高电压技术第二章讲述.ppt

第二章 液体、固体介质的电气特性 中国石油大学信控学院 薛永端 主要内容 第一节 电介质的极化、电导和损耗 介电常数、电导率、介质损耗角正切、击穿场强 第二节 液体介质的击穿 液体介质击穿的概念 影响液体介质击穿电压的因素 减少杂质影响的办法 第三节 固体介质的击穿 固体介质的电击穿理论 固体介质的热击穿理论 固体介质的电化学击穿理论 第四节 组合绝缘的电气强度 介质的组合原则 组合绝缘中电场 绝缘的老化 2.1 电介质的极化、电导和损耗 关于介质极化、电导、损耗 电场强度远小于击穿场强时，各类介质均有极化、电导和损耗现象。 气体介质很微弱，可忽略。 可只考虑液体和固体。 电介质极化的概念和分类 电介质极化的概念： 在电场力作用下，介质原子正负电荷中心沿电场方向产生有限位移的现象。 电介质极化的分类： 电子式极化 离子式极化 偶极子式极化 夹层介质界面极化 空间电荷极化 电子式极化 原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子云组成 不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，感应电矩为零 电子式位移极化的过程 外加电场时，电场力将使原子核向电场方向位移，电子云向电场反方向位移 当电场力与原子核对电子云的引力平衡时，达到稳定 外电场消失时，恢复正常 所有电介质内均存在电子位移极化 电子式极化是弹性的，不损耗能量 完成时间极短，10-14~10-15S，和可见光周期接近 离子式极化 针对由离子组成的介质。 没有外电场时，各正负离子对构成的偶极矩彼此抵消，合成电矩为零 外电场的作用首先促使离子内部产生电子位移极化 离子式极化过程 外电场作用下，正离子朝电场方向位移、负离子反向位移 电场力和离子引力平衡时稳定 形成一定的合成电矩 有极微量的能量损耗 完成时间短，10-12~10-13S，和红外光周期接近 极化率随温度升高而增加 升温后，离子间距增大，作用力减弱 偶极子式极化 针对于极性电介质 没有外加电场时，分子中的正、负电荷中心也不重合 对于单个分子而言，具有偶极矩 大量分子不规则热运动，宏观上不呈现合成电矩 偶极子式极化过程 外电场作用下，每个分子的固有偶极矩就转向电场方向，顺电场方向作定向排列，呈现宏观电矩。 受分子热运动的干扰，定向排列只能达到某种程度 定向排列的程度，随场强和温度变化。 外电场越强，定向排列越充分，极化越强。 外电场消失，分子热运动使排列重回无序状态 完成时间较长，10-6~10-2S。 频率提高时，转向跟不上电场变化，极化率减小 有能量损耗 空间电荷极化 电子式、离子式、偶极子式极化的机理：都是由带电质点的弹性位移或转向形成 空间电荷极化的机理：由带电质点（电子或正负离子）的位移形成的。 空间电荷极化的过程： 多数绝缘结构中，电介质往往呈层式结构 电场作用下，带电质点位移时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界面上堆积 形成电荷在介质空间的新分布，从而产生电矩。 夹层介质界面极化 一种典型的空间电荷极化 电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大 电荷的堆积是通过介质电导完成的 完成时间很长，几十秒~几分钟。 只有在低频下才有意义 有能量损耗 介电常数（1） 真空中的介电常数 E为场强矢量，V/m D为电位移矢量，即电通量密度矢量，C/m2 介质中的介电常数： 极化电矩产生的反向场强，减弱了合成场强E。 若要保持合成场强E不变，则D值要增加到原来的 倍 为相对介电常数： 特性：与温度、电源频率有关，具体关系取决于极化形式 介电常数（2） 各种极化类型的比较 常用介质的介电常数 温度变化对εr的影响，主要是通过介质体积变化体现的 εr和频率无关的相对性：电源周期极化时间 多层介质动态电位分布：先按介电常数分布，再过渡到按电导分布 因此，必须说明εr对应的极化条件：电源频率、温度 常用电介质的介电常数值，见P39表2-2 环境条件：20oC，工频电压 气体εr很小，接近于1 液体和固体介质的εr大多在2~6之间 介电常数在工程上的意义 几种绝缘材料组合使用时，应注意配合，使电场分布较为合理 对于直流或低频交流电压，最初的电场强度分布与介电常数成反比 应注意：电场分布还与电导有关 有些绝缘结构设计中希望小 如电缆，可减小分布电容电流 有些绝缘结构设计中希望大 如电容器，可减小体积和重量 预防性实验中，利用材料的极化性质有助于判断电气设备的绝缘状态。 电介质的电导 电介质电导的分类：离子电导和电子电导 离子电导：电介质在电场或外界因素影响下（紫外线辐射）本身产生电离，正负离子沿电场方向移动，形成电导电流——即离子电导。 电子电导：在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞电离激发出来自由电子，电子在电场作用下移动形成电子电导电流——即电子电导。 当电子电导电流出现时→