第1节 液体和固体介质的极化、电导和损耗.ppt

三、电介质的损耗 (一)电介质的损耗的基本概念 介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。 直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。 式中： —电源角频率； －功率因数角； －介质损耗角。 交流时：流过电介质的电流 此时介质的功率损耗： （3-7） * 电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能 介电性能 电气强度 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为： 液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶 第三章 液体和固体介质的电气特性 电导率 (绝缘电阻率 ) 介电常数 介质损耗角正切 击穿电场强度 表征参数： 第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗 电介质的极化 电介质的电导 电介质的损耗 电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时： 一、电介质的极化 放置固体介质时,电容量将增大为: 相对介电常数： ε0---真空的介电常数 ε ---介质的介电常数 εr---介质的相对介电常数 A ---极板面积，cm2 d ---极间距离，cm 下面的表3-1列出了常用电介质的εr值（20°C时） εr是反映电介质极化特性的一个物理量。 可见，气体εr接近于1，液体和固体大多在2～6之间。 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。 采用εr较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。 在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用，这时应注意各种材料的εr值之间的配合，因为在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与串联各层电介质的εr成反比。 最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。现简要介绍如下： (一)电子式极化 在外电场 的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩 ，其值为 （矢量 的方向为由－q指向＋q）。这种极化称为电子式极化或电子位移极化。 电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点： 完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。 所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。 (二) 离子式极化 固体无机化合物大多属离子式结构，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，故平衡极矩为零。 在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。 离子式极化的特点： 1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状； 2、所需时间很短，其 几乎与外电场频率无关。 温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其 一般具有正的温度系数。 (三)偶极子极化 极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。 极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。 出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。 偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，10－10～10－2s，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系。 偶极子极化与频率f 的关系： 频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当于直流电场下的相对介电常数，f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变， 值不断下降；当f ＝f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化， 减小到 。 偶极子极化与温度t的关系： 温度升高时，分子热