液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

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1、電介質(zhì)的電氣特性表現(xiàn)在電場(chǎng)作用下的導(dǎo)電性能介電性能電氣強(qiáng)度液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣，常用的液體和固體介質(zhì)為：液體介質(zhì)：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質(zhì)：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠第三章液體和固體介質(zhì)的電氣特性電導(dǎo)率(絕緣電阻率)介電常數(shù)介質(zhì)損耗角正切擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度表征參數(shù)：第一節(jié)液體和固體介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場(chǎng)方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。介電常數(shù)來(lái)表示極化強(qiáng)弱。對(duì)于平行平

2、板電容器，極間為真空時(shí)：一、電介質(zhì)的極化放置固體介質(zhì)時(shí),電容量將增大為:相對(duì)介電常數(shù)：ε0---真空的介電常數(shù)ε---介質(zhì)的介電常數(shù)εr---介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)A---極板面積，cm2d---極間距離，cm下面的表3-1列出了常用電介質(zhì)的εr值（20°C時(shí)）εr是反映電介質(zhì)極化特性的一個(gè)物理量。可見(jiàn)，氣體εr接近于1，液體和固體大多在2～6之間。用于電容器的絕緣材料，顯然希望選用εr大的電介質(zhì)，因?yàn)檫@樣可使單位電容的體積減小和重量減輕。其他電氣設(shè)備中往往希望選用εr較小的電介質(zhì)，這是因?yàn)檩^大的εr往往和

3、較大的電導(dǎo)率相聯(lián)系，因而介質(zhì)損耗也較大。采用εr較小的絕緣材料還可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓等。在高壓電氣設(shè)備中常常將幾種絕緣材料組合在一起使用，這時(shí)應(yīng)注意各種材料的εr值之間的配合，因?yàn)樵诠ゎl交流電壓和沖擊電壓下，串聯(lián)的多層電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與串聯(lián)各層電介質(zhì)的εr成反比。最基本的極化型式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化等三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下：(一)電子式極化在外電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)原子中的電子軌道將相對(duì)于原子核發(fā)生彈性位移。正負(fù)電荷作用中心不再重

4、合而出現(xiàn)感應(yīng)偶極矩，其值為（矢量的方向?yàn)橛桑璹指向＋q）。這種極化稱為電子式極化或電子位移極化。電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，有兩個(gè)特點(diǎn)：完成極化需要的時(shí)間極短；外場(chǎng)消失，整體恢復(fù)中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會(huì)使介質(zhì)發(fā)熱。(二)離子式極化固體無(wú)機(jī)化合物大多屬離子式結(jié)構(gòu)，無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，晶體的正、負(fù)離子對(duì)稱排列，各個(gè)離子對(duì)的偶極矩互相抵消，故平衡極矩為零。在出現(xiàn)外電場(chǎng)后，正、負(fù)離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質(zhì)呈現(xiàn)極化。離子式極化的特點(diǎn)：1、離子相對(duì)位移有限，外電場(chǎng)消失后即恢復(fù)原狀；

5、2、所需時(shí)間很短，其幾乎與外電場(chǎng)頻率無(wú)關(guān)。溫度對(duì)離子式極化的影響：1、離子間的結(jié)合力會(huì)隨溫度的升高而減小，從而使極化程度增強(qiáng)；2、離子的密度隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前一種影響較大，故其一般具有正的溫度系數(shù)。(三)偶極子極化極性電介質(zhì)：分子具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中心永不重合，由極性分子組成的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。極性分子不存在外電場(chǎng)時(shí)，極性分子的偶極子因熱運(yùn)動(dòng)而雜亂無(wú)序的排列著，如圖所示，宏觀電矩等于零，因而整個(gè)介質(zhì)對(duì)外并不表現(xiàn)出極性。出現(xiàn)外電場(chǎng)后，原先排列雜亂的偶極子將沿電場(chǎng)方

6、向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有規(guī)則的排列，如圖所示，因而顯示出極性。這種極化稱為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。偶極子極化是非彈性的，極化過(guò)程需要消耗一定的能量，極化所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，10－10～10－2s，所以極性電介質(zhì)的值與電源頻率有較大關(guān)系。偶極子極化與頻率f的關(guān)系：頻率太高時(shí)，偶極子將來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其值變小，如圖所示。其中相當(dāng)于直流電場(chǎng)下的相對(duì)介電常數(shù)，f>f1以后偶極子將越來(lái)越跟不上電場(chǎng)的交變，值不斷下降；當(dāng)f＝f2時(shí)，偶極子已完全不跟著電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)了，這時(shí)只存在電子式極化，減小到。偶極子極化與溫度t的關(guān)系：溫度升高時(shí)，

7、分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質(zhì)有負(fù)的溫度系數(shù)。對(duì)液體和固體介質(zhì)，溫度很低時(shí)，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)比較困難，所以很小。液體、固體介質(zhì)的在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱，又開(kāi)始隨著溫度的上升而減小。如圖3-6為極性液體、固體介質(zhì)的與溫度的關(guān)系。(四)夾層極化凡是由不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結(jié)構(gòu)，在加上外電場(chǎng)后，各層電壓將從開(kāi)始時(shí)按介電常數(shù)分布逐漸過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)按電導(dǎo)率分布。在電壓

8、重新分配的過(guò)程中，夾層界面上會(huì)積聚起一些電荷，使整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質(zhì)界面極化，簡(jiǎn)稱夾層極化。t=0時(shí)合上開(kāi)關(guān)，電壓分配與電容成正比：t=,電壓分配將與電導(dǎo)成反比：一般即C1、C2上的電荷需要重新分配，設(shè)C1G2，則由上面兩式：t=0時(shí)，U1>U2t時(shí)，U1