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第7讲 液体和固体介质的电气特性(一)讲解

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第章 液体和固体介质的电气特性(一)

第章 液体和固体介质的电气特性(一)

第章液体和固体介质的电气特性(一)第章液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性是电学中一个重要的研究领域，涉及到电光、电热、电磁等多个方面。

了解液体和固体介质的电气特性，对于电学理论的掌握和电气工程实践的应用都有着重要的作用。

一、液体介质的电气特性液体介质的电气特性主要包括电导率、介电常数和电容率等。

电导率是指液体介质的导电能力，其大小与介质中自由电荷的浓度和电荷运动的速度有关。

介电常数是指液体介质中电场强度和电荷密度之比，反映了介质对电场的响应程度。

电容率则是指液体介质中存储电荷的能力，与介质的物理结构和电荷分布有关。

液体介质的电气特性有着广泛的应用，在电解、电沉积、电化学计量、生物电化学等方面都有着重要的作用。

同时，液体介质的电气特性也对于电解质电容、宽带电容和电动机的设计有着重要的影响。

二、固体介质的电气特性固体介质的电气特性包括电极化、电阻率和电导率等。

电极化是指固体介质在电场作用下产生电极化效应，也就是产生电荷极化现象。

电阻率则是指固体介质的导电能力的倒数，其大小与介质中自由电子的浓度和电子的运动状态有关。

电导率则是指固体介质中电流的传导能力，其大小与电子的浓度和载流子的迁移率有关。

固体介质的电气特性也具有着广泛的应用。

例如，铜与铝的电导率较大，适合用于制作导线。

固体绝缘体的电阻率很大，适合用于制作电绝缘材料。

同时，固体半导体的电极化、电阻率和电导率等特性也对电子器件的设计和制造具有着重要的影响。

三、液体和固体介质的相互作用液体和固体介质也可以相互作用，改变彼此的电气特性。

例如在微电子制造过程中，采用溶胶-凝胶法制备的氧化铝涂层，可以显著提高铝导线的抗电迁移性。

固体-液体界面的电化学反应还可以生成一些有用的电化学产物，例如电镀硬化层和抗腐蚀层等。

总之，液体和固体介质的电气特性研究是电学中的一个重要领域。

了解液体和固体介质的电气特性不仅有助于电学理论的深入掌握，更能够推动电气工程实践的应用与发展。

液体和固体介质的电气特性

液体和固体介质的电气特性

杂质中εr大 引起油电离
油中电场强度 增高
油分解出气体 气泡扩大
气泡因电 离或发热而 不断扩大， 排列成气体 小桥贯穿两 极，液体最 终在气体通 道中击穿
6/90
高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
二．影响液体电介质击穿电压的因素
1. 液体介质本身品质的影响
Ub（有效值）/kV
2. 覆盖层
电压作用时间为数十到数百微秒 无杂质的影响，仍为电击穿， 这时影响油隙击穿电压的主要 因素是电场的均匀程度；
电压作用时间更长 杂质开始聚集，油隙的击穿开 始出现热过程，击穿电压再度 下降，为热击穿。
13/90
高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
5. 压力
8/90
高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
④ 含气量 溶解在油中气体影响较小，黏度和耐电强度稍降。 所溶气体的来源：直接、分解、电解
9/90
高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
判断变压器油的质量，主要依靠测量 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
② 含纤维量 电场作用下，纤维形成“小桥”，使油的击穿电压降低； 有很强的吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为 严重。
③ 含碳量 碳粒的产生：电弧 碳粒对油耐电强度作用的两个方面： 碳粒具有较好的导电性，局部场强增加，击穿电压降 低； 活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力。
① 含水量
液态水在油中的两种状态：
40
以分子状态溶解于油中，

高电压技术-第03章 液体和固体介质的电气特性

高电压技术-第03章 液体和固体介质的电气特性
¾电介质的极化
¾电介质的电导
¾电介质的损耗
5
一、电介质的极化
电介质的极化：电介质在电场作用下，正负 电荷的定向移动
介电常数：表示极化强弱。对于平行平板电容
器，极间为真空时，其电容量为： C0
=
Q0 ---极板面积，cm2
¾d ---极间距离，cm
6
介电常数
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，其几乎 与外电场频率无关。
14
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 ε r 一般具
有正的温度系数。
17
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 ε r 值与电源频率有较大关系。
18
频率太高时，偶极子将来
不及转动，因而其 ε r 值变 小，如图所示。其中ε r0 相当
于直流电场下的相对介电常 数。
第三章 液体和固体介质的电气特性
1
液体和固体介质
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：
¾液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 ¾固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电
瓷、玻璃、硅橡胶
2
电介质的电气特性及表征参数
电介质的电气特性表现在电场作用下的 ¾导电性能 ¾介电性能 ¾电气强度
所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注 意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电 压下的耐电性能。

液体固体电介质的电气性能

液体固体电介质的电气性能

2
第一节 电介质的极化 一.极化现象
a. 极板上施加直流电有 b. 在极间距离及电极表面积不变情况下，当极间由真空变 为固体介质时极板上电荷增多。
3
二.物理现象的解释
由于固体介质的引入，使极间固体介质在与两个 极板接触的界面上感应出与极板电荷极性相反的 束缚电荷，形成了一个与外施电场方向反方向的 内部电场，电介质有了明显的极性，即极化。 极化的结果是使极间合成电场减弱，但由于外施 电压不变，所以极间电场不能变化，必须在极板 上增加电荷来抵消内电场的作用。
12
所以合闸之后两介质之间有一个 电压重新分配的过程： 电压重新分配的过程：C1上的电 荷要通过G 泄放掉一部分； 荷要通过 1和G2泄放掉一部分； 上要通过G 而C2上要通过 1和G2吸收一部分 电荷——吸收电荷 电荷 吸收电荷
吸收现象
设C1 = 1, C2 = 2, G1 = 2, G2 = 1, 合闸瞬间（频率高）， 电压按电容反比分配 U C10 C2 = U C 20 C1 U C10 = 2 U C 20 = 1 QC10 = C1U C10 = 2 QC 20 = C2U C 20 = 2 分界面无电荷积累
当t → ∞，电路达稳态后，电压将按电导反比分配 U C1∞ G2 = U C 2∞ G1 U C1∞ = 1 U C 2∞ = 2 QC1∞ = C1U C1∞ = 1 QC 2 ∞ = C 2U C 2∞ = 4 分界面剩余电荷为3
E
8
3. 偶极子式极化
电介质 电极
有些介质如蓖麻油，氯化联 苯，橡胶，纤维素等，由偶 极子构成，称为极性分子。 特点： ①极化时间长约为10-10~10-2 s εr与频率f有关。 ②有损极化 ③θ↑→偶极子转向容易→εr↑， 但 当 θ 很高时 ， θ↑→热运动 干扰偶极子转向→εr↓

液体、固体电介质特性

液体、固体电介质特性
不同电介常数的电介质组合在一起构成组合绝缘，当各 层绝缘所承受的电场强度与电气强度成正比时，整个组 合绝缘的电气强度最高。
直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘承受的电 压与其绝缘电阻成正比；【电气强度高、电导率小的材 料用在电场最强处】
交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘承受的 电压与其电容成反比；【电气强度高、介电常数小的材 料用在电场最强处】
U
r1 r2
r0
12
E2
r
2
[
1
1
ln
U r1 r0
1
2
ln
r2 r1
]
优点：绝缘材料的利用率高
实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密 度有关 ，密度大的纸（高）与低密度纸搭配使用多层分阶27。
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
➢ 电老化——局部放电 ➢ 热老化——热作用下的氧化 ➢ 环境老化——污染性化学老化
U
(R1
R2
... Rn )I
(1
1
d1 S
1
2
d2 S
...
1
n
dn )I S
1 S
( d1
1
d2
2
...
dn )I
n
RI
I U R
U1
R1I
1
1
d1 S
I
d1
1S
U R
1
(
d1
1
Ud1 d2 ...
2
dn
n
)
E1
U1 d1
1
(
d1
1
U d2 ...
2
dn )
n
1

第二章 液体、固体介质的电气特性

第二章 液体、固体介质的电气特性

电介质的等效电路
I I1 I 2 I 3




2.介质损耗角正切
介质损耗有两种：极化损耗、电导损耗 直流电压下只有电导损 耗 交流电压下既有电导损耗，还有周 期性极化引起的极化损耗。 介质损耗角 =功率因素角 的余角 介质损耗角的正切tg称为介质损耗因数
P UIcos UI R UIC tg U C p tg
（4）在绝缘预防性试验中，通过测量介质的绝缘 电阻和泄漏电流来判断绝缘是否存在受潮或其他 劣化现象。
三、电介质的损耗
1.基本概念
在电场作用下电介质总有一定的能量损耗，电介质的 能量损耗简称介质损耗。 介质损耗的基本形式 由电导引起的损耗，称为电导损耗； 由某些有损极化引起的损耗，称为极化损耗。 电导损耗： 由电介质中的泄漏电流引起，交、直流 电压下都存在，一般很小。 极化损耗：由有损极化所引起的；仅存在于交流电压 下，在直流电场中，极化的建立过程仅在加压瞬间出现一 次，可略去。
中国石油大学胜利学院
高电压技术
第一篇 各类电介质在高电场下的特性
第二章
液体、固体介质的电气特性
第一节 电介质的极化、电导和损耗
一、电介质的极化
的弹性位移和偶极子的转向现象，称为电介质的极 化。
极化的定义：电介质在常数εr：是综合反应电介质极化 特性的一个物理量。它是表征电介质在电场作用下 极化现象强弱的指标，其值是由电介质本身的材料 决定的。 极化最基本的形式分为电子式、离子式和偶极子 式极化。另外还有夹层介质界面极化和空间电荷极 化等。
2
介质损耗角正切tg等于有功电流和无功电流的 比值。常用百分数（%）来表示。
判断介质 的品质
IR 1 R tg I c UC1 C1 R

液体和固体介质的电气特性


第二节 液体介质的击穿
一、纯净液体介质的击穿理论
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） 电子碰撞电离理论、气泡击穿理论
二、工程纯液体介质的击穿理论
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”。
C
Q0
0
A
U 0 d
图3-1 平板电容器中的电荷和电场分布 (a)真空 (b)充以介质
当极板间插入固体介质后，电容量为
CQ0Q‘A
0
U
d
式中 A－极板面积，cm2； 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
CQ0Q‘ C r U
为介质的相对介电常数。
分界面
时
自由电荷的 移动
二、电介质的电导
电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导
率γ，在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的
绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关
系：
Ae kT
式中 A－常数，与介质性质有关； T－热力学温度，单位为K；
ф－电导活化能；
k－波尔兹曼常数。
1. 体积电阻
(C1
C2)
R1R2 R1 R2
当绝缘受潮或有缺陷时，电流的吸收现象不明显，总电 流随时间下降较缓慢，而试品的绝缘电阻与电流成反比。 因此，根据的变化，就可以初步判断绝缘的状况。

第二章液体、固体电介质的电气性能-PPT精品文档

第二章 液体、固体电介质的电气性能
三、提高液体介质击穿电压的方法
1. 提高并保持油的品质
（1）过滤 （2）防潮 （3）祛气 （4）防尘
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第二章 液体、固体电介质的电气性能
高电压技术
2. 采用油-屏障式绝缘
（1）覆盖层(<1mm) （2）绝缘层(几十mm）
防止杂质小桥形成
（3）屏障（极间障） （2～7mm） 在极不均匀电场中，改变空间
（1）串联的多层电介质在直流电压作用下，各层电 压分布与电导成反比，因此设计用于直流的电气设 备时要注意所用电介质的电导率，尽量使材料得到 合理的使用。 （2）注意环境湿度对固体电介质表面电导的影响， 注意亲水性材料的表面防水处理。
第二章 液体、固体电介质的电气性能
高电压技术
（3）在绝缘预防性试验中，通过测量介质的绝缘电 阻和泄漏电流来判断绝缘是否存在受潮或其他劣 化现象。
所以CP≈CS=C,则 P=P1=P2=U2ω Ctgδ
第二章 液体、固体电介质的电气性能
高电压技术
4.电介质的损耗及其影响因素 影响电介质损耗的因素主要有温度、频率和电
压。不同的电介质所具有的损耗形式不同，从而温 度、频率和电压对电介质损耗的影响也不同。 5.介质损耗在工程实际中的应用
（1）选择绝缘； （2）在绝缘预防性试验中判断绝缘状况； （3）介质损耗引起的发热有时也可以利用。
5.影响电介质电导的主要因素
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(1)温度 离子电导随温度的升高而增加。
B
Ae T
A、B---常数 T—绝对温度
(2)杂质 由于杂质中的离子数较多，因此当介质中的
杂质增多时，其电导会明显增加。各类杂质中水 分的影响最大。

液体固体击穿PPT课件

所以： 表征介损用介质损失角的正切tgδ 来表示,而不是用有功损耗P来表示。
26
3.影响tgδ的因素
（1）温度的影响
27
（2）频率的影响
28
（3）电压的影响 在电场强度不很高时，tgδ不变； 在电场强度较高时， tgδ随电场强 度升高而迅速增大
29
2.2.1.液体电介质的击穿特性
1、液体击穿机理
介电常数 、介质损耗角正切 tan和击穿电场强度
（简称击穿场强）E b 来表示。 一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导
和损耗等电气物理现象。
4
电介质极化的种类：
1. 电子式极化 2. 离子式极化 3. 偶极子极化 4. 夹层极化
视频链接 视频链接 视频链接
5
6
第二章
液体和固体介质的 电气特性
39
（2）热击穿
固体介质会因介质损耗而发热，如果周围环境温度高，散 热条件不好，介质温度将不断上升而导致绝缘的破坏，如介 质分解、熔化、碳化或烧焦，从而引起热击穿。
①热击穿电压会随着周围媒质温度的上升而下降； ②热击穿电压并不随介质厚度成正比增加，因厚度越大， 介质中心附近的热量逸出越困难，所以固体介质的击穿场强 随h的增大而降低； ③如果介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上 升； ④ f 或tgδ增大时都会造成产生的热量增加。
1
液体电介质电气强度比气体的高；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。
电气设备对液体介质的要求： 电气性能好，如绝缘强度高、电阻率高、介质 损耗及介电常数小（电容器则要求介电常数高）； 散热及流动性能好，即粘度低、导热好、物理 及化学性质稳定、不易燃、无毒等。

液体、固体电介质的电气性能

固体电介质在电机和发电机中同样发挥绝缘作用，确保电流只在规定的导体中流 动。此外，某些固体电介质还具有磁性，可以用于制造电磁铁和变压器等元件。
电子设备
在电子设备中，液体和固体电介质都有广泛的应用。液体 电介质常用于电容器和电解池中，作为绝缘和隔阂。同时 ，某些液体电介质还具有导电性，可用于制造电池和电导 电薄膜等元件。
固体电介质在高压设备中同样发挥绝缘作用。例如，在高压电缆中，固体电介质可以防止电流从导体 泄漏到周围介质中。此外，某些固体电介质还具有较高的介电常数和耐压强度，可用于制造绝缘子和 高压开关设备的绝缘件等元件。
04 电介质性能的测试和评估
绝缘电阻测试
绝缘电阻是衡量电介质绝缘性能的重要参数，通过测量电介质在施加直流 电压下的电阻值来评估其绝缘性能。
绝缘强度
01
绝缘强度是指电介质在一定条 件下能够承受的最高电场强度 ，是衡量电介质绝缘性能的重 要指标。
02
绝缘强度的大小取决于材料内 部电子的束缚程度、分子结构 以及温度、湿度和压力等外部 条件。
03
固体电介质的绝缘强度通常用 耐压试验来测量，即在一定的 试验条件下，电介质能够承受 的最高电压值。
电介质的电气性能会受到温度和压力的影 响。随着温度的升高或压力的增大，电介 质的绝缘电阻和电击穿强度可能会降低， 而介质损耗角正切值可能会增大。
在实际应用中，需要考虑到温度和压 力对电介质性能的影响，以确保其正 常工作和安全性。
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介质损耗
01
介质损耗是指液体电介质在电场作用下能量的损失，是衡量液 体电介质电气性能的重要参数。
02
介质损耗的大小与液体电介质的电导率、温度、频率等因素有
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极化的时间常数： (C1 C2 ) /(G1 G2 )
高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低 频时才有意义。 同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注 意安全。
12
4. 夹层极化
极化机理：各层介质发生极化，产生电荷积累 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长，从数s到数h 极化程度影响因素：
套管附近涂上半导体釉等。
21
8
9
3. 偶极子极化
极化机理：偶极子定向排列 介质类型：具有永久性偶极子的极性介质 建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s 极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（有关，频率升高，极化减弱） 温度（低温段增加，高温段降低（热运动）） 极化弹性：非弹性 消耗能量：有
10
4. 夹层极化
i(t)
电介质中的绝缘电阻一般为M 特点：
1） 负温度系数 2） 随外施电压上升而下降。 3）随加压时间延长而增大。
19
固体介质的表面电导
固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥 清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面 吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结 构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质
3
第一节液体和固体介质的极化、电导与损耗
一、电介质的极化
Q Q0
U
(a)
Q Q0 Q'











U
(b)
固体介质表面出现束缚 电荷
C Q0 Q' A
Ud
相对介电常数
r

0

20
讨论电导的意义：
1） 在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏 电流判断绝缘是否受潮或者劣化。
2） 直流设备中有多层介质时（如直流电缆）， 其直流电压分布与电导成反比，设计时需考
虑。 3） 设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影
响。 4） 对于某些能量较小的电源，如静电发生器，
要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。 5） 有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压
穿，加入一厚为1cm的聚乙烯板（ r 2.3）时，问
此时会发生击穿吗？为什么？并计算加入板后的各介 质中的电场分布？
d=2cm
t=1cm
解：设空气电介质常数为1， 设聚乙烯板电介 质常数为2
(1)插入电介质前：E1=U0/d=55/2=27.5 kV/cm (2)插入电介质后： 1E1= 2E2
17
二、电介质的电导
来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存 在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形 成电流。 电子电导
电介质的电导 离子电导（主要）
与导体的电导相比，电介质电导的特点： 1） 主要载流子是离子 2） 电导率随温度升高而指数上升。
18
电介质的绝缘电阻
RU
定义：
ig
R(t) U
高电压技术
第7讲 液体和固体介质的电气特性（一）
描写电介质电气特性的四个物理量与对应的四个物 理现象
1.电介质的极化 2.电介质的电导
相对介电系数 r
电导率 γ
3.电介质的损耗 4.电介质的击穿
介质损失角正切tgδ 电场强度E
2
液体、固体电介质的电气特性
• 电气强度高 • 液体兼做灭弧；固体兼做支撑 • 电气强度不受外界影响 • 不可自恢复 • 会逐渐老化
14
讨论极化的意义：
1 选择电容器的介质时，希望 大；选择其 他绝缘结构的材料，希望小。
2 组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。 3 极化形式关系到介损，即材料的发热、劣
化。 4 在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判
断绝缘受潮情况。
15
平行板电极距离d=2cm，施加55KV工频电压时未被击
电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 极化弹性：非弹性 消耗能量：有
13
5.空间电荷极化
极化机理：正负自由离子移动到电极附近， 形成空间电荷
介质类型：含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：很长 极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 极化弹性：非弹性 消耗能量：有

G1 P G2
A
B

C1
U C2


U

当t=0: U1 C2
U 2 C1

U1 G2
当t=∞: U 2 G1
11
4. 夹层极化
一般情况下： C2 G2 C1 G1
电荷从t=0到t=∞时会重新分配，在介质的交界面处积累电 荷。这些电荷形成的极化形式称夹层极化。
Q0 Q' Q0

C C0
反映极化、储能特性
4
常用电介质的介电常数(episilon)
5
极化的基本形式
电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层（界面）极化 空间电荷极化
6
1. 电子式极化
极化机理：电子偏离轨道 介质类型：所有介质 建立极化时间：极短，10-1410-15s 极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性 消耗能量：无
7
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
U1/U2= 2 / 1，得 U1=2.3U2 U0=U1+U2=3.3U2 U2=U0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) E2=16.7 kV/cm U1=U0-U2=55-16.7=38.3 (kV) E1=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强
所以,插入聚乙烯板后空气间隙将会击穿。