第九章 第三節(jié) 介質(zhì)損耗

第九章高壓設(shè)備的絕緣試驗(yàn)第三節(jié)介質(zhì)損耗1、電介質(zhì)的極化2、電介質(zhì)的導(dǎo)電3、電介質(zhì)的損耗4、電介質(zhì)的擊穿主要內(nèi)容極化（polarization），指事物在一定條件下發(fā)生兩極分化，使其性質(zhì)相對(duì)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(chǎng)作用下，電介質(zhì)顯示電性的現(xiàn)象。理想的絕緣介質(zhì)內(nèi)部沒有自由電荷，實(shí)際的電介質(zhì)內(nèi)部總是存在少量自由電荷，它們是造成電介質(zhì)漏電的原因。一般情形下，未經(jīng)電場(chǎng)作用的電介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)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(chǎng)的作用下，束縛電荷的局部移動(dòng)導(dǎo)致宏觀上顯示出電性，在電介質(zhì)的表面和內(nèi)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?cè)瓉淼碾妶?chǎng)。1、電子式極化電子式極化存在于所有電介質(zhì)中。由于電子異常輕小，完成極化所需的時(shí)間極短，約10-15s，極化響應(yīng)速度極快，通常相當(dāng)于紫外線頻率范圍。電子式極化具有彈性。一旦外電場(chǎng)減小時(shí)，依靠正、負(fù)電荷之間的吸引力，其作用中心立即重合而恢復(fù)成中性。電子式極化所消耗的能量可忽略不計(jì)，稱為“無損極化”。2.離子式極化

在離子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，則除了促使各個(gè)離子內(nèi)部產(chǎn)生電子式極化之外，還將產(chǎn)生正負(fù)離子的相對(duì)位移，使正負(fù)離子按照電廠的方向進(jìn)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(shí)間也很短，約10-13s，其極化響應(yīng)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(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子受到電場(chǎng)力的作用而轉(zhuǎn)向電場(chǎng)的方向，這種極化被稱為偶極子式極化，或轉(zhuǎn)向極化。4.

空間電荷極化---有損極化

由于電介質(zhì)中會(huì)存在一些可以遷徙的電子或離子，因而在電場(chǎng)作用下這些帶電質(zhì)點(diǎn)將會(huì)發(fā)生移動(dòng)，并聚積在電極附近的介質(zhì)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(diǎn)：消耗能量，為有損極化；僅在低頻下發(fā)生，相當(dāng)于電導(dǎo)。5.夾層極化---有損極化夾層極化是多層電解質(zhì)組成的復(fù)合絕緣中產(chǎn)生的一種特殊的空間電荷極化。在高電壓工程中，許多設(shè)備的絕緣都是采用這種復(fù)合絕緣，如電纜、電容器、電機(jī)和變壓器的繞組等，在兩層介質(zhì)之間常有油層、膠層等形成多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于不均勻的或含有雜質(zhì)的介質(zhì)，或者受潮的介質(zhì)，事實(shí)上也可以等價(jià)為這種夾層介質(zhì)來看待。夾層介質(zhì)在電場(chǎng)作用下得極化稱為夾層極化，其極化過程特別緩慢，所需時(shí)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(zhì)的介電常數(shù)不同，其電導(dǎo)率也不同，當(dāng)加上電壓后各層間的電場(chǎng)分布將會(huì)出現(xiàn)從加壓初始瞬時(shí)按介電常數(shù)成反比分布，逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)的按電導(dǎo)率成反比分布，由此在各層電介質(zhì)中出現(xiàn)了一個(gè)電壓重新分配的過程，最終導(dǎo)致在各層介質(zhì)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(zhì)的極化2、電介質(zhì)的導(dǎo)電3、電介質(zhì)的損耗4、電介質(zhì)的擊穿主要內(nèi)容電介質(zhì)在直流電壓U作用下，開始有較大的電流，一段時(shí)間后極化過程結(jié)束，電流趨于一穩(wěn)定值I∞，與之對(duì)應(yīng)的電阻稱為絕緣電阻R∞，它的倒數(shù)稱為絕緣電導(dǎo)。1、電介質(zhì)的極化2、電介質(zhì)的導(dǎo)電3、電介質(zhì)的損耗4、電介質(zhì)的擊穿主要內(nèi)容介質(zhì)中有電流渡過，一定有能量損耗處于電場(chǎng)中的電介質(zhì)，單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量定義為電介質(zhì)功率損耗，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。第三節(jié)電介質(zhì)的損耗

一、電介質(zhì)損耗的基本概念二、介質(zhì)損耗因素（）圖1-10電介質(zhì)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(zhì)損耗在直流電壓作用下，產(chǎn)生損耗是由電導(dǎo)中的電流（漏導(dǎo)電流）引起P=IU二、交流電壓作用的介質(zhì)損耗在交流電壓作用下，產(chǎn)生損耗的原因比較復(fù)雜，除電導(dǎo)引起損耗外，不有因介質(zhì)的反復(fù)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(gè)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(zhì)損耗的等值電路及計(jì)算公式等值電路功率因數(shù)角介質(zhì)角正切或損耗因數(shù)1、對(duì)某一被試器，C一定，若U、ω為不變數(shù)，則介質(zhì)損耗上tgδ決定。因此，tgδ和介電常數(shù)、電導(dǎo)率一樣，屬材料本身的特性參數(shù)，它是衡量介質(zhì)本身在電場(chǎng)中將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽〒p耗）的一個(gè)宏觀物理參數(shù)。2、高壓或高頻下，應(yīng)選用tgδ小的材料，以防止過度發(fā)熱導(dǎo)致熱擊穿。3、只有計(jì)算意義，等值電路并不能確切地反映介質(zhì)內(nèi)部的物理過程。三、影響電介質(zhì)損耗的因素1)材質(zhì)（極化）2)溫度3）頻率4）電壓5）濕度圖9-8極性介質(zhì)介損與溫度和頻率的關(guān)系1-對(duì)于與頻率f1的曲線；

2-對(duì)應(yīng)于頻率f2的曲線（f1

＜f2

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

θ<

θz)，因分子熱運(yùn)動(dòng)加快，防礙了偶極子轉(zhuǎn)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(shí)，tano降到最小值。θ>θ2后，極化損耗不再是主要因素，介質(zhì)損耗主要由電導(dǎo)損耗決定，故介質(zhì)損耗又隨溫度上升而增加三、影響電介質(zhì)損耗的因素1)材質(zhì)（極化）2)溫度3）頻率圖9-8極性介質(zhì)介損與溫度和頻率的關(guān)系1-對(duì)于與頻率f1的曲線；

2-對(duì)應(yīng)于頻率f2的曲線（f1

＜f2

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