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1、221221第一章电介质的电气性能本章提要本章讨论电介质在电压(电场)作用下发生的极化、电导、损耗和击穿特性,这是电介质的基本电气特性。这四种电气特性可分别用介电系数ε、电导率γ(或电阻率ρ)、介质损失角正切tgδ、击穿场强EB来表征,其参数值的大小表征了电介质在电压(电场)作用下发生极化、电导、损耗、击穿过程程度的强弱。本章还讨论了影响这些电气性能的各种因素以及为提高击穿强度可采取的措施。本章最后讨论了电介质在电、热、化学、机械等因素长期作用下发生的老化过程。本章的讨论为后面各章针对这些电气性能进行的测试与试验打下了理论基础。§1-1电介质的基本概念根据导电的难易程度,物质可分为三类,即容易
2、导电的导体、不导电的绝缘体和介于导体与绝缘体之间的半导体。为了把不同电位导体间的电压(电位差)保持住(即不把电漏掉),就要采用绝缘材料在不同电位导体之间进行电气上的隔离,这就是电气绝缘。用作电气绝缘的材料称为绝缘介质或电介质(dielectrics)。电介质按其化学性质可分为无机电介质(如电瓷、云母等)和有机电介质(如聚乙烯、环氧树脂等)按形态可分为气体电介质、液体电介质和固体电介质。使用得最多的气体电介质是空气,例如架空输电线路各相导线对地以及各相导线之间,除了采用固体电介质(绝缘子)外,还利用了空气作为绝缘介质。SF6气体作为一种绝缘性能优良的气体电介质被广泛用于断路器、气体绝缘封闭组合电
3、器GIS(GasInsulatedSwitchgear)中。在液体电介质中,使用最多的是变压器油、电容器油和电缆油,除用作绝缘介质外,液体电介质还兼作冷却介质(在油浸式电力变压器中)和灭弧介质(在油断路器中)。在电气设备中,固体电介质用得最多,这是因为固体电介质除了用作绝缘外、还起到必须的支承带电导体的作用。常用的固体电介质有绝缘纸、绝缘纸板、塑料薄膜、云母(都作设备内绝缘)、环氧树脂(干式变压器绝缘)、电瓷、(钢化)玻璃和合成材料如硅橡胶(用于外绝缘)。在实际应用中,常将不同形态的电介质组合起来使用,如油浸纸绝缘就是采用了液固体电介质的组合。当作用于电介质上的电压(更确切地说是电介质中的电场
4、强度)增大到某个临界值时,流过电介质的电流就会急剧增大,说明此时电介质已失去绝缘性能而成为导体,电介质由绝缘状态突变为良好导电状态的过程称为击穿(breakdown)。发生击穿时的临界电场强度(kV/cm)称为击穿场强或绝缘强度(其值与电介质的材料有关),发生击穿时的临界电压称为击穿电压(kV)(其值与电介质的材料及厚度有关)。固体电介质一旦击穿，将永久性地丧失绝缘性能。而气体、液体电介质击穿后则只引起绝缘性能的暂时性失去，击穿后撤去电压,其绝缘性能能够自行恢复,例如SF6断路器灭弧室内SF6气体,在断路器分闸引起的221221电弧熄灭后,能自行恢复原来的绝缘性能。液体、固体电介质具有一个不同
5、于气体电介质的特点,就是在电压(电场)、热、化学、机械(应力)等因素长期作用下会逐渐老化(即电气绝缘性能不可逆地劣化),使它们的物理、化学及各种电气参数发生改变,从而影响电气绝缘强度与绝缘寿命。当作用电场强度不高(相对于击穿场强)时，电介质会发生极化、电导过程,与此同时存在能量损耗；而当作用电场强度达到击穿场强时,则电介质就发生击穿。§1-2电介质的极化一、极化的概念与电介质的相对介电系数1.电介质的极化(polarization)极化是电介质在电场(气体、液体、固体电介质上加电压后就存在电场)作用下发生的一种物理过程。此物理过程虽在电介质内部进行,但我们可通过此物理过程的外在表现来证实极化过
6、程的存在。图1-1中示出的两个平行平板电容器,它们的结构尺寸完全相同。图1-1(a)电容器极板间为真空,而图1-1(b)电容器极板间为固体电介质。实验表明,由于极间介质的不同,两者电容量是不同的,而且尺寸结构相同的电容器,真空电容器的电容量是最小的,即图1-1(b)电容器的电容量要大于图1-1(a)电容器的电容量。图1-1(a)中,在极板上施加直流电压U后,两极板上分别充上电荷量Q=Qo的正、负电荷。此时(l-l)(1-2)式中ε0——真空的介电系数；A——金属极板的面积；d——极板间距离；C0——极板间为真空时的电容量。然后,在极间放入一块厚度与极间距离相等的固体电介质,就成为图1-1(b)
7、所示的电容器,此时电容器的电容量变为C,极板上的电荷量变成Q,有(1-3)(1-4)式中ε——固体电介质的介电系数。由于C＞C。,而U不变,所以Q＞Qo。这表明放入固体电介质后,极板上的电荷量有所增加。通过下面的分析可知道这是由于固体电介质在极板之间的电场作用下发生了极化所导致的。电介质放入极板间,就要受到电场的作用,电介质原子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下向两极分化位移,但仍束缚于原子
