率(絕緣電阻率)介電常數(shù)介質損耗角正切擊穿電場強度表征參數(shù)：第一節(jié)液體和固體介質的極化、電導和損耗電介質的極化電介質的電導電介質的損耗放置固體介質時,電容量將增大為:相對介電常數(shù)：ε0---真空的介電常數(shù)ε---介質的介電常數(shù)εr---介質的相對介電常數(shù)A---極板面積，cm2d---極間距離，cm下面的表3-1列出了常用電介質的εr值（20°C時）εr是反映電介質極化特性的一個物理量。可見，氣體εr接近于1，液體和固體大多在2～6之間。用于電容器的絕緣材料，顯然希望選用εr大的電介質，因為這樣可使單位電容的體積減小和重量減輕。其他電氣設備中往往希望選用εr較小的電介質，這是因為較大的εr往往和較大的電導率相聯(lián)系，因而介質損耗也較大。采用εr較小的絕緣材料還可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓等。(一)電子式極化在外電場的作用下，介質原子中的電子軌道將相對于原子核發(fā)生彈性位移。正負電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應偶極矩，其值為（矢量的方向為由－q指向＋q）。這種極化稱為電子式極化或電子位移極化。電子式極化存在于一切電介質中，有兩個特點：完成極化需要的時間極短；外場消失，整體恢復中性。所以這種極化不產生能量損耗，不會使介質發(fā)熱。在出現(xiàn)外電場后，正、負離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈現(xiàn)極化。離子式極化的特點：1、離子相對位移有限，外電場消失后即恢復原狀；2、所需時間很短，其幾乎與外電場頻率無關。溫度對離子式極化的影響：1、離子間的結合力會隨溫度的升高而減小，從而使極化程度增強；2、離子的密度隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前一種影響較大，故其一般具有正的溫度系數(shù)。(三)偶極子極化

極性電介質：分子具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，由極性分子組成的電介質稱為極性電介質。極性分子不存在外電場時，極性分子的偶極子因熱運動而雜亂無序的排列著，如圖所示，宏觀電矩等于零，因而整個介質對外并不表現(xiàn)出極性。偶極子極化是非彈性的，極化過程需要消耗一定的能量，極化所需的時間也較長，10－10～10－2s，所以極性電介質的值與電源頻率有較大關系。偶極子極化與頻率f的關系：

頻率太高時，偶極子將來不及轉動，因而其值變小，如圖所示。其中相當于直流電場下的相對介電常數(shù)，f>f1

以后偶極子將越來越跟不上電場的交變，值不斷下降；當f＝f2時，偶極子已完全不跟著電場轉動了，這時只存在電子式極化，減小到。偶極子極化與溫度t的關系：溫度升高時，分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質有負的溫度系數(shù)。對液體和固體介質，溫度很低時，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉動比較困難，所以很小。液體、固體介質的在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動變得較強烈時，分子熱運動阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，又開始隨著溫度的上升而減小。(四)夾層極化

凡是由不同介電常數(shù)和電導率的多種電介質組成的絕緣結構，在加上外電場后，各層電壓將從開始時按介電常數(shù)分布逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時按電導率分布。在電壓重新分配的過程中，夾層界面上會積聚起一些電荷，使整個介質的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質界面極化，簡稱夾層極化。t=0時合上開關，電壓分配與電容成正比：t=,電壓分配將與電導成反比：可見，隨著時間t的增加，U1下降而U2增高，總的電壓U保持不變。這就意味著C1要通過G1放掉一部分電荷，而C2要通過G1從電源再補充一部分電荷。于是分界面上將積聚起一批多余的空間電荷，這就是夾層極化引起的吸收電荷，電荷積聚過程所形成的電流稱為吸收電流。1、電子電導：一般很微弱，因為介質中自由電子數(shù)極少；如果電子電流較大，則介質已被擊穿。2、離子電導：本征離子電導：極性電介質有較大的本征離子電導，電阻率1010～1014雜質離子電導：在中性和弱極性電介質中，主要是雜質離子電導，電阻率1017～10193、電泳電導：載流子為帶電的分子團，通常是乳化狀態(tài)的膠體粒子（例如絕緣油中的懸浮膠粒）或細小水珠，他們吸附電荷后變成了帶電粒子。4、表面電導：對于固體介質，由于表面吸附水分和污穢存在表面電導，受外界因素的影響很大。所以，在測量體積電阻率時，應盡量排除表面電導的影響，應清除表面污穢、烘干水分、并在測量電極上采取一定的措施。固體、液體介質的電導率與溫度T的關系：式中：A、B為與介質有關的常數(shù)，其中固體介質的常數(shù)B通常比液體介質的B值大的多。T為絕對溫度，單位為K。該式表明,隨溫度T按指數(shù)規(guī)律上升。三、電介質的損耗(一)電介質的損耗的基本概念介質損耗：在電場作用下電介質中總有一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化（例如偶極子、夾層極化）引起的損耗，總稱介質損耗。直流下：電介質中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數(shù)值，介質中的損耗將僅由電導組成，所以可用體積電導率和表面電導率說明問題，不必再引入介質損耗這個概念了。式中：—電源角頻率；－功率因數(shù)角；－介質損耗角。交流時：流過電介質的電流此時介質的功率損耗：（3-7）介質損耗角δ為功率因數(shù)角ω的余角，其正切tgδ又可稱為介質損耗因數(shù)，常用百分數(shù)（％）來表示。有損介質等值電路如圖所示，電介質中流過的是電容電流，吸收電流和傳導電流。三個分量疊加在一起為總電流?？刹捎貌⒙?lián)等值電路或串聯(lián)等值電路來分析并聯(lián)－－電導損耗串聯(lián)－－介質損耗總電流表示在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間變化的曲線，稱為吸收曲線。1、并聯(lián)等值電路按圖3-9，有：介質損耗角正切等于有功電流和無功電流的比值，即：此時功率損耗為：與式（3-7）所得介質損耗完全相同。2、串聯(lián)等值電路有損電介質可用一只理想的無損耗電容和一個電阻r相串聯(lián)的等值電路來代替，如圖所示。（3-9）由向量圖有：由于：所以：介質損耗角值一般很小，所以：（3-11）比較式（3-9）和式（3-11）,說明兩種電路電容值幾乎一樣，可用同一電容表示。(二)氣體、液體和固體介質的損耗1.氣體介質損耗氣體中的電場強度達到放電起始場強E0時，氣體中發(fā)生局部放電，這時損耗將急劇增大。損耗主要由電導引起，其損耗率（單位體積電介質的功率損耗）為：式中：-電介質的電導率，S/cm；E-電場強度V/cm。（W/cm2）與溫度有指數(shù)關系，P0也以指數(shù)規(guī)律隨溫度的上升而增大。極性液體介質的損耗與溫度的關系如圖所示。2.液體介質損耗（1）中性和弱極性液體介質在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小，隨著溫度的升高，液體的粘度減小，偶極子轉向極化增加，電導損耗也在增大，所以總的亦上升，并在t＝t1時達到極大值；在t1<t<t2的范圍內，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導損耗的增加，所以總的曲線隨t的升高而下降，并在t=t2時達到極小值。在t>t2以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而就隨時間t的上升而持續(xù)增大。極性液體介質的和與電源角頻率的關系如圖所示。較小時，偶極子的轉向極化完全跟得上電場的交變，極化得以充分發(fā)展，此時的最大；但此時偶極子單位時間的轉向次數(shù)不多，因而極化損耗很小，也小，且主要由電導損耗引起。如減至很小，反而又稍有增大，這是因為電容電流減小的結果。隨增大，轉向極化逐漸跟不上電場交變，開始下降，但由于轉向頻率增大仍會使極化損耗增加、增大。一旦大到偶極子完全來不及轉向時，值變得最小而趨于某一定值，也變得很小。3.固體介質損耗(1)無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由電導引起損耗，介質損耗小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷：既有電導損耗，又有極化損耗；20oC和50Hz