高电压技术电介质极化与介电常数.ppt

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1、电介质的电气性能,研究电介质电气性能意义,设备绝缘的基础超高压大容量的发展新材料促进了电力工业的进步我国绝缘材料发展的现状加强绝缘材料的研究，促进科技发展,电介质电气性能的划分,电介质物质结构的基本形式,形成分子和聚集态的各种健离子健共价键分子健电介质的分类：根据化学结构分为3类非极性及弱极性电介质偶极性电介质离子性电介质,离子结构电介质(岩盐),NaCl,共价键+,中性共价键 极性共价键 H+=H,一、电介质的极化及介电常数,极化现象,平板真空电容器电容量：,插入固体电解质后电容量：,相对介电常数：,相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量,由电介质极化引起的 束缚电荷,极化概念：电场中有电

2、介质时，由于电场的作用电介质内部发生形变，结果导致电介质内部电荷分布的变化。这个过程称作极化,偶极子(dipole)：单位体积电介质在施加电场前内部的电荷是均匀分布的，在电场的作用下这些电荷发生位移，这个单位体积就形成一对偶极子。极化强度：偶极子的扭矩称作极化强度P。,极化电荷(polarization charge)：P是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度，称作极化电荷。均匀极化(uniform polarization)：绝缘体内部任何地方电荷的位移相同时叫做均匀极化。这些电荷由于是极化引起的，不能单独取出来真实电荷：与之相对应，导体中带电的电荷可以自由地取出，称作真实电荷。具备有这种特性

3、的物质称作 电介质,由P可得每单位体积的电荷量：,电介质的极化有五种基本形式：电子位移极化离子位移极化转向极化夹层介质界面极化空间电荷极化,一、电子的位移极化,当物质原子里的电子轨道受到外电场 E 的作用时，其负电荷作用中心相对于原子核产生位移，形成电矩，称电子的位移极化。,特点：1、电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中2、具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性3、极化速度快，10-1410-15秒，在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关4、极化强度与电矩的大小成正比，且随着外电场的增强而增大5、与温度无关6、不引起能量损耗,极化机理

4、：,二、离子的位移极化,在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化,极化机理：,特点：1、有弹性，可恢复2、极化完成时间约为 l0-12-10-13s，当交变电场的频率 低于红外线光频率，离子的位移极化与频率无关3、极化程度与电场强度成正比4、温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增 加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程 度降低。通常前一种因素影响较大5、有极微量的能量损耗,三、极性分子的转向极化,在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排列，对外显示出极性，称极性分

5、子的转向极化,极化机理：,特点：1、有弹性，可恢复2、与频率有关，极化完成时间约为 l0-6-10-2s，甚至更长，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小3、与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就 越整齐，转向极化就越强4、与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热 运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系 紧(例如粘度很大)，分子难以转向极化较弱。所以极 性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小5、有能量损耗,四、夹层极化,高电压设备的绝 缘由几种不同的材料组成，

6、或介质不均匀，这种情况 会出现“夹层介质界面 极化”现象。,合闸时：稳态时：,当：则：,存在电压从新分配，电荷在介质空间从新分布，夹层界面有电荷堆积的过程，从而产生电矩,极化机理：,特点：1、只在低频下有意义，夹层界面上电荷的堆积是通 过介质电导G完成的，其过程很缓慢，它的形成 时间从几十分之秒到儿分钟，甚至有长达几小 时的。2、与电场强度和温度有关3、有能量损耗4、出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感 器、电抗器等复合绝缘中,五、空间电荷极化极化机理：正负离子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹

7、性：非弹性；消耗能量：有,电介质极化的概要,几种介电质的介电常数,讨论电介质极化的意义：1、选择绝缘：电容器 大 电容器单位容量体积和重可减少 电缆 小 可使电缆工作时充电电流减小 电机定子线圈槽出口和套管 小,可提高沿面放电电压2、多层介质的合理配合：电场分布与 成反比 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁5、研发新型绝缘材料,电介质极化应用实例一：平行平板电极间距离为2 cm

8、，在电极上施加55 kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1 cm的聚乙烯板（r=2.3）时，问此时会发生间隙击穿现象否？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。,解：(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm(2)插入后：Vs/Va=a/s，得Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV)Es=16.7 kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV)Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强故插入聚乙烯板后空气间隙击穿,电介质极化应用实例二：对于同轴电缆，可采用多层介质，

9、在靠近内电极处采用介电常数大的好处是什么？为什么？从介电常数的角度来分析油纸绝缘在套管中是如何改善电场分布的。目前固体绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选择呢？,气体电介质的介电常数气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1。气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小。,部分气体的相对介电常数环境条件20,1 atm,液体电介质的介电常数非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都不大，其值在1.82.8范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似偶极

10、性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在380范围，能用作绝缘介质的r值在36左右。此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体介质有实际应用,固体电介质的介电常数非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类，这类电介质只有电子式极化和离子式极化，介电常数不大，通常在2.0-2.7范围。介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近偶极性固体电介质：属于此类的固体电介质有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3-6，还可能更大。介电常数和温度及频率的关系和极性液体的相似离子性电介质：如陶瓷，云母等，此类电介质的相对介电常数r一般在5-8左右,