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文檔簡介
在電氣作用下,電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣特性可分為兩大類:
弱電場:電場強度比擊穿場強小得多電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等電氣特性
強電場:電場強度等于或大于起始放電場強或擊穿場強電介質(zhì)的放電、閃絡(luò)、擊穿特性第二章液體和固體介質(zhì)的電氣特性電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場作用下的(液體、固體)導(dǎo)電性能介電性能電氣強度液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣。常用的液體和固體介質(zhì):
液體介質(zhì):變壓器油、電容器油、電纜油固體介質(zhì):絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠第一節(jié)電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗
電介質(zhì)的極化
電介質(zhì)的電導(dǎo)
電介質(zhì)的損耗
一、電介質(zhì)的極化
電介質(zhì)的極化:電介質(zhì)在電場作用下,正負(fù)電荷的定向移動圖6.1極化現(xiàn)象(a)電極間為真空(b)電極間有固體介質(zhì)在外施電場作用下,此固體介質(zhì)中原來彼此中和的正、負(fù)電荷產(chǎn)生了位移,形成電距,使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷,相應(yīng)地便在極板上另外吸住了一部分電荷Q’,所以極板上電荷增多,并造成電容量增大
放置固體介質(zhì)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(zhì)的介電常數(shù)
εr---介質(zhì)的相對介電常數(shù)
A---極板面積,cm2
d---極間距離,cm
εr是反映電介質(zhì)極化特性的一個物理量。圖6.1極化現(xiàn)象(a)電極間為真空(b)電極間有固體介質(zhì)對于平行平板電容器,極間為真空時:可見,氣體εr接近于1,液體和固體的εr各不相同,大多在2~6之間。(一)電子式極化
在外電場的作用下,介質(zhì)原子中的電子軌道將相對于原子核發(fā)生彈性位移。正負(fù)電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應(yīng)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。圖6-2電子式極化
電子式極化存在于一切電介質(zhì)中,它的特點:
完成極化需要的時間極短,10-15s;
外場消失,整體恢復(fù)中性,所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗,不會使介質(zhì)發(fā)熱;
其介電系數(shù)有負(fù)的溫度系數(shù),但溫度影響極小,工程上忽略。(二)離子式極化
固體有機化合物大多屬離子式結(jié)構(gòu),無外電場時,晶體的正、負(fù)離子對稱排列,各個離子對的偶極矩互相抵消,故平衡極矩為零。圖6-3離子式極化
在出現(xiàn)外電場后,正、負(fù)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(zhì)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(fù)原狀;2、所需時間很短,其幾乎與外電場頻率無關(guān)。圖6-3電子式極化溫度對離子式極化的影響: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)。1、離子間的結(jié)合力會隨溫度的升高而減小,從而使極化程度增強;(三)偶極子式極化
極性電介質(zhì):偶極子是正、負(fù)電荷作用中心不重合的分子,分子本身有一個永久性的偶極矩,由極性分子組成的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。
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(a)所示,宏觀電矩等于零,因而整個介質(zhì)對外并不表現(xiàn)出極性。
出現(xiàn)外電場后,原先排列雜亂的偶極子將沿電場方向轉(zhuǎn)動,作較有規(guī)則的排列,如圖(b)所示,因而顯示出極性。這種極化稱為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。
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(zhì)的值與電源頻率有較大關(guān)系偶極子極化與頻率f的關(guān)系:圖6-5
頻率太高時,偶極子將來不及轉(zhuǎn)動,因而其值變小,如圖所示。其中相當(dāng)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(dāng)f=f2
時,偶極子已完全不跟著電場轉(zhuǎn)動了,這時只存在電子式極化,減小到圖6-5
對極性液體和固體介質(zhì),溫度很低時,分子間聯(lián)系緊密,偶極子轉(zhuǎn)動比較困難,所以很小。液體、固體介質(zhì)的在低溫下先隨溫度的升高而增大,以后當(dāng)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。圖6-6偶極子極化與溫度t的關(guān)系:(四)夾層介質(zhì)界面極化
凡是由不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結(jié)構(gòu),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(dǎo)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(zhì)的等值電容增大,這種極化稱為夾層介質(zhì)界面極化,簡稱夾層極化。t=0時合上開關(guān),電壓分配與電容成比例:圖6-7夾層介質(zhì)界面極化現(xiàn)象一般即C1、C2上的電荷需要重新分配
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
由于這種極化涉及電荷的移動和積聚,必然伴隨能量損耗,而且過程較慢,一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時,所以這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來
用于電容器的絕緣材料,顯然希望選用εr大的電介質(zhì),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(shè)備中往往希望選用εr較小的電介質(zhì),這是因為較大的εr,往往介質(zhì)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了解電介質(zhì)的極化在工程上的意義
在幾種絕緣材料組合使用時,應(yīng)注意各種材料的εr的配合,使電場分布較為合理二、電介質(zhì)的電導(dǎo)
電導(dǎo)率表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量,其倒數(shù)為電阻率。按載流子的不同,電介質(zhì)的電導(dǎo)又可分為:2、電子電導(dǎo):1、離子電導(dǎo):(1)液體介質(zhì)的電導(dǎo)中性和弱極性液體,在純凈時,電導(dǎo)很小,而當(dāng)含有雜質(zhì)和水分時,其電導(dǎo)顯著增加,絕緣性能下降,其電導(dǎo)主要由雜質(zhì)離子構(gòu)成。極性和強極性液體介質(zhì),其分解作用很強,離子數(shù)多,電導(dǎo)很大;一般情況下,不能作絕緣材料。液體的分子結(jié)構(gòu)、極性強弱、純凈程度、介質(zhì)溫度等對電導(dǎo)影響很大,各種液體電介質(zhì)的電導(dǎo)可能相差懸殊,工程上常用的變壓器油、漆和樹脂等都屬于弱極性。(2)固體介質(zhì)的電導(dǎo)固體介質(zhì)電導(dǎo)由離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩部分。離子電導(dǎo)很大程度取決于介質(zhì)中所含雜質(zhì),特別是對中性及弱極性介質(zhì),雜質(zhì)離子起主要作用。當(dāng)電場很高時,由于碰撞電離和陰極電子發(fā)射,電子電導(dǎo)急增,預(yù)示絕緣接近擊穿。中性和弱極性介質(zhì),水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很小,水分不易在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜,而只能凝聚成小水滴,故表面電阻較高,電導(dǎo)較小,稱這類介質(zhì)為憎水性介質(zhì)。極性介質(zhì)及離子性介質(zhì),水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很強,在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜,表面電導(dǎo)較大,且與濕度有關(guān),稱這類介質(zhì)為親水性介質(zhì)。固體、液體介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度T的關(guān)系:式中:A、B
為與介質(zhì)有關(guān)的常數(shù),其中固體介質(zhì)的常數(shù)B
通常比液體介質(zhì)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)律上升理論和實踐都已證明:三、電介質(zhì)的損耗(一)電介質(zhì)的損耗的基本概念介質(zhì)損耗:在電場作用下電介質(zhì)中總有一定的能量損耗,包括由電導(dǎo)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(zhì)損耗直流下:電介質(zhì)中沒有周期性的極化過程,只要外加電壓還沒有達(dá)到引起局部放電的數(shù)值,介質(zhì)中的損耗將主要由電導(dǎo)組成,所以用體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率就能說明問題;交流電壓下:除了電導(dǎo)損耗外,還有由于周期性極化而引起的能量損耗。交流時:流過電介質(zhì)的電流此時介質(zhì)的功率損耗:式中:—電源角頻率;-功率因數(shù)角;-介質(zhì)損耗角。圖6-8
:代表介質(zhì)的無損極化(電子式和離子式極化):代表介質(zhì)的有損極化(偶極子式和夾層界面極化):代表電導(dǎo)損耗圖6-9電介質(zhì)的三支路等值電路和相量圖
介質(zhì)損耗角δ為功率因數(shù)角的余角,其正切tgδ又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù),常用百分?jǐn)?shù)(%)來表示。通常采用介質(zhì)損耗角正切tgδ作為綜合反映電介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的一個指標(biāo)。與介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr一樣,它是僅決定于材料損耗特性與其他外界因素?zé)o關(guān)的物理量(二)氣體、液體和固體介質(zhì)的損耗1、氣體介質(zhì)損耗
氣體中的電場強度達(dá)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。氣體介質(zhì)的tgδ與電場強度的關(guān)系
損耗主要由電導(dǎo)引起,其損耗率(單位體積電介質(zhì)的功率損耗)為:式中:-電介質(zhì)的電導(dǎo)率,S/cm;E-電場強度V/cm。(W/cm2)
與溫度有指數(shù)關(guān)系,P0也以指數(shù)規(guī)律隨溫度的上升而增大2、液體介質(zhì)損耗(1)中性和弱極性液體介質(zhì)
在低溫時,極化損耗和電導(dǎo)損耗都較小,隨著溫度的升高,液體的粘度減小,偶極子轉(zhuǎn)向極化增加,電導(dǎo)損耗也在增大,所以總的亦上升,并在t=t1時達(dá)到極大值;(2)極性液體介質(zhì)
在t1<t<t2的范圍內(nèi),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(dǎo)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(dá)到極小值。
在t>t2以后,由于電導(dǎo)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。3.固體介質(zhì)損耗(1)無機絕緣材料:云母、陶瓷、玻璃
云母:由電導(dǎo)引起損耗,介質(zhì)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(dǎo)損耗,又有極化損耗;20oC和50Hz時,=2%~5%;玻璃:電導(dǎo)損耗+極化損耗,損耗與玻璃成分有關(guān)。(2)有機絕緣材料可分為非極性和極性
非極性有機電介質(zhì):只有電子式極化,損耗取決于電導(dǎo);其與頻率幾乎無關(guān)
極性有機電介質(zhì):極化損耗使總損耗較大;其與溫度、頻率的變化關(guān)系與極性液體介質(zhì)相似討論介質(zhì)損耗的意義
設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)時,應(yīng)注意絕緣材料的tg
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