2 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

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1、高電壓技術(shù)李衛(wèi)國?80798486，60105052?lwglixi@tom.com第一章電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗1-1電介質(zhì)極化電介質(zhì)的極化有4種基本形式：電子位移極化離子位移極化轉(zhuǎn)向極化空間電荷極化(夾層介質(zhì)界面極化)2極化機(jī)理：電子偏離軌道介質(zhì)類型：所有介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-14?10-15s極化程度影響因素：電場強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無關(guān)）溫度（無關(guān)）極化彈性：彈性消耗能量：無一、電子位移極化3極化機(jī)理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類型：離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，10-12~10-13s極化程

2、度影響因素：電場強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無關(guān)）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性消耗能量：無二、離子位移極化4三、轉(zhuǎn)向極化（偶極弛豫極化）極化機(jī)理：極性分子轉(zhuǎn)向介質(zhì)類型：偶極性及有離子弛豫性極化的離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：需時(shí)較長，10-6?10-2s極化程度影響因素：電場強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)）溫度（溫度較高時(shí)降低，低溫段隨溫度增加）極化彈性：非彈性消耗能量：有5四、空間電荷極化（夾層介質(zhì)界面極化）夾層介質(zhì)界面極化概念：當(dāng)t=0:當(dāng)t=∞:6一般有電荷重新分配，在兩層介質(zhì)的交界面處有積累電荷，這

3、種極化形式稱夾層介質(zhì)界面極化。夾層界面上電荷的堆積是通過介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才有意義7極化機(jī)理：帶電質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)介質(zhì)類型：不均勻（或夾層）介質(zhì)中建立極化時(shí)間：很長極化程度影響因素：電場強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有81-2電介質(zhì)的介電常數(shù)一、介電常數(shù)及其物理意義真空中的介電常數(shù)?0相對(duì)介電常數(shù)?r介電常數(shù)?=?0?r介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量，介電常數(shù)越大，極化出的電荷越多。在多層介質(zhì)中，不同的介電

4、常數(shù)會(huì)影響電場分布。9氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近1氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小二、氣體電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)10氣體種類相對(duì)介電常數(shù)氦1.000072氫1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空氣1.00059部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件20℃,1atm）11(1)中性電介質(zhì)：如石油、苯、四氯化碳、硅油等?r數(shù)值不大，在1.8?2.5范圍內(nèi)。(

5、2)極性電介質(zhì)：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等?r數(shù)值在2?6范圍內(nèi)。(3)強(qiáng)極性電介質(zhì)：如酒精、水等?r>10，此類液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大三、液體電介質(zhì)的介電常數(shù)12根據(jù)轉(zhuǎn)向極化的特點(diǎn)，對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻率變化的趨勢(shì)作出解釋：（1）T不變時(shí)f增大，?r減?。?）f不變時(shí)T升高，?r先增后減頻率f1?f2?f3(4)介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）13（1）中性固體電介質(zhì)：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機(jī)玻璃等都屬此類電介質(zhì)，只有電子式

6、極化和離子式極化形式，?r不大，通常在2.0?2.7范圍。陶瓷，云母等晶體型離子結(jié)構(gòu)的中性電介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)?r一般在5~8左右。（2）極性固體電介質(zhì)：樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等。?r較大，一般為3~6，還可能更大。?r和T及f的關(guān)系和極性液體的相似四、固體電介質(zhì)的介電常數(shù)1415五、討論極化的意義1.選擇絕緣在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除了考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)?r選擇用于電容器中的絕緣材料時(shí)，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇?r較大的介質(zhì)，這樣，電容器單位容量的體積和

7、重量就可以減小。選擇時(shí)要注意電氣強(qiáng)度，對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇?r較小的介質(zhì)又如電機(jī)定子線圈出槽口和套管等情況，如果固體絕緣材料的?r減小，則交流下沿面放電電壓可以提高。162.多層介質(zhì)的合理配合對(duì)于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其?r成反比，要注意選擇?r，使各層介質(zhì)的電場分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用3.材料的介質(zhì)損耗與極化類型有關(guān)，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個(gè)重要因素。4.夾層介質(zhì)界面極化現(xiàn)象在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中可用來判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等電容量很大的

8、設(shè)備時(shí)，必須特別注意吸收電荷可能對(duì)人身安全造成的威脅。17平行平板電極間距離為2cm，在電極上施加55kV的工頻電壓時(shí)未發(fā)生間隙擊穿，當(dāng)板電極間放入一厚為1cm的聚乙烯板(?r=2.3)時(shí)，問此時(shí)是否會(huì)發(fā)生間隙擊穿現(xiàn)象？為什么？并請(qǐng)計(jì)算插入聚乙烯板前后的各介質(zhì)中的電場分布。電介質(zhì)極化應(yīng)用實(shí)例一18解：(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm(2)插入后：Vs/Va=?a/?s，得Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3