1、第五章 液體和固體介質(zhì)的電氣特性第一節(jié) 液體和固體介質(zhì)的極化、電導和損耗 第二節(jié) 液體介質(zhì)的擊穿 第三節(jié) 固體介質(zhì)的擊穿 第四節(jié) 組合絕緣的電氣強度液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設備的內(nèi)絕緣，常用的液體和固體介質(zhì)為：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、硅橡膠電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場作用下的 導電性能 介電性能 電氣強度表征參數(shù)：電導率 (絕緣電阻率 ) 介電常數(shù) 介質(zhì)損耗角正切 擊穿電場強度第一節(jié) 液體和固體介質(zhì)的極化、電導和損耗電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)的電導 電介質(zhì)的損耗一、電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應于電場方向產(chǎn)

2、生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。介電常數(shù)來表示極化強弱。對于平行平板電容器，極間為真空時： r是反映電介質(zhì)極化特性的一個物理量。下面的表3-1列出了常用電介質(zhì)的r值（20C時）可見，氣體r接近于1，液體和固體大多在26之間。用于電容器的絕緣材料，顯然希望選用r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。 其他電氣設備中往往希望選用r較小的電介質(zhì)，這是因為較大的r往往和較大的電導率相聯(lián)系，因而介質(zhì)損耗也較大。采用r較小的絕緣材料還可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓等。在高壓電氣設備中常常將幾種絕緣材料組合在一起使用，這時應注意各種材料的r值之間的配合，因為在工頻交流電壓和沖

3、擊電壓下，串聯(lián)的多層電介質(zhì)中的電場強度分布與串聯(lián)各層電介質(zhì)的r成反比。 最基本的極化型式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化等三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等?，F(xiàn)簡要介紹如下：(一)電子式極化 電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，有兩個特點：完成極化需要的時間極短； 外場消失，整體恢復中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會使介質(zhì)發(fā)熱。(二) 離子式極化固體無機化合物大多屬離子式結構，無外電場時，晶體的正、負離子對稱排列，各個離子對的偶極矩互相抵消，故平衡極矩為零。 在出現(xiàn)外電場后，正、負離子將發(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

4、場消失后即恢復原狀； 2、所需時間很短，其 幾乎與外電場頻率無關。溫度對離子式極化的影響： 1、離子間的結合力會隨溫度的升高而減小，從而使極化程度增強； 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)。(三)偶極子極化極性電介質(zhì)：分子具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，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動，作較有規(guī)則的排列，如圖所示，因而顯示出極性。這種極化稱

5、為偶極子極化或轉向極化。偶極子極化與頻率f 的關系：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，1010102s，所以極性電介質(zhì)的 值與電源頻率有較大關系。頻率太高時，偶極子將來不及轉動，因而其 值變小，如圖所示。其中 相當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f f2 時，偶極子已完全不跟著電場轉動了，這時只存在電子式極化， 減小到 。偶極子極化與溫度t的關系：溫度升高時，分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質(zhì)有負的溫度系數(shù)。對液體和固體介質(zhì)，溫度很低時，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉

6、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。(四)夾層極化凡是由不同介電常數(shù)和電導率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結構，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，電壓分配與電容成正比：t= ,電壓分配將與電導成反比：可見，隨著時間t的增加，U1下降而U2增高，總的電壓U保持不變。這就意味著C1要通過G

7、1放掉一部分電荷，而C2要通過G1從電源再補充一部分電荷。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，電荷積聚過程所形成的電流稱為吸收電流。 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。二、電介質(zhì)的電導電導率表征電介質(zhì)導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)的電導又可分為離子電導和電子電導兩種。1、電子電導：一般很微弱，因為介質(zhì)中自由電子數(shù)極少；如果電子電流較大，則介質(zhì)已被擊穿。2、離子電導： 本征離子電導：極性電介質(zhì)有較大的本征

8、離子電導，電阻率10101014 雜質(zhì)離子電導：在中性和弱極性電介質(zhì)中，主要是雜質(zhì)離子電導，電阻率101710193、電泳電導：載流子為帶電的分子團，通常是乳化狀態(tài)的膠體粒子（例如絕緣油中的懸浮膠粒）或細小水珠，他們吸附電荷后變成了帶電粒子。4、表面電導：對于固體介質(zhì)，由于表面吸附水分和污穢存在表面電導，受外界因素的影響很大。所以，在測量體積電阻率時，應盡量排除表面電導的影響，應清除表面污穢、烘干水分、并在測量電極上采取一定的措施。固體、液體介質(zhì)的電導率 與溫度T 的關系：式中：A、B 為與介質(zhì)有關的常數(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

9、, 隨溫度T 按指數(shù)規(guī)律上升。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到引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將僅由電導組成，所以可用體積電導率和表面電導率說明問題，不必再引入介質(zhì)損耗這個概念了。總電流表示在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間變化的曲線，稱為吸收曲線。可采用并聯(lián)等值電路或串聯(lián)等值電路來分析并聯(lián)電導損耗串聯(lián)介質(zhì)損耗此時功率損耗為：與式（3-7）所得介質(zhì)損耗完全相同。2、串聯(lián)等值電路有損電介

10、質(zhì)可用一只理想的無損耗電容 和一個電阻r 相串聯(lián)的等值電路來代替，如圖所示。(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。2.液體介質(zhì)損耗（1）中性和弱極性液體介質(zhì)損耗主要由電導引起，其損耗率（單位體積電介質(zhì)的功率損耗）為：在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小，隨著溫度的升高，液體的粘度減小，偶極子轉向極化增加，電導損耗也在增大，所以總的 亦上升，并在tt1時達到極大值；在t1tt2以后，由于電導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：既有電導損耗，又有極化損耗；20C和50Hz時 25；