高電壓技術(shù)電介質(zhì)極化與介電常數(shù)課件

電介質(zhì)的電氣性能研究電介質(zhì)電氣性能意義設(shè)備絕緣的基礎(chǔ)超高壓大容量的發(fā)展新材料促進了電力工業(yè)的進步我國絕緣材料發(fā)展的現(xiàn)狀加強絕緣材料的研究，促進科技發(fā)展電介質(zhì)電氣性能的劃分

四個電氣性能：電介質(zhì)極化特性、電介質(zhì)損耗特性、電氣傳導(dǎo)特性、電氣擊穿特性

介電特性：

電氣傳導(dǎo)特性：

如載流子移動、高場強下的電氣傳導(dǎo)機理等；主要物理量為絕緣電導(dǎo)和泄漏電流

電氣擊穿特性：

包括擊穿機理、劣化、電壓-時間特性曲線（V-t）等；主要物理量為擊穿場強

電介質(zhì)極化機理，主要物理量為介電常數(shù)ε電介質(zhì)損耗機理，主要物理量為介損tgδNa11281離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)

(巖鹽)

NaCl共價鍵+

中性共價鍵極性共價鍵

H+=H一、電介質(zhì)的極化及介電常數(shù)

極化概念：電場中有電介質(zhì)時，由于電場的作用電介質(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。這個過程稱作極化

偶極子(dipole)：單位體積電介質(zhì)在施加電場前內(nèi)部的電荷是均勻分布的，在電場的作用下這些電荷發(fā)生位移，這個單位體積就形成一對偶極子。

極化強度：偶極子的扭矩稱作極化強度P。

極化電荷(polarizationcharge)：

ρP是電場作用下電介質(zhì)內(nèi)部呈現(xiàn)的電荷密度，稱作極化電荷。

均勻極化(uniformpolarization)：

絕緣體內(nèi)部任何地方電荷的位移相同時叫做均勻極化。這些電荷由于是極化引起的，不能單獨取出來

真實電荷：與之相對應(yīng)，導(dǎo)體中帶電的電荷可以自由地取出，稱作真實電荷。

具備有這種特性的物質(zhì)稱作電介質(zhì)

由P可得每單位體積的電荷量：一、電子的位移極化

當(dāng)物質(zhì)原子里的電子軌道受到外電場E的作用時，其負電荷作用中心相對于原子核產(chǎn)生位移，形成電矩，稱電子的位移極化。特點：1、電子位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中2、具有彈性，當(dāng)外電場去掉后，依靠正、負電荷間的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性3、極化速度快，10--14~10--15秒，在各種頻率的交變電場下均能產(chǎn)生，與頻率無關(guān)4、極化強度與電矩的大小成正比，且隨著外電場的增強而增大5、與溫度無關(guān)6、不引起能量損耗極化機理：二、離子的位移極化

在外電場作用下，正、負離子發(fā)生偏移，使整個分子呈現(xiàn)極性，正負離子的中心之間產(chǎn)生電矩，稱離子的位移極化極化機理：

特點：1、有彈性，可恢復(fù)2、極化完成時間約為l0-12-10-13s，當(dāng)交變電場的頻率低于紅外線光頻率，離子的位移極化與頻率無關(guān)3、極化程度與電場強度成正比4、溫度對離子式極化的影響，存在著相反的兩種因素；即離子間結(jié)合力隨溫度升高而降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，則使極化程度降低。通常前一種因素影響較大5、有極微量的能量損耗

特點：1、有彈性，可恢復(fù)2、與頻率有關(guān)，極化完成時間約為l0-6-10-2s，甚至更長，有可能跟不上交變電場的變化，使極化率減小3、與外加電場有關(guān)，外電場越強，極性分子的轉(zhuǎn)向排列就越整齊，轉(zhuǎn)向極化就越強4、與溫度有關(guān)，對于極性氣體介質(zhì)：溫度高時，分子熱運動加劇，妨礙極性分子沿電場方向取向，使極化減弱。對于液體、固體介質(zhì)：則溫度過低時，由于分子間聯(lián)系緊(例如粘度很大)，分子難以轉(zhuǎn)向．極化較弱。所以極性液體、固體介質(zhì)在低溫下先隨溫度的升高極化加強，以后當(dāng)熱運動變得較強烈時，極化又隨溫度上升而減小5、有能量損耗四、夾層極化

高電壓設(shè)備的絕緣由幾種不同的材料組成，或介質(zhì)不均勻，這種情況會出現(xiàn)“夾層介質(zhì)界面極化”現(xiàn)象。合閘時：穩(wěn)態(tài)時：當(dāng)：則：

存在電壓從新分配，電荷在介質(zhì)空間從新分布，夾層界面有電荷堆積的過程，從而產(chǎn)生電矩極化機理：設(shè)：T=0時:T時：整個介質(zhì)等值電容：增大了五、空間電荷極化極化機理：正負離子移動介質(zhì)類型：含離子和雜質(zhì)離子的介質(zhì)建立極化時間：很長極化程度影響因素： 電場強度（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 E空間電荷極化-_+++__名

稱產(chǎn)生極化的地方、特征等到達平衡的時間發(fā)生極化的原因電子式極化離子式極化偶極子極化夾層介質(zhì)界面極化空間電荷極化任何物質(zhì)的原子中離子組成的物質(zhì)極性分子組成的物質(zhì)復(fù)合介質(zhì)的交界面電極近旁10-15秒10-13秒10-10~10-2秒數(shù)秒~數(shù)日數(shù)秒~數(shù)日束縛電荷的位移

自由電子的移動電介質(zhì)極化的概要材料類別名稱相對介電常數(shù)εr（20℃）氣體介質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)大氣條件）空

氣1.00058液體介質(zhì)弱極性變壓器油硅有機液體2.2~2.52.2~2.8極

性蓖麻油氯化聯(lián)苯4.54.6~5.2強極性丙

酮酒

精水223381固體介質(zhì)中性或弱極性石

蠟聚苯乙烯聚四氯乙烯松

香瀝

青2.0~2.52.5~2.62.0~2.22.5~2.62.6~2.7極

性纖維素膠

水聚氯乙烯瀝

青6.54.53.0~3.52.6~2.7離子性云

母電瓷5~75.5~6.5幾種介電質(zhì)的介電常數(shù)

電介質(zhì)極化應(yīng)用實例一：平行平板電極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時未發(fā)生間隙擊穿，當(dāng)板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板（εr=2.3）時，問此時會發(fā)生間隙擊穿現(xiàn)象否？為什么？并請計算插入聚乙烯板前后的各介質(zhì)中的電場分布。

解： (1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm (2)插入后：Vs/Va=εa/εs，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV) Es=16.7kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV) Ea=38.3kV/cm>30kV/cm的空氣擊穿場強 故插入聚乙烯板后空氣間隙擊穿

電介質(zhì)極化應(yīng)用實例二：對于同軸電纜，可采用多層介質(zhì)，在靠近內(nèi)電極處采用介電常數(shù)大的好處是什么？為什么？從介電常數(shù)的角度來分析油紙絕緣在套管中是如何改善電場分布的。目前固體絕緣的套管方興未艾，你是如何考慮材料的選擇呢？

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。部分氣體的相對介電常數(shù)環(huán)境條件 20℃,1atm氣體種類相對介電常數(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)

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。它們的相對介電常數(shù)都不大，其值在1.8～2.8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)系相似

偶極性電介質(zhì)：這類介質(zhì)的相對介電常數(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)有實際應(yīng)用

固體電介質(zhì)的介電常數(shù)

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、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機玻璃等都屬此類，這類電介質(zhì)只有電子式極化