第九章 第三節(jié) 介質損耗

第九章高壓設備的絕緣試驗第三節(jié)介質損耗1、電介質的極化2、電介質的導電3、電介質的損耗4、電介質的擊穿主要內容極化（polarization），指事物在一定條件下發(fā)生兩極分化，使其性質相對于原來狀態(tài)有所偏離的現(xiàn)象。如分子極化(偶極矩增大)、光之極化(偏振)、電極極化等。外電場作用下，電介質顯示電性的現(xiàn)象。理想的絕緣介質內部沒有自由電荷，實際的電介質內部總是存在少量自由電荷，它們是造成電介質漏電的原因。一般情形下，未經(jīng)電場作用的電介質內部的正負束縛電荷平均說來處處抵消，宏觀上并不顯示電性。在外電場的作用下，束縛電荷的局部移動導致宏觀上顯示出電性，在電介質的表面和內部不均勻的地方出現(xiàn)電荷，這種現(xiàn)象稱為極化，出現(xiàn)的電荷稱為極化電荷。這些極化電荷改變原來的電場。1、電子式極化電子式極化存在于所有電介質中。由于電子異常輕小，完成極化所需的時間極短，約10-15s，極化響應速度極快，通常相當于紫外線頻率范圍。電子式極化具有彈性。一旦外電場減小時，依靠正、負電荷之間的吸引力，其作用中心立即重合而恢復成中性。電子式極化所消耗的能量可忽略不計，稱為“無損極化”。2.離子式極化

在離子式結構的電介質中，當有外電場作用時，則除了促使各個離子內部產生電子式極化之外，還將產生正負離子的相對位移，使正負離子按照電廠的方向進行有序排列，形成極化，這種極化稱為離子式極化

完成離子式極化所需的時間也很短，約10-13s，其極化響應速度通常在紅外線頻率范圍，亦可在所有頻率范圍發(fā)生。離子式極化也具有彈性，亦屬于無損極化。3.偶極子式極化—有損極化在極性分子結構的電介質中，當有外電場作用時，偶極子受到電場力的作用而轉向電場的方向，這種極化被稱為偶極子式極化，或轉向極化。4.

空間電荷極化---有損極化

由于電介質中會存在一些可以遷徙的電子或離子，因而在電場作用下這些帶電質點將會發(fā)生移動，并聚積在電極附近的介質界面上，形成客觀的空間電荷積累，因此這種極化稱為空間電荷極化。特點：消耗能量，為有損極化；僅在低頻下發(fā)生，相當于電導。5.夾層極化---有損極化夾層極化是多層電解質組成的復合絕緣中產生的一種特殊的空間電荷極化。在高電壓工程中，許多設備的絕緣都是采用這種復合絕緣，如電纜、電容器、電機和變壓器的繞組等，在兩層介質之間常有油層、膠層等形成多層介質結構。對于不均勻的或含有雜質的介質，或者受潮的介質，事實上也可以等價為這種夾層介質來看待。夾層介質在電場作用下得極化稱為夾層極化，其極化過程特別緩慢，所需時間由幾秒到幾十分鐘，甚至更長，且極化過程伴隨有較大的能量損耗，所以也屬于有損極化。夾層極化的發(fā)生是由于各層電解質的介電常數(shù)不同，其電導率也不同，當加上電壓后各層間的電場分布將會出現(xiàn)從加壓初始瞬時按介電常數(shù)成反比分布，逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時的按電導率成反比分布，由此在各層電介質中出現(xiàn)了一個電壓重新分配的過程，最終導致在各層介質的交界面上出現(xiàn)宏觀上的空間電荷堆積，形成所謂的夾層極化。1、電介質的極化2、電介質的導電3、電介質的損耗4、電介質的擊穿主要內容電介質在直流電壓U作用下，開始有較大的電流，一段時間后極化過程結束，電流趨于一穩(wěn)定值I∞，與之對應的電阻稱為絕緣電阻R∞，它的倒數(shù)稱為絕緣電導。1、電介質的極化2、電介質的導電3、電介質的損耗4、電介質的擊穿主要內容介質中有電流渡過，一定有能量損耗處于電場中的電介質，單位時間內消耗的能量定義為電介質功率損耗，簡稱介質損耗。第三節(jié)電介質的損耗

一、電介質損耗的基本概念二、介質損耗因素（）圖1-10電介質的并聯(lián)等值電路及相量圖（a）等值電路；（b）相量圖一、直流電壓作用的介質損耗在直流電壓作用下，產生損耗是由電導中的電流（漏導電流）引起P=IU二、交流電壓作用的介質損耗在交流電壓作用下，產生損耗的原因比較復雜，除電導引起損耗外，不有因介質的反復極化引起的損耗P=UicosφU、I均為有效值φ為功率因數(shù)角，電流超前電壓一個角度φ，一般小于90°C電壓越高，電流越大，損耗越多三、研究介質損耗的等值電路及計算公式等值電路功率因數(shù)角介質角正切或損耗因數(shù)1、對某一被試器，C一定，若U、ω為不變數(shù)，則介質損耗上tgδ決定。因此，tgδ和介電常數(shù)、電導率一樣，屬材料本身的特性參數(shù)，它是衡量介質本身在電場中將電場能轉變?yōu)闊崮埽〒p耗）的一個宏觀物理參數(shù)。2、高壓或高頻下，應選用tgδ小的材料，以防止過度發(fā)熱導致熱擊穿。3、只有計算意義，等值電路并不能確切地反映介質內部的物理過程。三、影響電介質損耗的因素1)材質（極化）2)溫度3）頻率4）電壓5）濕度圖9-8極性介質介損與溫度和頻率的關系1-對于與頻率f1的曲線；

2-對應于頻率f2的曲線（f1

＜f2

）介損與溫度的關系決定于介質的結構。中性或弱極性介質的損耗主要來源于電導，故tgδ隨溫度升高而增大。由于極性介質具有電導和極化兩種損耗，在某一溫度范圍內，以極化損耗為主。先觀察頻率f1這根曲線，溫度較低（<θ1)時，兩種損耗都很小，且都隨溫度增高而增大，當溫度等于θ1時，極化損耗達到最大值;以后隨著溫度的升高(θ1<

θ<

θz)，因分子熱運動加快，防礙了偶極子轉向極化，故極化損耗大大減弱，tano隨溫度升高而減小，直至溫度等于θz時，tano降到最小值。θ>θ2后，極化損耗不再是主要因素，介質損耗主要由電導損耗決定，故介質損耗又隨溫度上升而增加三、影響電介質損耗的因素1)材質（極化）2)溫度3）頻率圖9-8極性介質介損與溫度和頻率的關系1-對于與頻率f1的曲線；

2-對應于頻率f2的曲線（f1

＜f2

）介損與頻率的關系圖9-8還給出了頻率為f2時的tanδ=f(θ)的，f2>f1。這說明，對某一種絕緣材料，頻率增大時，tanδ=f(θ)曲線形狀不變，但極值往溫度升高方向移動，其原因是:在較高頻率下，偶極子不易充分轉向，要使轉向進行得更充分，只得升高溫度，減小粘滯性，故峰值點和整條曲線向右移動。三、影響電介質損耗的因素1)材質（極化）2)溫度3）頻率4）電壓圖9-9含有氣隙的介質的與電壓的關系介損與電壓的關系當外加電壓較低時，tanδ不隨電壓變化而改變。但如絕緣有缺陷，如存在氣泡時，則當外加電壓高于空氣的起始電離電壓時，空氣產生游離，介質損耗劇增。如圖9-9所示。故可利用這一特性，通過測量tanδ和電壓的關系曲線，判斷絕緣內是否有分層、裂縫等局部缺陷。例如對電機絕緣就要測定不同電壓下的tanδ值進行比較以資判斷。三、影響電介質損耗的因素1)材質（極化）2)溫度3)頻率4)電壓5)