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第一章 电介质的极化、电导和损耗

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高电压技术期末考试复习题

高电压技术期末考试复习题

高电压技术期末考试复习题第一章电介质的极化、电导和损耗和第二章气体放电理论1)流注理论未考虑的现象是表面游离2)先导通道的形成是以的出现为特征。

（C）A．碰撞游离 B．表面游离 C．热游离 D．光游离3)电晕放电是一种。

（A）A．自持放电 B．非自持放电 C．电弧放电 D．均匀场中放电4)气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为（C）A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表面游离5)以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？（D）A.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨6)以下哪种材料具有憎水性？（A）A.硅橡胶B.电瓷C.玻璃D金属7）极性液体和极性固体电介质的相对介电常数与温度和电压频率的关系如何？为什么？答：极化液体相对介电常数在温度不变时，随电压频率的增大而减小，然后就见趋近于某一个值，当频率很低时，偶极分子来来得及跟随电场交变转向，介电常数较大，当频率接近于某一值时，极性分子的转向已经跟不上电场的变化，介电常数就开始减小。

在电压频率不变时，随温度的升高先增大后减小，因为分子间粘附力减小，转向极化对介电常数的贡献就较大，另一方面，温度升高时分子的热运动加强，对极性分子的定向排列的干扰也随之增强，阻碍转向极化的完成。

极性固体介质的相对介电常数与温度和频率的关系类似与极性液体所呈现的规律。

8）电介质电导与金属电导的本质区别为何？答：①带电质点不同：电介质为带电离子（固有离子，杂质离子）；金属为自由电子。

②数量级不同：电介质的γ小，泄漏电流小；金属电导的电流很大。

③电导电流的受影响因素不同：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。

9）简要论述汤逊放电理论。

答：设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于α过程，电子总数增至eαd 个。

假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（eαd －1）个正离子。

《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗

《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗


I
I IR IC
IR
IC
～U
I
U
IR
R CP
IC
δ
φ U
在交流电压的作用下，流过电介质的电流 I 包含有功分量IR 和无功分量 IC ，即
I IR IC
此时的介质功率损耗：
P UI cos UIR UIC tan U 2CP tan 式中：ω——电源角频率
φ——功率因数角
δ——介质损耗角 tanδ又称为介质损耗因数
二、气体、液体和固体介质的损耗
1、气体介质损耗 当外加电场还不足以引起电离过程，气体中只存在很小的 电导损耗（ tanδ〈10-8）；但当气体中的电场强度达到放电起 始场强E0时，气体中将发生局部放电，这时的损耗将急剧增大。
2、液体介质损耗
中性和弱极性液体介质（如变压器油）的极化损耗很小，其
主要损耗由电导引起，因而其单位体积损耗率P0可用下式求得
在电场作用下没有能量损耗的理想电介质是不存在的，实 际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某 些有损极化（偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称介 质损耗。
在直流电压的作用下，电介质中没有周期性的极化过程， 只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗 将仅由电导所引起，所以用体积电导率和表面电导率两个物理 量就已能充分说明问题，不必再引入介质损耗这个概念。
强， 具有正r 的温度系数。
三、偶极子极化
有些电介质的分子，如蓖麻油、松香、橡胶、胶木等，在 无外电场作用时，其正负电荷作用中心是不重合的，这些电介 质称为极性电介质。
电介质
组成极性电介质的每一个分
电极
子成为一个偶极子（两个电荷
极），在外电场作用时，由于偶
6电介质的极化、电导与损耗课件

6电介质的极化、电导与损耗课件

(4)、夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可 用来判断绝缘受潮情况。
电介质的电导
表面电阻RS测试电路
绝缘介质中泄漏电流产生的主要原因：离子导电，而不 是电子导电。
绝缘电阻具有负温度系数。温度越高，参与漏导的离子 (介质本身的或杂质的)越多，则泄漏电流越大，所以绝 缘电阻具有负的温度系。
(1)解离，液体分子或杂质分子在 电场作用下解离为离子；
(2)电极逸出电子，由于高电场的 作用或由于肖特基效应(指在电场作 用下热电子发射增加)从电极逸出电 子；
(3)碰撞电离，与气体中产生电子碰撞电离的情况相 似，在液体中的电子亦因高电场作用被加速到能在碰撞液 体分子时使液体分子电离。当液体中含有气体时，因为气 体中的碰撞电离容易发生，击穿先在气体中发生，击穿电 压亦与为离子； (2)电子的碰撞电离。
3、泊尔 弗仑开尔效应
固体的能带理论指出：固体中的电子被限制在不连续的能带中。 各相邻的能带都由能量间隔互相隔开。在由共价键结合的晶体介质 中，正常情况的各价电子占据充满满带。由晶体缺陷所产生的盈余 电子则处于较高的能带中，这个能带称为导带或空带，处于这个能 带的电子可以在介质中自由活动。导带和满带之间的能量间隔称为
c ：介质的介电常数
此时，单位面积极板上的电荷为：
相对介电常数定义：
在式
令：
极化强度及其物理意义
中
P：极化强度
极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。
2、电介质极化种类 极化的基本形式：
(1)、电子位移极化 (2)、离子位移极化 (3)、偶极子转向极化 (4)、热离子极化 (5)、夹层介质界面极化 (6)、空间电荷极化
禁带。
两种导电粒子形成电子电导： 在电场作用下满带中的电子沿电场的反方向移动而填 充空穴，而填充空穴的电子又在它原来的位置上留下空穴， 即空穴将沿电场方向移动。所以这种场合，将由导带中的 传导电子和满带中的空穴一起形成电导，称为电子电导。
电介质的电导

电介质的电导

固体介质的表面电导?除体积电导外介质还有表面电导由于介质表面吸附一些水分尘埃或导电性的化学沉淀物形成的
1.3 电介质的电导 １．定义：在电场的作用下，由带电 质点（电子、正负离子）沿电场方向 移动而造成的。 要点：带电质点主要是正负离子， 也称离子式电导 表示，γ↑→泄漏电流大 。
2019/1/12 第一章 电介质的极化、电导和损耗
３．影响电介质电导的因素 气体电介质与游离有关。 液体和固体电解质 (１) 温度：温度↑ ａ．热运动加剧→迁移率↑→γ↑ ｂ．分子或离子热离解↑→γ↑ 经验公式 γ＝Ａｅ－Ｂ／Ｔ （２）电场强度 Ｅ<Ｅ0 时，γ几乎不变， Ｅ>Ｅ0时，γ与Ｅ呈指数关系。 （３）杂质 中性介质的电导一般主要由杂质引起（离子数↑） →γ↑； 固体介质受潮（加入强极性杂质）→γ↑。
2019/1/12
第一章 电介质的极化、电导和损耗
4 ．固体介质的表面电导 除体积电导外介质还有表面电导 －－由于介质表面吸附一些水分、尘 埃或导电性的化学沉淀物形成的．水 分起着特别重要作用。 亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面 电导大 ； 憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚 苯乙烯）表面电导小。
2019/1/12 第一章 电介质的极化、电导和损耗
2019/1/12 第一章 电介质的极化、电导和损耗
２．电介质电导与金属电导的本质区别 （１）带电质点不同：电介质为带电离 子（固有离子，杂质离子）；金属为自由 电子。 （２）数量级不同：电介质的γ小，泄 漏电流小；金属电导的电流很大。 （３）电导电流的受影响因素不同：电 介质中由离子数目决定，对所含杂质、温 度很敏感；金属中主要由外加电压决定， 杂质、温度不是主要因素。
《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗

《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗

为什么呢？
电介质放入极板间,就要受到电场的作用,介质原
子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生 位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而 不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面 呈现出与极板上电荷相反的电的极性来，即靠近正极 板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正 的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚 电荷。正由于靠近极板两表面出现束缚电荷，根据异 极性电荷相吸的规律，要从电源再吸收等量的异极性 电荷Q′到极板上，这就导致Q=Q0+ Q′＞Q0。
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r 大的电介质，因 为这样可使电容的体积减小和重量减轻。但其他电气设备中往
往希望选用 r 较小的电介质，这是因为较大的 r往往和较大的 电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用 r 较小的绝缘材料
还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。
在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用， 这时应注意各种材料的r 值之间的配合，因为在工频交流电压 和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与各层电 介质的r 成反比。
四、空间电荷极化
上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理与上述不同，它是带电质点（电子或正、 负离子）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
当开关S和上，两电介质 都发生极化。由于电介 质不同，极化程度也不 同，故交界面处积聚的 异号电荷不相等。如： 介质Ⅰ下部边缘处积聚 的正电荷比介质Ⅱ上部 边缘处积聚的负电荷多 的话，则在两介质交界 面处显示出正的电极性 来。这种使夹层电介质 分界面上出现电荷积聚 的过程称为夹层极化。
最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极 化和空间电荷极化等。
2 电介质的极化、电导和损耗

2 电介质的极化、电导和损耗

-
极化前
极化后
5
四、空间电荷极化（夹层介质界面极化）
夹层介质界面极化概念 ： 当t=0:
U1 C2 U 2 C1
G1 G2 C1 C 2
U
当t=∞: U 1 G2 U 2 G1
A
G1
P G2
B
C1
U C2
6
一般有
C 2 G2 C1 G1
电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积 累电荷，这种极化形式称夹层介质界面极化。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成 的，高压绝缘介质的电导通常都很小，这种性质 的极化只有在低频时才有意义
又如电机定子线圈出槽口和套管等情况，如果固体绝 缘材料的r减小，则交流下沿面放电电压可以提高。
16
2. 多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与 其 r成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分布较均匀 ，从而达到绝缘的合理应用
3. 材料的介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是影 响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。
பைடு நூலகம்



液体的分子结构、极性强弱，、纯净程度、介质温度等对 电导影响很大，各种液体电介质的电导可能相差悬殊，工 程上常用的变压器油、漆和树脂等都属于弱极性。
30
液体电介质中电压－电流特性
区域1：液体电介质的 电导在电场比较小的 情 况 下，遵循欧姆定 律 区域2：随着场强的增 大 ， 与气体相似，有 一平坦区域 区域3：场强继续增大 超过某一极限 ，电极 发射电子引起电流激 增，最终击穿

极性介质（如云母、玻璃等）及离子性介质，水分子与固体介质分子 的附着力很强，在介质表面形成连续水膜，表面电导较大，且与湿度有 关。称这类介质为亲水性介质。
高电压技术(第1章)

高电压技术(第1章)


极化、电导和损耗：在外加电压相对较低（不超 过最大运行电压）时，电介质内部所发生的物理 过程。
这些过程发展比较缓慢、稳定，所以一直被 用来检测绝缘的状态。此外，这些过程对电介质 的绝缘性能也会产生重要的影响。
击穿：在外加电压相对较高（超过最大运行电压） 时，电介质可能会丧失其绝缘性能转变为导体， 即发生击穿现象。
离子式结构的固体电介质的体积电导则主要 由离子在热运动影响下脱离晶格移动所形成。
影响固体电介质体积电导的主要因素 电场强度
场强较低时，加在固体介质上的电压与流过 的电流服从欧姆定律。场强较高时，电流将随电 压的增高而迅速增大。
因固体介质发生碰撞游离的场强高，在发生 游离前阴极就能发射电子，形成电子电导，故流 过固体介质的电流不存在饱和区。 温度
荷。
二、电介质极化的概念和极化的种类
极化：无论何种结构的电介质，在没有外电场 作用时，其内部各个分子偶极矩的矢量和平均 来说为零，电介质整体上对外没有极性。
当外电场作用于电介质时，会在电介质沿 电场方向的两端形成等量异号电荷，就像偶极 子一样，对外呈现极性，这种现象称为电介质 的极化。
电介质极化的四种基本形式：
温度升高时，体积电导按指数规律增大。 杂质
杂质含量增大时，体积电导也会明显增大。
固体电介质的表面电导主要是由附着于介质表 面的水分和其他污物引起的。
固体电介质的表面电导与介质的特性有关：
亲水性介质，容易吸收水分，水分可以在其表 面形成连续水膜，如玻璃、陶瓷就属此类。
憎水性介质，不容易吸收水分，水分只能在其 表面形成不连续的水珠，不能形成连续水膜，如石 蜡、硅有机物就属此类。
电负性相等或相差不大的两个或多个原子相 互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子， 这种化学键就称为共价键。
高电压技术总复习

高电压技术总复习

⾼电压技术总复习第⼀章电介质的极化、电导和损耗⼀、掌握电介质极化的基本形式及特点（1）极化：电介质中的带电质点在电场作⽤下沿电场⽅向作有限位移现象。

（2）电⼦位移极化：负电荷的作⽤中⼼与正电荷的作⽤中⼼不再重合主要特点：1、极化所需时间极短；2、极化具有弹性，不产⽣能量损耗；3、温度对极化的影响较⼩。

（3）离⼦位移极化：在外电场E作⽤下，正、负离⼦将发⽣⽅向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。

离⼦式极化的特点：1、极化过程极短；2、极化具有弹性，⽆能量损耗；3、温度对极化有影响：（4）偶极⼦极化：在外电场的作⽤下，偶极⼦受到电场⼒的作⽤⽽发⽣转向，顺电场⽅向作有规律的排列，靠电极两表⾯呈现出电的极性。

偶极⼦式极化的特点：1、极化所需时间极长，故极化与频率有较⼤的关系；2、极化属⾮弹性，有能量损耗；3、温度对极化影响很⼤：极性⽓体介质具有负的温度系数；（5）空间电荷极化：是带电质点（电⼦或正、负离⼦）的移动形成的。

最典型的空间电荷极化是夹层极化。

夹层极化的特点：1、极化所需时间长，故夹层极化只有在低频时才有意义。

具有夹层绝缘的设备断开电源后，应短接进⾏彻底放电以免危及⼈⾝安全，⼤容量电容器不加电压时也应短接；2、极化涉及电荷的移动和积聚，所以必然伴随能量损耗。

⼆、介质的相对介电常数ε0 ——真空的介电常数=8.86×10-14F/cm三、掌握电介质损耗的基本概念、介质损耗因数tanδ概念采⽤介质损耗⾓正切tanδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的⼀个指标，测量和监控各种电⼒设备绝缘的tanδ值已成为电⼒系统中绝缘预防性试验的最重要项⽬之⼀。

第⼆章⽓体放电的物理过程⼀、掌握⽓体中带电粒⼦的产⽣和消失1 ⽓体中带电质点的产⽣途径：电⼦获得⾜够的能量跳出最外层轨道，成为⾃由电⼦。

产⽣带电离⼦的过程称为电离（游离），它是⽓体放电的⾸要前提。

⼀是⽓体本⾝发⽣电离（游离）；⼆是⽓体中的固体或液体⾦属发⽣表⾯电离（游离）。

极化、电导和损耗

极化、电导和损耗


•
绝缘内部是否存在局部放电,也可以通过 tg与U的关
系曲线加以判断.
小结
• 电介质的损耗包括电导损耗和极化损耗; • 气体中的损耗主要是电导损耗,损耗极小; • 中性和弱极性液体和固体介质的损耗主要为电 导损耗, tg 较小. • 极性液体和固体介质的损耗为电导损耗和极化 损耗, tg 较大.
tg
较大;
离子结构的固体介质,结构紧密时主要是电导损耗,tg 较 小;结构不紧密时,有离子松弛极化, tg 较大.
• 固体电介质的损耗和温度\频率\外加电压的关系与液体介
质类似.
电介质的损耗在工程上的意义
• (1)选择绝缘.设计绝缘结构时,必须注意绝缘材料的 tg ,过 大会引起严重发热,使材料容易恶化,甚至导致热击穿; • (2)在绝缘预防性试验中判断绝缘状况.当绝缘良好时,电 导很小, tg 很小;当绝缘受潮或劣化时,电导增大, tg 急 剧增大.通过判断 tg 来判断绝缘的状况.
缘性能的好坏.
• 在外加电压的大小,频率,试品尺寸一定时, • tg 与 P 成正比,故 tg 可反映介质在交流电压下介质损耗的 大小.在实际中,通过实验测得介质损耗角正切,来判断介质 损耗的程度. • 可以用串联或并联等值电路来表示介质损耗.
• 中性和弱极性固体介质的损耗主要为电导损耗, tg 极小; • 极性固体介质的损耗为电导损耗和极化损耗, •
• 一固体电介质加上直流电压,闭合开关后流过电介质的电 流从大到小随着时间衰减,最终稳定于某一数值,此现象为 吸收现象.
• 加上直流电压后,经过一定时间(一般小于1min),极化过程 就结束,此时只存在电导过程,流过电介质的电流等于泄漏 电流,对应的电阻为绝缘电阻.
• 工程中应用测量泄漏电流和绝缘电阻来判断电介质内部绝
第一章 电介质的极化、电导和损耗

第一章 电介质的极化、电导和损耗

电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。介电常数
用于表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：
Q0 0 A C0 U d
(一)电子式极化
在外电场
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
E 的作用下，介质
其值为 m ql （矢量 l 的方向为
降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、tg 增大。一旦 也变得很小。
大到偶极子完全来不及转向时， tg 值变得最小而趋于某一定值，
3.固体介质损耗
(1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃
云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，
是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；
电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20ºC和
的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他 们吸附电荷后变成了带电粒子。 4、表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存 在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积 电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、 烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。
固体、液体介质的电导率 与温度T 的关系：
(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。
极性分子不存在外电场时，极 性分子的偶极子因热运动而杂乱 无序的排列着，如图所示，宏观 电矩等于零，因而整个介质对外
并不表现出极性。
出现外电场后，原先排列杂乱
的偶极子将沿电场方向转动，
以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损
耗这个概念了。
交流：流过电介质的电流
2. 第一章 电介质极化、电导、损耗

2. 第一章 电介质极化、电导、损耗


8
§1.2 电介质的电导
二、影响电介质电导的因素
9
1.电场的影响
2.温度的影响
电场↑
温度↑
杂质↑
电导↑
3.杂质的影响
§1.2 电介质的电导
三、电介质在直流电压作用下的吸收现象
10
一固体电介质加上直流电压 U,可以观察到流过
电介质电流i 从大到小随时间衰减,最终稳定于
某一数值,此现象就称为吸收现象。
也表征了介质损耗的特性。
2.在交流电压下
tgδ表征介质损耗的大小。
17
§1.3 电介质的损耗
三、影晌tgδ的因素 1.频率
18
2.温度
3.电压
ห้องสมุดไป่ตู้
§1.3 电介质的损耗
四、介质损耗在工程应用上的意义 1.选材；
19
2. tgδ值的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本 项目； 3.合理使用设备。
1
第一章 电介质的极化、电导和损耗
2
电介质在电压 (电场 )作用下，会发生极化、电导、 损耗和击穿等现象， 这是电介质的基本电气特性。 认识影响这些电气性能的各种因素以及各现象在 工程中的意义。能帮助我们合理地选择和使用绝缘 材料，同时为后面的绝缘试验提供了理论基础。
§1.1 电介质的极化
一、电介质的极化（基本概念） 电介质在电场作用下，由于束缚电荷的位 移或偶极分子的转向，在介质两端面上出 现等量异号电荷，对外显示电性的现象，
2.采用组合绝缘时选择介电系数合理搭配的绝 缘材料； 3.通过测ε值来判断绝缘材料的受潮情况及含 气泡的多少
§1.2 电介质的电导
一、电介质电导的基本概念 电介质在电场作用下，有一定电流流过的现象， 称为电介质的电导。 这是因为在电介质内部还是存在数量很少的带 电粒子。 表征不同电介质电导过程强弱程度的物理量是 电导率γ(或电阻率ρ)。 电介质的电阻率一般达109～1022Ω•cm，而导体 的电阻率在10-2Ω•cm 以下,可见两者差别之大。

高电压技术(第1章)解析

《高电压技术》第3版常美生主编第一章电介质的极化、电导和损耗概述⏹电介质：指具有很高电阻率（通常为106~1019Ω·m）的材料。

⏹电介质的作用：在电气设备中主要起绝缘作用，即把不同电位的导体分隔开，使之在电气上不相连接。

⏹电介质的分类：按状态可分为气体、液体和固体三类。

其中气体电介质是电气设备外绝缘（电气设备壳体外的绝缘）的主要绝缘材料；液体、固体电介质则主要用于电气设备的内绝缘（封装在电气设备外壳内的绝缘）。

⏹极化、电导和损耗：在外加电压相对较低（不超过最大运行电压）时，电介质内部所发生的物理过程。

这些过程发展比较缓慢、稳定，所以一直被用来检测绝缘的状态。

此外，这些过程对电介质的绝缘性能也会产生重要的影响。

⏹击穿：在外加电压相对较高（超过最大运行电压）时，电介质可能会丧失其绝缘性能转变为导体，即发生击穿现象。

第一节电介质的极化一、电介质的极性及分类⏹分子键：电介质内分子间的结合力。

⏹化学键：分子内相邻原子间的结合力。

根据原子结合成分子的方式的不同，电介质分子的化学键分为离子键和共价键两类。

原子的电负性是指原子获得电子的能力。

电负性相差很大的原子相遇，电负性小的原子的价电子被电负性大的原子夺去，得到电子的原子形成负离子，失去电子的原子形成正离子，正、负离子通过静电引力结合成分子，这种化学键就称为离子键。

电负性相等或相差不大的两个或多个原子相互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子，这种化学键就称为共价键。

离子键中，正、负离子形成一个很大的键矩，因此它是一种强极性键。

共价键中，电负性相同的原子组成的共价键为非极性共价键，电负性不同的原子组成的共价键为极性共价键。

由非极性共价键构成的分子是非极性分子。

由极性共价键构成的分子，如果分子由一个极性共价键组成，则为极性分子；如果分子由两个或多个极性共价键组成，结构对称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。

分子由离子键构成的电介质称为离子结构的电介质。

介质的极化、电导和损耗


高电压技术
第2章 液体的绝缘特性与 介质的电气强度
液体电介质又称绝缘油，在常温下为液态，在 电气设备中起绝缘、传热、浸渍及填充作用，主 要用在变压器、油断路器、电容器和电缆等电气 设备中。在断路器和电容器中的绝缘油还分别有 灭弧和储能作用。
高电压技术
液体电介质的电气强度比气体高；用液体介质代替气体介 质制造的高压电气设备体积小，节省材料；液体介质大多可燃， 易氧化变质，导致电气性能变坏。
高电压技术
1.3 电介质的损耗 ★
1.3.1 电介质的能量损耗 1.3.2 介质损失角正切tgδ 1.3.3 有损介质的等效电路分析 1.3.4 影响介质损耗的因素 1.3.5 讨论tgδ的意义
高电压技术
1.3.1 电介质的能量损耗
在电场作用下没有能量损耗的理想介质不存在， 实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起 的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质损耗。
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特点：在没有外电场时，无极分子没有电偶极矩，分子不显电 性。而在外电场作用下，原来正、负电中心重合的分子，电子 轨道相对于原子核发生偏移，正、负电中心彼此分离。
(2)离子式位移极化
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特点：离子极化又称为原子极化。无外电场时，介质中大量正 负离子组成的离子对的偶极矩相互抵消。而在外电场作用下，
高电压技术
平板电容器的介电常数
平行平板电容器在真空中的电容量为
C0
0A
d
当极板间插入固体介质后，电容量为 C A 0r A
式中 A－极板面积，cm2；
dd
d－极间距离，cm；ε－介质的介电常数
ε0－真空的介电常数，ε0=8.86×10-14F/cm
定义 r
0
C C0

最全的高电压技术各章节选择判断题汇总及答案附期末测试

高电压技术各章选择判断题汇总及答案附期末测试第一章电介质的极化、电导和损耗1.单选题用于电容器的绝缘材料中，所选用的电介质的相对介电常数（）。

A 应较大B 应较小C 处于中间值D 不考虑这个因素A2.单选题偶极子极化（）。

A 所需时间短B 属于弹性极化 C 在频率很高时极化加强D 与温度的关系很大D3.单选题电子式极化（）。

A 所需时间长B 属于弹性极化C 在频率很高时极化加强D 与温度的关系很大B4.单选题离子式极化（）。

A 所需时间长B 属于弹性极化C 在频率很高时极化加强D 与温度的关系很大B5.单选题极化时间最长的是（）。

A 电子式极化 B 离子式极化 C 偶极子极化 D 空间电荷极化D6.单选题极化时伴随有电荷移动的是（）。

A 电子式极化 B 离子式极化C 偶极子极化D 夹层极化D7.单选题夹层极化中电荷的积聚是通过电介质的（）进行的。

A 电容B 电导C 电感D 极化B8.单选题相对介电常数是表征介质在电场作用下（）的物理量。

A 是否极化B 损耗C 击穿D 极化程度D9.单选题对于极性液体介质，温度较低时，随温度的升高，极化（）。

A 减弱B 增强C 先减弱再增强D 不变 B10.单选题用作电容器的绝缘介质时，介质的相对介电常数应（）。

A 大些B 小些C 都可以D 非常小A11.单选题用作一般电气设备的绝缘时，介质的相对介电常数应（）。

A 大些B 小些C 都可以D 非常小B12.单选题表征电介质导电性能的主要物理量为（）。

A 电导率B 介电常数C 电阻D 绝缘系数A13.单选题电介质的电导主要是（）引起的。

A 自由电子B 自由离子C 正离子D 负离子B14.单选题金属导体的电导主要是（）引起的。

A 自由电子B 自由离子C 正离子D 负离子A15.单选题通常所说的电介质的绝缘电阻一般指（）。

A 表面电阻B 体绝缘电阻C 表面电导D 介质电阻B16.单选题直流电压（较低）下，介质中流过的电流随时间的变化规律为（）。

高电压课件 第一章 电介质的极化电导和损耗

第一篇高电压绝缘及试验第一章电介质的极化、电导和损耗1-1电介质的极化根据电介质的物质结构，电介质极化具有以下四种基本类型：电子位移极化；离子位移极化；转向极化；空间电荷极化。

现分别加以说明。

一、电子位移极化E=0电子云负电荷中心原子核感应偶极矩E原子核（a） (b)图1-1-1 电子位移极化（a）极化前；（b）极化后一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子和带负电荷的电子云构成的。

当不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，如图1-1-1（a）所示，此时，感应电矩为零。

当外加一个电场，电场力将使荷正电的原子向电场方向位移，荷负电的电子云中心向电场反方向位移，但原子核对电子云的引力又使两者倾向于重合，当这两种作用力达到平衡时，感应电矩也达到稳定，这个过程叫做电子位移极化。

二、离子位移极化在由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使离子内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。

如图1-1-2示出了氯化钠晶体的离子位移极化。

E图1-1-2 氯化钠晶体的离子位移极化三、转向极化在极性介质中，宏观上对外并不呈现合成电矩，当有外电场时，每个分子的固有偶极矩就有转向电场方向的趋势，顺电场方向做定向排列，但是由于受分子热运动的干透，这种转向定向的排列，只能达到某种程度，而不能完全，随场强和温度的不同，这种转向排列在不同的程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。

四、空间电荷极化在大多数绝缘结构中，电介质往往呈现层式结构（宏观或微观的），电介质中也可能存在晶格缺陷。

在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这种极化称为空间电荷极化。

表1 各种极化形式对比1-2 电介质的介电常数一、 介电常数的物理意义从物理学课程中得知，在真空中，有关系式0D E =ε（1-2-1）式中：E 为场强矢量（V/m ）；D 为电位移矢量（C/m 2）。

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U1 U2

t 0
C2 C1
t=
,电压分配将与电导成反比：
C1< C2，而G1>G2，则由上面两式：
一般C2 G2 即C1、C2上的电荷需要重新分配，设
1 1
C
G
U1 U2
可得：

t 0
C2 C1
U1 U2

t
G2 G1
U1 U2

t
G2 G1
t=0时，
U1>U2
t 时， U1<U2
2）极性电介质：杂质离解和自身分子离解共同作用。
3）离子式电介质：离子在热运动影响下脱离晶格移动 所形成。
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4）影响因素 （1）电场强度： E较小，U和I服从欧姆定律，E较大时，U升高，I 增加速度很快，无饱和区。 （2）温度：T↑,G↑↑ （3）杂质：杂质含量↑,G↑↑ eg:当纸板的含水量增为百分之几时,固体电介 质的体积电导将增大3~4个数量级.
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对于平行平板电容器，极间为真空时：
C0 Q0 0 A U d
电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚 电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向 现象。介电常数来表示极化强弱。
放置固体介质时,电容量将增大为: 相对介电常数： r
C
Q0 Q' A U d
f 增大，曲线向右移动
因为频率高时，偶极子的转向来不及充分进行
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五、电介质损耗在工程上的意义 1、是选择绝缘材料的依据。
2、判断绝缘材料是否受潮、劣化。
3、使用电气设备时注意使用环境的频率、温度和电压 的要求。
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1、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，又称为电 子位移极化。
电子式极化存在于一切电介质中，其特点：
完成极化需要的时间极短，极化与频率无关； 没有能量损耗，外场消失，整体恢复中性； 温度对极化过程的影响很小。
为功率因数角，
是它的余角，称为介质损失角
tg
Ur Ir CS r U C I / CS
I U/R 1 tg R IC UC P CP R
P I 2r
U 2r r (1 CS ) 2
2
P UI R UI C tg U 2Ctg
2、离子式极化：
离子式结构的电介质在无外电场作用时，内部的正、 负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平 衡极矩为零。在出现外电场后，正、负离子将发生方向 相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。
3、偶极子式极化：
每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在 外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电 矩等于零，整个介质对外并不表现出极性 出现外电场后偶极 子沿电场方向转动，作 较有规则的排列， 因而 显出极性，这种极化称 为偶极子极化或转向极 化。
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一、电介质的极性及分类 一些概念： 偶极子 分子键，化学键 正离子，负离子
二、电介质极化的概念和极化的分类
极化：在没有外电场作用时，电介质内部各个 分子偶极矩的矢量和的平均值为0，电介质整 体对外无极性。当施加外电场时，电介质会在 沿电场方向的两端形成等量异号电荷，对外呈 现极性，这个现象称为电介质的极化。 极化的基本形式：电子式极化，离子式极化， 偶极子式极化，空间电荷极化。
Ua≤U＜Ub： I基本饱和，饱和电流为10-19A数量级 Ub≤U＜U0： U↑ I↑↑ U≥U0： U↑ I↑↑↑
气隙被击穿
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三、液体电介质的电导 U＜Ub： U≥Ub： 低电场区，电导很小，一般不考虑 强电场区，考虑电导 在区域b，电流饱和 程度不高，因为液体的密 度大，正负离子复合的机 会大，不可能所有的离子 都运动到电极。
C C0 0
0 ---真空的介电常数
r 是反映电介质极化特性的一个物理量。
r ---介质的相对介电常数 A d

---介质的介电常数 ---极板面积，cm2 ---极间距离，cm
四、相对介电常数的工程意义 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用 r 大的 电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重 量减轻。 其他电气设备中往往希望选用 r 较小的电介质， 这是因为较大的 第二节 电介质的电导 本节内容：
影响液体介质电导的主要因素： 1、温度： 分子离解程度↑，自由离子数↑ T↑ 液体粘度↓，离子运动阻力↓， 离子运动速度↑ 电导↑
2、杂质： 杂质↑ 电导↑
四、固体电介质的电导 固体电介质的电导分为体积电导和表面电导：
内部导电能力 表面导电能力
1、体积电导 1）中性或弱极性电介质：主要由杂质离解所引起。
区域a、b为低电场区， 区域c为高电场区。
低电场下液体电介质的电导： 1、离子电导：由于液体本身的分子和所含的 杂质的分子离解为离子而形成； 2、电泳电导：由于液体中的胶体质点吸附电 荷后变为带电质点而形成； 中性介质和弱极性介质的离子主要来源于 杂质分子的离解，电导比较小，可用作电介 质；极性介质和强极性介质的离子除了杂质分 子的离解外，自身分子也易离解，所以电导比 较大，通常不用做绝缘物质用
2、介质损失角正切 介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗， 包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹 层极化）引起的损耗，总称介质损耗。
在直流电压的作用 下，电介质中没有周期性的极化 过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质 中的损耗将仅由电导所引起，所以用体积电导和表面电导 率两个物理量就已能充分说明问题，不必在引入介质损耗 这个概念了。
P tg
U 2 2 rCS U 2CS tg 2 1 ( rCS ) 1 tg 2 U 2CS tg
Байду номын сангаас
tg 很小
P tg
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由此可见，不管采用哪种电路，只要外加电 tg 与P成正 压大小、频率和试品的尺寸一定时， tg 比，故可用 反映介质在交流电压下损耗的大 小。
可采用并联等值电路或串联等值电路来分析 并联－－电导损耗 串联－－介质损耗
总电流表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流 随时间变化的曲线，称为吸收曲线。
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向量图
上述三支路等值电路可进一步简化为电阻、电容的的并联 等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常 采用并联等值电路；如果介质损耗主要由极化所引起，则常采 用串联等值电路。 并联等值电路 把电流归并成有功电流和无功电流两部分，即可得如下图 所示的并联等值电路，图中CP代表无功电流IC的等值电容、R 代表有功电流IR的等值电阻。 其中
2、表面电导——由附着于介质表面的水分和污物引起 1）亲水性电介质：水可在其表面形成连续水膜。 表面电导大 2）憎水性电介质：水分在其表面只能形成不连续的水 珠。 表面电导小
五、电介质电导在工程上的意义 第三节 电介质的损耗 1、通过测量电介质电导（即为绝缘电阻），可以很容易 判断绝缘是否受潮或者有其他的劣化现象。 本节内容： 电介质的损耗的概念，介质损耗角正切， 气体、液体和固体的电导。
2、注意电介质的电导率的配合。
3、电导引起损耗，对绝缘的影响。
一、介质损耗的基本情况： 1、电介质的等值电路： 对于串联的两层不同均匀介质的平行板电极上突然 加上直流电压后，其等值电路：
图中C1 代表介质 的无损极化（电子式 和离子式极化），C2 —R2 代表各种有损极 化，而R3则代表电导 损耗。
1、当外加电压较低时，电介质内部要发 生极化、出现电导、引起损耗。
内绝缘
液体：油、酒精等
2、当外加电压较高时，电介质可能丧失 绝缘性能转变为导体，绝缘击穿。
固体：石蜡、聚乙烯、松香、纸、云母等
第一节 电介质的极化 本节内容： 我们首先讨论电介质的极化、电导和损耗过程。 电介质的极性；极化的概念、分类，以及 各种极化的物理过程；相对介电常数。
I I I R C
I R I3 I 2 R
I C I1 I 2C
U
I R
R
CP
I C
串联等值电路 上述有损电介质也可用一 只理想的无损耗电容CS和一个 电阻 r 相串联的等值电路来代 替，如右图所示。 由右图的相量图可得
I
δ U Cs r Ucs U Ur φ I
r 往往和较大的电导率相联系，
电介质的电导的概念，气体、液体和固体 的电导。
因而介质损耗也较大。 采用 r 较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、 提高套管的沿面放电电压等。
一、电介质电导 的基本概念
二、气体电介质的电导 气体电介质的伏安特性如图所示： U＜Ua： U与I基本满足欧姆定律
电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为 电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电 导和电子电导两种。
U0：发生碰撞游离的 电压。
U＜U0：主要是电导 损耗，很小。
U≥U0：主要是气体分子发生游离而消耗的电场的能量 引起的损耗。
在低温时，极化损耗和 电导损耗都很小； 随着温度的升高，偶 极子转向极化增强， 电导损耗也在增大， 所以总的tgδ 亦上升， 并在 t = t1时达到极大 值； 在 t1< t< t2 范围内极化强度减弱，极化强度的减弱超过了电导损耗 的增加，所以总的tgδ曲线下降，并达到最小值。在t>t2 以后电导 损耗的急剧上升、极化损耗退居次要地位，因而tgδ将随 t 的上升 而持续增大。
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