高电压第5章+液体和固体介质的电气特性

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1、第5章液体和固体介质的电气特性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、硅橡胶电导率(绝缘电阻率)介电常数介质损耗角正切击穿电场强度描述电介质（绝缘材料属于电介质）电气特性的四大表征参数：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。例

2、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放置固体介质时,电容量将增大为:相对介电常数：ε0---真空的介电常数ε---介质的介电常数εr---介质的相对介电

3、常数A---极板面积，cm2d---极间距离，cm对于平行平板电容器，极间为真空时：5.1.1、电介质的极化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。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：电子式极化离子式极化偶极

4、子极化界面极化无损极化有损极化(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。电子式极化的特点:(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，

5、正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性。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.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

6、热运动之中，整个介质对外并不呈现极性。出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，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减小偶极子极化与频率f的关系：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

7、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，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。t=0时合上开关，电压分配与电容成正比：t=,电压分配将与电导成反比：一般即C1、C2上的电荷需要重新分配，

8、设C1G