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高电压第5章 液体和固体介质的电气特性-PPT文档资料

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高电压工程基础施围课件第5章-液体和固体介质的电气特性ppt.ppt

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高电压工程基础
（4）电压形式的影响 杂质形成小桥所需的时间，比气体放电所需时间长，因
此油间隙的冲击击穿强度比工频击穿强度要高得多。极不 均匀电场中冲击系数约为1.4~l.5，均匀场中可达2或更高。
-1.2/50μs波
+1.2/50μs波
工频电压
稍不均匀电场中变压器油的击穿电压与间距的关系
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
2. 极化
概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中
和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现
了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。
分类：
电子式极化 离子式极化
无损极化
偶极子极化 界面极化
有损极化
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
5.1 电介质的极化、电导与损耗
5.1.1 电介质的极化
1. 介电常数、相对介电常数
平行平板电容器在真空中的电容量为 C 0
（4）用固体介质减小油中杂质的影响 常用措施为覆盖 层、绝缘层和屏障。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。

5-液体和固体介质的电气特性

5-液体和固体介质的电气特性

高电压工程基础
（2）电介质电导与金属电导的本质区别 电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和 杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电 介质电导是离子性电导；而金属的电导是由金属导体 中的自由电子造成的，所以是电子性电导。 电介质的电导很小，其电阻率一般为109～1022Ω·cm; 而金属的电导很大，其电阻率仅为10-6～10-2Ω·cm。
并联等效电路
串联等效电路
等效电路只有计算上的意义，并不反映介质损 耗的物理过程。
高电压工程基础
并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的 比值。 串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的 比值。
IR U /R 1 U2 tan ；P C pU 2 tan I C U C p RC p R
高电压工程基础
温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧 密，不易极化。温度较高时，分子热运动加剧，妨
碍极性分子沿电场方向取向，所以随温度增加极化
程度先增加后降低。
高电压工程基础
4、电介质的相对介电常数
Q0 0 A 对于平行平板电容器，极间为真空时： C0 U d
电极间放置固体介质时，电容 量将增大为： Q0 Q A
高电压工程基础
介质损耗为： P Q tan U 2C tan
P 值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同 试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切 tanδ（介质损耗因数）来判断介质的品质。 tanδ仅反 映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关。
高电压工程基础
有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电 路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电 路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起， 常用串联等值电路。

5-液体和固体介质的电气特性2014luo

5-液体和固体介质的电气特性2014luo

3. 讨论电介质极化的意义
① 选择绝缘 在实际选择绝缘时，除考虑电气强度外，还应考虑介电常 数εr 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选 择εr较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择εr较小的介质
② 材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣 化和热击穿的一个重要因数。 介质损耗越大，绝缘材料越易劣化，老化，而被击穿。
ε 注意：通常前一种影响较大， r一般具有正的温度系数。
⑶ 偶极子极化
极化机理
无外电场时：极性分子的 偶极子因热运动而杂乱无 序的排列着，宏观电矩为 零，整个介质对外不表现 出极性；
在出现外电场后：杂乱的 偶极子将沿电场方向转动， 有规则的排列，显示出极 性。介质内部电场与外加 电场相反。
描述电导的物理量——电导率γ或电阻率ρ
电介质电导与金属电导的本质区别
➢ 电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和 杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电 介质电导是离子性电导；而金属的电导是由金属导体 中的自由电子造成的，所以是电子性电导。
➢ 电介质的电导很小，其电阻率一般为109～1022Ω·cm; 而金属的电导很大，其电阻率仅为10-6～10-2Ω·cm。
间常数为 =(C1+C2)／(G1+G2)。由于电导G的数值很小， 因而时间常数 很大，极化速度非常缓慢。当介质受潮， 电导增大， 将大大降低，极化速度加快。
同理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也是十分缓 慢的。因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充 分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危及 人身安全。
在电缆芯处使用εr较大的材料，可减
小电缆芯处场强，电缆中电场分布均 匀一些，从而提高整体的耐电强度。

2013 第5章 液体和固体介质的电气特性

2013 第5章 液体和固体介质的电气特性

高电压工程基础
2. 离子式极化
极化机理：正负离子位移 介质类型：离子性介质 建立极化时间：极短，10-12~10-13 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）
极化弹性：弹性
消耗能量：无
高电压工程基础
3. 偶极子极化
极化机理：偶极子定向排列
高电压工程基础
（1）气体介质的损耗 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的 损耗是由电导引起的，损耗极小（tanδ <10-8），所 以可以做电容器介质。 但当外施电压U超过电晕起始电压U0时，将发生局 部放电，损耗急剧增加，如图所示。线路电晕损耗
高电压工程基础
（2）液体介质的损耗 中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。 极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损耗， 所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。
Q0 Q ' A C U d

Q Q0 U
Q Q0 Q ' U
(b)
相对介电常数： ' Q Q r C 0 0 C0 Q0
高电压工程基础
5.2 液体介质的击穿
纯净的液体介质：击穿过程与气体击穿的过程很相似，但 其击穿场强高（很小的均匀场间隙中可达到1MV/cm） 工程用的液体介质：击穿场强很少超过300kV/cm，一般 在200kV/cm~250kV/cm的范围内（以上击穿场强值均指在 标准试油杯中所得数据） 原因：工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引 起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”， 引起击穿，即“小桥理论”。
高电压工程基础

高电压第5章+液体和固体介质的电气特性

高电压第5章+液体和固体介质的电气特性
2、所需时间很短，其 r 几乎与外电场频率无关。
温度对离子式极化的影响：
1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从 而使极化程度增强；
2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程
度减弱。通常前一种影响较大，故其 r 一般具有
正的温度系数。
(三)偶极子极化
极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永 不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。例如蓖麻 油、橡胶、酚醛树脂和纤维素等都是常用的极性绝缘材料 .
偶极子极化 有损极化
界面极化
(一)电子式极化
在外电场的作用下，介质原 子中的电子轨道将相对于原子 核发生弹性位移。正负电荷作 用中心不再重合而出现感应偶 极矩，这种极化称为电子式极 化或电子位移极化。 其极化强度与正、负电荷作
用中心间的距离d成正比，且随
外电场的增强而增大
电子式极化的特点:
电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点： 完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。
紧密，偶极子转动比较困难，所以 r很小。液体、固
体介质的
在低温下先随温度的升高而增大，以后当
r
热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电
场取向，使极化减弱， r 又开始随着温度的上升而
减小。
如图为极性液体、固体介质的 r 与温度的
关系。
(四)夹层极化
凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成 的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始 时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。 在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一 些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称 为夹层介质界面极化，简称夹层极化。
纤维素 酚醛树脂 聚氯乙稀
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第5章 液体和固体介质的电气特性
液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用
的液体和固体介质为：
液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻
璃、硅橡胶 电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能
介电性能 电气强度
描述电介质（绝缘材料属于电介质）电气特性的四大表征参数：
例如选择电容器的绝缘介质时，除要求Eb高以外还希望ε大，以提高电容器
的储能密度。但对电缆则正好相反，希望绝缘介质的ε小以减小电缆的充电电
流。
再如直流电容器和脉冲电容器可选用tanδ大的极性介质；而交流电容器则不
可，因为tanδ太大会引起热击穿。
第5章 液体和固体介质的电气特性
• • • • • 5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化
电导率
(绝缘电阻率 )
介电常数

介质损耗角正切
击穿电场强度
tg
Eb
所有气体介质的相对介电常数均近似等于1，其电导
和介质损耗在未发生放电时均可忽略不计。所以对气体
绝缘介质只关心其击穿强度。
固体和液体电介质则不同，它们的ε、γ、和
tanδ的特
性也是决定其能否被用作绝缘材料的重要因素。
出现外电场后，原先排列
杂乱的偶极子将沿电场方 向转动，作较有规则的排 列，如图所示，因而显示
出极性。这种极化称为偶
极子极化或转向极化。
偶极子极化与频率f 的关系：
偶极子极化是非弹性的，
极化过程需要消耗一定的能
量，极化所需的时间也较长，
10－10～10－2s，所以极性电
介质的
值与电源频率
r
+ + + + + + +
E 0
-
-
-
-
-
-
-
极 化 前
极 化 后
1. 各种气体的εr均接近于l，而常用的液体、固体介质 的εr大多在2~6之间。 2. 各种介质的εr与温度、电源频率的关系也各不相同，
这与极化的形式有关。
最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶 极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化 等。现简要介绍如下： 电子式极化
电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点：
完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。
所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。
(二) 离子式极化
固体无机化合物大多属离子式 结构，如云母、陶瓷材料等。 无外电场作用时，每个分子的 正、负离子的作用中心是重合 的，故不呈现极性。在外电场 作用下，正、负离子发生偏移， 使整个分子呈现极性 。
t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：
U1 U2
U1 U2
C2 G2 一般 C1 G1
t 0
C2 C1
G2 G1
G1 G2 C1 C2
t= ,电压分配将与电导成反比：
t
U
即C1、C2上的电荷需要
重新分配，设C1< C2，而G1>G2，则
由上面两式：
A
G1 C1
P G2 U C2
正的温度系数。
(三)偶极子极化
极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永 不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。例如蓖麻 油、橡胶、酚醛树脂和纤维素等都是常用的极性绝缘材料
.
当没有外电场时，单个的
偶极子虽然具有极性，但各
个偶极子均处在不停的热运
动之中，整个介质对外并不
呈现极性。
离子式极化的特点：
1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；
2、所需时间很短，其
r 几乎与外电场频率无关。
温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从 而使极化程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程 度减弱。通常前一种影响较大，故其 r 一般具有
5.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗
电介质的极化
电介质的电导
电介质的损耗
Q 0A 5.1.1、电介质的极化 0 C 0 U d 对于平行平板电容器，极间为真空时：
放置固体介质时,电容量将增大为:
C 相对介电常数： r C 0 0
ε0---真空的介电常数 εr---介质的相对介电常数
离子式极化 无损极化 有损极化
偶极子极化
界面极化
(一)电子式极化
在外电场的作用下，介质原
子中的电子轨道将相对于原子
核发生弹性位移。正负电荷作 用中心不再重合而出现感应偶 极矩，这种极化称为电子式极 化或电子位移极化。
其极化强度与正、负电荷作
用中心间的距离d成正比，且随 外电场的增强而增大
电子式极化的特点:
r
热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电
又开始随着温度的上升而
如图为极性液体、固体介质的 r 与温度的 关系。
(四)夹层极化
凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成
的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始
时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。
在电压重新分配的程中，夹层界面上会积聚起一 些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称 为夹层介质界面极化，简称夹层极化。
' Q Q A C 0 U d
d
---极间距离，cm
---介质的介电常数
A ---极板面积，cm2 ε
电介质的极化是即在外加电场的作用下，固体介质 中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩， 使介质表面出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，因 而使电容量增大。介电常数来表示极化强弱。
B
t=0时，
U1>U2
时， U1<U2 t
可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，总的电
压U保持不变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电
荷，而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷。
于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，这就
是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程所形成
有较大关系，频率很高时偶
极子来不及转动，因而其εr
减小
偶极子极化与温度t的关系： 温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电 场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。 对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系
紧密，偶极子转动比较困难，所以 r很小。液体、固
体介质的 r 在低温下先随温度的升高而增大，以后当 场取向，使极化减弱， 减小。