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

纯净液体介质中电流I与外施电压U的关系：
1、区域a 电压和电流关系较符合欧姆定律，即这时液体介质具 有一定的较高的体积电阻率。通常所说的液体介质电阻率 都是按这个范围来定义的。
2、区域b 电流有饱和趋向但不十分明显。这 是因为液体的密度远大于气体，离子 相遇的机会多，复合的概率较大，不 可能所有的离子都运动到电极，而电 压增高时复合概率减小，因而电流就 有所增加。
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34可编辑ppt3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
电介质的极化
一、电介质的极性及分类
偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为 d 的 两电荷（+q，-q）所组成的系统称为偶极子。
（1）弗仑开尔缺陷：格结点上的离子离开晶格结点位置， 则在该晶格结点上形成空穴。这种离子和空穴组成的缺陷 称为弗仑开尔缺陷。
（2）肖特基缺陷：正、负离子逸出介质表面，而在晶 格结点上出现两个空穴，这样组成的缺陷称为肖特基缺陷。
离子电流：晶格结点上的离子以结点为中心振 动，在电场的作用下，与晶格缺陷相邻接的位置 上的离子有可能落入晶格缺陷，这样，晶格缺陷 就能顺序地在晶格中移动，形成离子电流。
1、区域a 电压与电流的关系服从欧姆定律； 2、区域b 电流与电压几乎成指数关系； 3、区域c 电流将随电压更急剧增加直至击穿。
区域a为低电场电导区，区域b、c为 高电场电导区。与气体、液体介质相比， 它明显地无饱和区。
固体介质中的带电粒子：
（1）电子，从电极中逸出 （2）离子，离子电导； （3）传导电子和空穴，电子电导。
低电场电导区以离子电导为主，而高电场电导区以电子 电导为主。低电场电导区如果离子 的浓度和迁移率一定 时，则电流与电压成比例。

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。

-
极化前
极化后
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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
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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。
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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。
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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。
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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。