大三上電工產(chǎn)品學(xué)電介質(zhì)篇

1第八章絕緣材料

絕緣材料又稱電介質(zhì)。具有1011－1024歐姆·米的電阻率。其主要用途如下：1、隔離作用：隔離不同帶電導(dǎo)體，使其導(dǎo)體中的電流按規(guī)定的方向流動(dòng)。2、儲(chǔ)能作用：在電場(chǎng)中能被極化，與此同時(shí)能將電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能貯存起來。3、其它作用：經(jīng)過加工后，可以起著固定支撐、散熱、滅弧、冷卻、防潮、防霉及保護(hù)導(dǎo)體等作用。2絕緣材料分類按材料來源：天然絕緣材料和人工合成絕緣材料。按材料的化學(xué)成分：有機(jī)絕緣材料和無機(jī)絕緣材料。按電工產(chǎn)品的應(yīng)用：高壓工程絕緣材料和低壓工程絕緣材料。按應(yīng)用或工藝特征：漆、樹脂和膠類；浸漬纖維制品類；層壓制品類；塑料類；云母制品類；薄膜、粘帶和復(fù)合制品類。31、研究電介質(zhì)電氣性能意義設(shè)備絕緣的基礎(chǔ)超高壓大容量電網(wǎng)發(fā)展的要求新材料促進(jìn)電力工業(yè)的進(jìn)步加強(qiáng)絕緣材料的研究，促進(jìn)科技發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)一些電介質(zhì)具有的特殊性能。如不具有對(duì)稱中心的晶體電介質(zhì)，在機(jī)械力的作用下能產(chǎn)生極化，即壓電性；不具有對(duì)稱中心，而具有與其他方向不同的唯一極軸晶體存在自發(fā)極化，當(dāng)溫度變化能引起極化，即具有熱釋電性；自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場(chǎng)的方向而改變，它的極化強(qiáng)度與外施電場(chǎng)的關(guān)系曲線與鐵磁材料磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)的關(guān)系曲線極為相似。這些具有特殊性能的材料可作機(jī)械、熱、聲、光、電之間的轉(zhuǎn)換，在國防、探測(cè)、通信等領(lǐng)域具有極為重要的用途。452、電介質(zhì)電氣性能的劃分

電氣性能有四個(gè)：介電常數(shù)ε

電導(dǎo)ρ

介損tgδ

擊穿強(qiáng)度Eb63、

電介質(zhì)的極化與介電常數(shù)3.1電介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本形式3.2極化與電介質(zhì)3.3電介質(zhì)極化的基本類型3.4電介質(zhì)的介電常數(shù)73.1電介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本形式

形成分子和聚集態(tài)的各種鍵 離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵

電介質(zhì)根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)分為3類： 非極性及弱極性電介質(zhì) 偶極性電介質(zhì) 離子性電介質(zhì)三種化學(xué)鍵的比較化學(xué)鍵概念微粒特征形成條件和規(guī)律示例離子鍵陰陽離子間靜電作用離子無方向性無飽和性形成陰陽離子NaCl、K2O共價(jià)鍵極性鍵非極性鍵配位鍵原子間共用電子對(duì)偏不偏一方提供不同原子相同原子特殊原子有方向性和飽和性不同非金屬元素之間同種非金屬元素之間一方有孤對(duì)電子，一方有空軌道COHXX2

、O2H2O2H3O+NH4+金屬鍵金屬離子和自由電子間的靜電作用金屬離子和自由電子間無方向性無飽和性金屬單質(zhì)和合金相鄰的兩個(gè)或多個(gè)原子之間的強(qiáng)烈相互作用113.2極化與電介質(zhì)

極化概念：電場(chǎng)中有電介質(zhì)時(shí)，由于電場(chǎng)的作用電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生形變，結(jié)果導(dǎo)致電介質(zhì)內(nèi)部電荷分布的變化。這個(gè)過程稱作極化123電介質(zhì)極化基本類型

電介質(zhì)的極化有五種基本形式：

電子位移極化 離子位移極化 轉(zhuǎn)向極化 夾層介質(zhì)界面極化 空間電荷極化

13電子位移極化極化機(jī)理：電子偏離軌道介質(zhì)類型：所有介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-14~~10-15s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 14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)間：極短，10-12~~10-13s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：無15轉(zhuǎn)向極化（偶極極化）極化機(jī)理：極性分子轉(zhuǎn)向介質(zhì)類型：偶極性介質(zhì)建立極化時(shí)間：需時(shí)較長(zhǎng)，10-6~~10-2s極化程度影響因素： 電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)） 電源頻率（有關(guān)） 溫度極化彈性：非彈性；消耗能量：有16

夾層介質(zhì)界面極化概念：合閘瞬間兩層介質(zhì)的電壓比由電容決定。穩(wěn)態(tài)時(shí)分壓比由電導(dǎo)決定。 當(dāng)t=0:

當(dāng)t=∞:夾層介質(zhì)界面極化17

如果則雙層介質(zhì)的表面電荷不重新分配。但實(shí)際上很難滿足上述條件，電荷要重新分配，這樣在兩層介質(zhì)的交界面處會(huì)積累電荷，這種極化形式稱夾層介質(zhì)界面極化。這種極化形式存在于不均勻夾層介質(zhì)中，伴隨有能量損失，夾層界面上電荷的堆積是通過介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，極化建立需時(shí)很長(zhǎng)，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才有意義18極化機(jī)理：帶電質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)介質(zhì)類型：不均勻夾層介質(zhì)中建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)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 19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(zhǎng)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 2021材料極化各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切介質(zhì)直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有空間電荷極化松弛極化離子極化電子極化

工頻聲頻無線電紅外紫外極化率或

極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)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。2526部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)環(huán)境條件 20℃,1atm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液體電介質(zhì)的介電常數(shù)27非極性和弱極性電介質(zhì)：屬于這類的液體電介質(zhì)有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它們的相對(duì)介電常數(shù)都不大，其值在1.8~2.8范圍內(nèi)。偶極性電介質(zhì)：這類介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，其值在3~80范圍，能用作絕緣介質(zhì)的εr值在3~6左右。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，蓖麻油和幾種合成液體介質(zhì)有實(shí)際應(yīng)用。28介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）根據(jù)轉(zhuǎn)向極化的特點(diǎn)，可對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻率變化的趨勢(shì)作出解釋。（1）T不變，f增大εr減小（2）f不變，T升高εr先增大后減小頻率f3>f2>f1固體電介質(zhì)的介電常數(shù)29非極性和弱極性固體電介質(zhì)：此類固體電介質(zhì)的種類很多，聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機(jī)玻璃等都屬此類，這類電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化，介電常數(shù)不大，通常在2.0~2.7范圍。

偶極性固體電介質(zhì)：屬于此類的固體電介質(zhì)有樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等。這類電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，一般為3~6，還可能更大。離子性電介質(zhì)：如陶瓷，云母等，此類電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?r一般在5~8左右303.5討論極化的意義選擇絕緣：對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇?r較大的介質(zhì)。對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇?r較小的介質(zhì)多層介質(zhì)的合理配合：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?r成反比，要注意選擇?r，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)用研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù)：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)、研發(fā)新型材料314、電介質(zhì)的電導(dǎo)特性1電介質(zhì)中的傳導(dǎo)電流2電介質(zhì)中的電導(dǎo)特性3電介質(zhì)傳導(dǎo)電流的測(cè)量4討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義321、

電介質(zhì)中的傳導(dǎo)電流電氣傳導(dǎo)電流概念：是表征單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的電量傳導(dǎo)電流的組成：電介質(zhì)中的傳導(dǎo)電流含漏導(dǎo)電流和位移電流兩個(gè)分量漏導(dǎo)電流：由介質(zhì)中自由的或聯(lián)系弱的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)造成的位移電流：由電介質(zhì)極化造成的吸收電流 33介質(zhì)中的電流與時(shí)間的關(guān)系：吸收電流隨時(shí)間減少，是位移電流，總電流趨向穩(wěn)定值即趨向漏導(dǎo)電流34

體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo) 用三電極法測(cè)量介質(zhì)的體積電阻率ρV為 式中S為測(cè)量電極的面積，d為介質(zhì)厚度，RV由測(cè)量的漏導(dǎo)電流ig及電壓值決定，RV=U/ig。那么介質(zhì)的體積電導(dǎo)率γV則為單位Ω.cm35單位Ω介質(zhì)的表面電阻率和電導(dǎo)率：l代表兩電極間距，b代表電極長(zhǎng)。實(shí)際測(cè)量時(shí)用平行電極存在極間場(chǎng)強(qiáng)不均勻的問題需加保護(hù)電極36由體積電阻率劃分各種介質(zhì)的結(jié)果導(dǎo)電狀態(tài)超導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率[Ω·cm]

10-6~10-210-2~109109~1022介質(zhì)

金屬無機(jī)、有機(jī)物無機(jī)、油、有機(jī)37氣體電介質(zhì)中的電流密度—場(chǎng)強(qiáng)特性分成三個(gè)區(qū)域區(qū)域1：E≈5×10-3V/cm，電流密度j隨著E增加而增加；區(qū)域2：當(dāng)E進(jìn)一步增大，j趨向飽和；以上兩者的電阻率約1022Ω?cm量級(jí)。區(qū)域3：當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過E2≈103V/cm時(shí)，氣體電介質(zhì)將發(fā)生碰撞電離，從而使氣體電介質(zhì)電導(dǎo)急劇增大液體電介質(zhì)的電導(dǎo)38液體中極化發(fā)展快，吸收電流衰減快電導(dǎo)構(gòu)成：離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo)非極性液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率1018Ω?cm弱極性1015Ω?cm偶極性1010Ω?cm~1012Ω?cm，由于損耗太大，實(shí)際不使用。強(qiáng)極性如水、乙醇等實(shí)際上已是離子性導(dǎo)電液，不能用作絕緣材料離子性電導(dǎo)隨溫度的升高而增加39液體電介質(zhì)中電壓——電流特性區(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，與氣體相似，有一平坦區(qū)域區(qū)域3：場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增大超過某一極限，電極發(fā)射電子引起電流激增，最終擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)40固體介質(zhì)中電流的吸收現(xiàn)象比較明顯產(chǎn)生固體電介質(zhì)電導(dǎo)的機(jī)理和規(guī)律和液體類似，只是沒有電泳電導(dǎo)對(duì)于離子性電介質(zhì)，電導(dǎo)的大小和離子本身的性質(zhì)有關(guān)，單價(jià)小離子（Li+,Na+,K+）束縛弱，易形成電流，因而含單價(jià)小離子的固體電介質(zhì)的電導(dǎo)較大固體電介質(zhì)的電導(dǎo)除與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還和材料的宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

纖維性材料或多孔性材料因易吸水，一般電阻率較小固體介質(zhì)的電阻率41結(jié)構(gòu)緊密，潔凈的離子性電介質(zhì)，電阻率為1017Ω?cm~~1019Ω?cm結(jié)構(gòu)不緊密且含單價(jià)小離子的離子性電介質(zhì)的電阻率僅達(dá)1013Ω?cm~~1014Ω?cm非極性或弱極性介質(zhì)主要由雜質(zhì)離子造成電導(dǎo)。純凈介質(zhì)的電阻率可達(dá)1017Ω?cm~~1019Ω?cm偶極性電介質(zhì)，因本身能解離，此外還有雜質(zhì)離子共同決定電導(dǎo)，故電阻率較小，較佳者可達(dá)1015Ω?cm~~1016Ω?cm42固體電介質(zhì)的電壓－電流特性

區(qū)域1：符合歐姆定律，也稱低場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域區(qū)域2：電流隨場(chǎng)強(qiáng)非線性增加區(qū)域3：出現(xiàn)破壞先導(dǎo)電流區(qū)域2、3也稱高場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域和液體、氣體不同，固體中的電壓－電流特性沒有飽和狀態(tài) 43

固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)固體介質(zhì)除了體積電阻外，還存在表面電導(dǎo)。干燥清潔的固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)很小，表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引起。介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以介質(zhì)表面電導(dǎo)也是介質(zhì)本身固有的性質(zhì)討論電導(dǎo)的意義44

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、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣狀況；

直流電壓下分層絕緣時(shí)，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率，實(shí)現(xiàn)各層之間的合理分壓；

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。455、電介質(zhì)中的能量損耗及介質(zhì)損失角正切

在直流電壓作用下介質(zhì)的的損失僅有漏導(dǎo)損失，可用體積電阻率ρV或表面電導(dǎo)率ρS表征在交流電壓作用下介質(zhì)的損失除了漏導(dǎo)損失外，還有極化損失，僅有ρV或ρS就不夠了，需要另外的特征量來表示介質(zhì)在交流電壓作用下的能量損耗

在交流電壓的作用下，流過介質(zhì)的電流I及作用電壓之間關(guān)系的向量圖如圖介質(zhì)的電壓電流向量圖46介質(zhì)損失角正切的概念：由于存在損耗，U和I之間的夾角不再是90o的關(guān)系，IC代表流過介質(zhì)總的無功電流，IR代表流過介質(zhì)的總有功電流，IR包括了漏導(dǎo)損失和極化損失。從直觀看，IR大則損失大，定義一個(gè)新的物理量，即介質(zhì)損失角正切值tgδ來代表介質(zhì)在交流電壓下的損耗tgδ僅反映介質(zhì)本身的性能，和介質(zhì)的幾何尺寸無關(guān)介質(zhì)的電壓電流向量圖47并聯(lián)等值回路中：tg

=IR/IC=1/

CpRP=U2/R=

CpU2tg

串聯(lián)等值回路中：tg

=Ur/Uc=

CsrP=I2r=電介質(zhì)的串并聯(lián)等值回路

分析介質(zhì)在交流電壓作用下的能量損耗，常用兩種等值回路。并聯(lián)等值回路和串聯(lián)等值回路分別如圖所示

討論損耗的意義48(1)選擇絕緣。tg

過大會(huì)引起絕緣介質(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，甚至導(dǎo)致熱擊穿。如用蓖麻油制造的電容器就因?yàn)閠g

大，而僅限于直流或脈沖電壓下使用，不能用于交流(2)預(yù)防性試驗(yàn)中判斷絕緣狀況。如果絕緣受潮或劣化，tg

將急劇上升，在預(yù)防試驗(yàn)中可通過tg

～U的關(guān)系曲線來判斷是否發(fā)生局部放電(3)當(dāng)tg

大的材料需加熱時(shí)，可對(duì)材料加交流電壓，利用材料本身介質(zhì)損耗的發(fā)熱。該方法加熱非常均勻，如電瓷生產(chǎn)中對(duì)泥坯加熱即用這種方法擊穿強(qiáng)度Eb絕緣材料在電場(chǎng)作用下喪失絕緣性能的現(xiàn)象稱為擊穿。在規(guī)定的試驗(yàn)條件下絕緣體發(fā)生擊穿時(shí)的電壓稱為擊穿電壓，用Ub表示。在均勻電場(chǎng)中用介電強(qiáng)度Eb表示。Eb=Ub/d49在氣、固、液三種電介質(zhì)中，固體密度最大，耐電強(qiáng)度也最高固體電介質(zhì)的擊穿過程最復(fù)雜，且擊穿后是唯一不可恢復(fù)的絕緣耐電強(qiáng)度：空氣的耐電強(qiáng)度一般在3—4kV/mm左右；液體的耐電強(qiáng)度在10—20kV/mm；而固體的耐電強(qiáng)度在10—幾百kV/mm；普遍規(guī)律：任何介質(zhì)的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發(fā)展起來的，這里的缺陷指電場(chǎng)的集中，也指介質(zhì)的不均勻性51電介質(zhì)的