《高电压技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第二章 液体和固体介质的电气特性

第二章液体和固体介质的电气特性 固体电介质作用:绝缘 固定导体、非导体材料 液体电介质作用:绝缘 冷却 灭弧 电介质主要参数:y电导率 E一介电常数 tan介质损耗角正切 Eb击穿场强

第二章 液体和固体介质的电气特性 固体电介质作用：绝缘 固定导体、非导体材料 液体电介质作用：绝缘 冷却 灭弧 电介质主要参数：γ—电导率 ε —介电常数 tanδ—介质损耗角正切 Eb— 击穿场强

21液体和固体介质的极化、电导和损耗 211电介质极化 电介质的极化:在外电场作用下,使介质中彼此中和的正 负电荷产生位移,介质表面出现束缚电荷 介电常数表示电介质极化强弱。 平行平板电容器, 极间为真空时: Q= Q0+ Q + o 80A 放置固体介质电容量将为: Q0+Q4 相对介电常数: 图3-1极化现象 (a)极间为真空;(b极间放置固体介质

2.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗 2.1.1 电介质极化 电介质的极化：在外电场作用下，使介质中彼此中和的正 负电荷产生位移，介质表面出现束缚电荷 介电常数ε—表示电介质极化强弱。 平行平板电容器， d A U Q C 0 0 0  = = 极间为真空时： 放置固体介质,电容量将为： d A U Q Q C  = + = ' 0 相对介电常数： 0 0    = = C C r

电介质的值(20°C时):气体E接近于1, 液体和固体大多在26之间。 电容器: 选取E较大的材料 其他电气设备:选用c较小的电介质。 交流和冲击电压下:串联的多层电介质的电场强度分 布与各层电介质的成反比。 极化型式:电子式、离子式极化、偶极子式、夹层极化

电介质的εr值（20°C时）：气体εr接近于1， 液体和固体大多在2—6之间。 电容器： 选取εr较大的材料； 其他电气设备：选用εr较小的电介质。 交流和冲击电压下：串联的多层电介质的电场强度分 布与各层电介质的εr成反比。 极化型式：电子式、离子式极化、偶极子式、夹层极化

(一)电子式极化 无外电场:介质中原子(分子)正、电 荷作用中心重合,不显电性。 有外电场:原子中的电子轨道发生弹 性位移,正、负电荷作用 中心不再重合,对外呈电性 电子式极化存在于一切电介质中 图2-1电子式位移极化 特点 1、完成极化需要的时间极短;约10-15s。 2、弹性极化,外场消失,正、负电荷作用中心 重合,对外呈中性,不产生能量损耗

(一)电子式极化 有外电场 ：原子中的电子轨道发生弹 性位移，正、负电荷作用 中心不再重合，对外呈电性 无外电场：介质中原子（分子）正、电 荷作用中心重合，不显电性。 特点： 1、完成极化需要的时间极短；约10－15s。 2、弹性极化，外场消失，正、负电荷作用中心 重合，对外呈中性，不产生能量损耗。 电子式极化存在于一切电介质中 图2-1 电子式位移极化

(二)离子式位移极化 离子式极化:存在于(离子式结构)固体无机化合物中。 无外电场时:晶体的正、负离子对称 排列,各个离子对的偶 极矩互相抵消,故平均 极矩为零。介质呈中性。 有外电场时:正、负离子将发生方向相 反的偏移,使平均偶极矩 不再为零,介质呈现电性。图2-2氯化钠晶体的离子式极化 ●○-钠离子极化前后的位置 特点:1、弹性位移极化,外电场消失 △-氯离子极化前后的位置 后即恢复原状,无损耗。 2、所需时间很短(约10-1-10-13s), 几乎与外电场频率无关。 3、随温度的升高极化程度增强,原因:介质体积膨胀, 离子间距增大,相互作用力减弱

(二) 离子式位移极化 离子式极化:存在于（离子式结构）固体无机化合物中。 有外电场时：正、负离子将发生方向相 反的偏移，使平均偶极矩 不再为零，介质呈现电性。 无外电场时：晶体的正、负离子对称 排列，各个离子对的偶 极矩互相抵消，故平均 极矩为零。介质呈中性。 特点：1、弹性位移极化，外电场消失 后即恢复原状，无损耗。 2、所需时间很短（约10－12~ 10－13s)， 几乎与外电场频率无关。 3、随温度的升高极化程度增强， 原因：介质体积膨胀， 离子间距增大，相互作用力减弱。 图2-2 氯化钠晶体的离子式极化 ● ○--钠离子极化前后的位置 ▲ △--氯离子极化前后的位置

三)偶极子式极化 极性电介质(胶木、橡胶等):分子中正、负电荷作用中心永 不重合,具有固有的电矩,为一电偶极子。 无外电场时:因分子热运动,介质 中电偶极子杂乱无序 的排列,宏观电矩等 Q∈ 86666 oresol 于零,整个介质对外 不呈现电性。 (b) (a)无外电场(b)有外电场 有外电场时:介质中电偶极子沿电 2-3偶极子式极化 场方向定向排列,介 质对外呈现电性。 特点:1、极化所需的时间也较长,10-610-23s。极化程度与 外施电源频率有较大关系,频率提高,极化减弱。。 2、极化过程需要消耗一定的能量

(三)偶极子式极化 极性电介质（胶木、橡胶等）：分子中正、负电荷作用中心 永 不重合，具有固有的电矩，为一电偶极子。 无外电场时：因分子热运动，介质 中电偶极子杂乱无序 的排列，宏观电矩等 于零，整个介质对外 不呈现电性。。 有外电场时：介质中电偶极子沿电 场方向定向排列，介 质对外呈现电性。 特点：1、极化所需的时间也较长，10－6—10－2 s。 极化程度与 外施电源频率有较大关系，频率提高，极化减弱。 。 2、极化过程需要消耗一定的能量 （a）无外电场 （ b）有外电场 2-3 偶极子式极化

(四)夹层极化 夹层极化:多种电介质组成的绝缘结构中出现的极化现象。 外施电压,各层介质上的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电荷一夹层极化。 例:平行板电极的双层电介质绝缘 仁0时合上开关,电压 分配与电容成反比: GII G,- 2t=O e27 C(:+5 t=∞,电压分配将与 电导成反比: (a)双层电介质 (a)等值电路 7 21=∞ 图2-6直流电压下双层电介质的夹层极化

(四)夹层极化 夹层极化：多种电介质组成的绝缘结构中出现的极化现象。 例：平行板电极的双层电介质绝缘 外施电压，各层介质上的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电荷—夹层极化。 t=0时合上开关，电压 分配与电容成反比： 1 2 2 0 1 C C U U t = = t=∞ ,电压分配将与 电导成反比： 1 2 2 1 G G U U t = = (a)双层电介质 (a)等值电路 图2-6 直流电压下双层电介质的夹层极化

一般: 即C1、C2上的电荷需要重新分配。 设:CG2,则 t=0时 U1>U 1→∞时,U1<U2 可见,随着时间的增加,U1下降而U增高,而外施电压U不 变。这就意味着C1要通过G放掉一部分电荷(使U1下 降),而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷(使U2 上升),于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷, 这就是夹层极化引起的吸收电荷 吸收电流:电荷积聚过程所形成的电流。 特点:1、极化涉及电荷的移动和积聚,伴随能量损耗; 2、极化过程较慢,极化时间需要几分之一秒、几 分钟、甚至几小时

即C1、C2上的电荷需要重新分配。 1 2 1 2 G G C C 一般：  设：C1G2，则： t=0时， U1>U2 t ∞ → 时， U1<U2 特点：1、极化涉及电荷的移动和积聚，伴随能量损耗； 2、极化过程较慢，极化时间需要几分之一秒、几 分钟、甚至几小时。 可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，而外施电压U不 变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电荷（ 使U1下 降），而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷（使 U2 上升），于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷， 这就是夹层极化引起的吸收电荷 吸收电流：电荷积聚过程所形成的电流

2.1.2电介质介电常数 气体的介电常数:相对介电常数E≈1 液体的相对介电常数 中性和弱极性液体:ε值1.8~2.8,(变压器油、苯、硅油 等),其值随频率及温度变化较小。 ·极性液体电介质:ε值较大(几到几十) 与频率的关系:f小时,偶极子来得及随外加电场转向 E值较大,f>和0,偶极子转向跟不上外加电场极性变化,Er 随频率的增加而减小 与温度的关系:温度低,ε较小;温度提高,ε增大;温 度过高,分子热运动加剧,对偶极子的转向有阻滞作用,E 随温度的提高减小

2.1.2 电介质介电常数 一、气体的介电常数：相对介电常数 εr≈1 二、液体的相对介电常数 • 中性和弱极性液体: εr值1.8～2.8,(变压器油、苯、硅油 等），其值随频率及温度变化较小。 • 极性液体电介质： εr值较大（几到几十） 与频率的关系：f较小时，偶极子来得及随外加电场转向 εr值较大，f>f0，偶极子转向跟不上外加电场极性变化， εr 随频率的增加而减小。 与温度的关系：温度低， εr较小；温度提高， εr增大；温 度过高，分子热运动加剧，对偶极子的转向有阻滞作用， εr 随温度的提高减小

--+ t(℃) 图2-4极性液体电介质的 图2-5极性液体、固体电介质的 8r与频率关系 8r与频率关系

图 2 -4 极性液体电介质的 εr与频率关系 图 2 -5 极性液体、固体电介质的 εr与频率关系