长春工程学院电气工程系：《高电压技术》第二章 液体和固体电介质的绝缘性能

第二章液体和固体电介质的绝缘性能 电气设备中,除了某些地方采用气体作为绝缘外,广泛采用的 是液体和固体电介质作绝缘。固体介质除用作绝缘外,还常作为 极间障,以提高气体或液体间隙的绝缘强度。液体介质除用作绝 缘外,还常作为载流导体和磁导体的冷却剂,在一些开关电器中, 还可用它做灭弧材料。因此,对用作绝缘材料的固体和液体介质, 不仅要求其绝缘强度高,而且随其用途的不同,还要求其有电、 热、机械、化学和物理等方面的性能。为此必须要研究液体、固 体介质的电气性能和击穿机理,以及影响其绝缘强度的各种因素, 从而了解判断其绝缘老化和损伤的程度,合理地选择和使用绝缘 材料。 电介质的性能一般用相对介电常数ε、电导率Y或其倒数电阻 率ρ、介质损耗角正切值s和击穿场强四个物理量来描述,他 们分别反映了电介质的极化、电导、损耗和抗电性能

长春工程学院刘望来 第二章 液体和固体电介质的绝缘性能 电气设备中，除了某些地方采用气体作为绝缘外，广泛采用的 是液体和固体电介质作绝缘。固体介质除用作绝缘外，还常作为 极间障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。液体介质除用作绝 缘外，还常作为载流导体和磁导体的冷却剂，在一些开关电器中， 还可用它做灭弧材料。因此，对用作绝缘材料的固体和液体介质， 不仅要求其绝缘强度高，而且随其用途的不同，还要求其有电、 热、机械、化学和物理等方面的性能。为此必须要研究液体、固 体介质的电气性能和击穿机理，以及影响其绝缘强度的各种因素， 从而了解判断其绝缘老化和损伤的程度，合理地选择和使用绝缘 材料。 电介质的性能一般用相对介电常数εγ、电导率γ或其倒数电阻 率ρ、介质损耗角正切值tgδ和击穿场强四个物理量来描述，他 们分别反映了电介质的极化、电导、损耗和抗电性能

§21电介质的极化 问题提出 Q=Q0 在密闭容器中加入 两平板电极,容器抽 真空。在电极上加上 外加电压进行充电 ++++ 静止后电量为Q0

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化 一、问题提出 在密闭容器中加入 两平板电极，容器抽 真空。在电极上加上 外加电压进行充电。 静 止 后 电 量 为 Q0， Q0=C0U

§21电介质的极化 0=A +Q 在两电极间加入厚度与极间距 相同的固体电介质重新完成试 验。发现极板上的电量增加了 Q,Q=Q0+Q°。问Q这些电量 是如何来的呢? +++⊕++ 解释:来源于固体电介质的极化。 d叫 ⊙ 固体介质内部形成一个极性与外 加电压方向相反的附加电场,为 保持两极板间电压不变,电源需 要再提供Q这些电量来平衡附加 电场。在电场的作用下,电介质 相对电极两面呈现电性的现象称用相对介电常数来描述 为极化。 E=QQ°=(Q+Q)/Qo

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化  在两电极间加入厚度与极间距 相同的固体电介质重新完成试 验。发现极板上的电量增加了 Q’，Q=Q0+Q’。问Q’这些电量 是如何来的呢？ 解释：来源于固体电介质的极化。 固体介质内部形成一个极性与外 加电压方向相反的附加电场，为 保持两极板间电压不变，电源需 要再提供Q’这些电量来平衡附加 电场。在电场的作用下，电介质 相对电极两面呈现电性的现象称 为极化。 用相对介电常数来描述 εγ =Q/Q0=（Q0+Q’）/Q0 - + - +

§21电介质的极化 、极化的形式 电子式极化 特点 1) E=0 E≠0 + 2) 3)

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化 二、极化的形式 1、电子式极化 特点： 1）速度快 10-14—10-15S； 2）不消耗能量； 3）弹性的

s21电介质的极化 极化的形式 2、离子式极化:固体无杋化合物多数属于离子式结构,如云母、 玻璃、陶瓷材料等 其特点是 1)速度较快,10-12-10-13s; 2)不消耗能量; 3)弹性的。 3、偶极子极化 特点: 1)速度较慢,102-10s;∈ 2)弹性的; 3)消耗能量

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化 二、极化的形式 2、离子式极化：固体无机化合物多数属于离子式结构，如云母、 玻璃、陶瓷材料等。 3、偶极子极化： 其特点是： 1）速度较快，10-12—10-13S； 2）不消耗能量； 3）弹性的。 特点： 1）速度较慢，10-2—10-10S； 2）弹性的； 3）消耗能量

§2电介质的极化 4、夹层极化: 设:U=3,G1=1,G2=2, C1=2,C2=1。 t=0时,电压按照电容反比例分 配,则U1=1,U2=2;介质1上 积累的电量Q1=2,介质2上积 累的电量Q2=2,所以接触面上 没有电荷积累。 特点: t趋近于无穷时,电压按照电导1)速度慢 反比例分配,则U1=2,U2=1; 介质1上积累的电量Q1-=4,介质2)非弹性的; 2上积累的电量Q2=1,所以接触3)消耗能量。 面上有电荷积累。形成内部附 加电场

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化 4、夹层极化： 特点： 1）速度慢； 2）非弹性的； 3）消耗能量。 t趋近于无穷时，电压按照电导 反比例分配，则U1=2，U2=1； 介质1上积累的电量Q1=4，介质 2上积累的电量Q2=1，所以接触 面上有电荷积累。形成内部附 加电场 t=0时，电压按照电容反比例分 配，则U1=1，U2=2；介质1上 积累的电量Q1=2，介质2上积 累的电量Q2=2，所以接触面上 没有电荷积累。 设：U=3，G1=1，G2=2， C1=2，C2=1

s21电介质的极化 极化可以归纳为空间电荷的弹性位移或转向及电荷的重新分配; 也可以归纳为快速的无损极化和慢速的有损极化 研究极化的意义 选择制造电容的绝缘材料时,一方面注意材料的绝缘强度,另 方面希望介电常数要大 2、在交流及冲击电压作用下,多层串联电介质中的场强分布与介 电常数成反比。 包题利用要核唐 数大的呢 莞外电继级的烟心线,是先维介电

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化  极化可以归纳为空间电荷的弹性位移或转向及电荷的重新分配； 也可以归纳为快速的无损极化和慢速的有损极化。  研究极化的意义：  1、选择制造电容的绝缘材料时，一方面注意材料的绝缘强度，另 一方面希望介电常数要大；  2、在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强分布与介 电常数成反比。 问题：用两种介电常数的绝缘纸分别缠电缆芯线，是先缠介电 常数大的呢，还是先缠介电常数小的呢？ 3、利用夹层极化可以判断绝缘受潮的情况

§21电介质的极化 常用电介质的介电常数 材料类别 名称 气体介质中性 空气/氮气 1.00058/1.00060 (标准大气 压条件下)极性 氧化硫 1.009 弱极性变压器油/硅有机液体2.2/2.228 液体介质极性蓖麻油氯化联苯4.5/4.6-52 强极性 丙酮/酒精/水 22/33/81 固体介质极性纤维素胶木/聚氯乙|6.5/4.5/30-3.5 烯 离子性 云母/电瓷 5-7/5.5-6.5

长春工程学院刘望来 §2.1电介质的极化 常用电介质的介电常数 材料类别 名称 εγ 气体介质 （标准大气 压条件下） 中性 极性 空气/氮气 二氧化硫 1.00058/1.00060 1.009 液体介质 弱极性 极性 强极性 变压器油/硅有机液体 蓖麻油/氯化联苯 丙酮/酒精/水 2.2/2.2-2.8 4.5/4.6 -5.2 22/33/81 固体介质 极性 离子性 纤维素/胶木/聚氯乙 烯 云母/电瓷 6.5/4.5/3.0-3.5 5-7/5.5-6.5

§22电介质的电导 电导:任何电介质都有一定的导电性 金属电导是电子电导、电介质电导是离子电导。 电介质的电导极小,其电阻率高达10810292m,而金属的其电阻率仅 为10610292m 、试验电路 K1 K2 U 0

长春工程学院刘望来 §2.2电介质的电导 电导：任何电介质都有一定的导电性。 金属电导是电子电导、电介质电导是离子电导。 电介质的电导极小，其电阻率高达108—1022Ω·m，而金属的其电阻率仅 为10-6—10-2Ω·m 一、试验电路

§22电介质的电导 等值电路 由电源对电介质等效电容 充电建立电场及快速无损极化 形成的电流i称为几何电容电 流。由于其是纯容性的,所以 可以用一个电容C0来等值。 2、由慢速有损极化形成的邮×d7 称为吸收电流。由于是由极化形 成的,可以等值出电容Ca,又有 损耗,可以等值出电阻r。 3、电介质中的起始带电粒子在电 场的作用下定向运动形成电流, 称为泄漏电流。因为是纯阻性的, 可以等值出电阻r

长春工程学院刘望来 §2.2电介质的电导 二、等值电路 2、由慢速有损极化形成的电流ia 称为吸收电流。由于是由极化形 成的，可以等值出电容Ca，又有 损耗，可以等值出电阻ra。 3、电介质中的起始带电粒子在电 场的作用下定向运动形成电流ig， 称为泄漏电流。因为是纯阻性的， 可以等值出电阻rg。 1、由电源对电介质等效电容 充电建立电场及快速无损极化 形成的电流ic称为几何电容电 流。由于其是纯容性的，所以 可以用一个电容C0来等值