高电压技术 第1章 电介质的极化、电导和损耗_XL.ppt

高电压技术 广东工业大学 自动化学院 徐亮 email:xugdut@163.com 第一篇 高电压绝缘与试验 教学目标 了解电介质介电常数的物理意义； 掌握电介质极化的基本形式和极化特性； 掌握电介质极化的等值电路； 了解相对介电常数在工程应用上的意义。 教学重点 四种基本极化形式，各自的特点和影响因素。 教学难点 温度和频率对偶极子极化的影响。 1-1 电介质的极化 （a）电极间无介质 （b） 电极间有介质 实验如图所示。平行平扳电容器放在密闭容器内，抽成真空，然后在极板上施加直流电压U。这时极板上积聚有正、负电荷，其电荷量为Q0，然后把一块固体介质（厚度与极间距离相等）放在极板之间，施加同样的电压，就可发现极板上的电荷量增加到Q0+?Q。这是由介质极化现象造成的：即在外施电场作用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，相应地便在极板上另外吸住了一部分电荷?Q，所以极板上电荷增多，并造成电容量亦增大。 平行平板电容器在真空中的电容量为 式中 A - 极板面积，cm2； d - 极板距离，cm； ?0 - 真空的介电常数，8.86?10-14F／cm ? - 介质的介电常数 显然，C C0。 定义： 为相对介电常数。它是充满介质时的几何电容和真空时的静电电容的比值。各种气体的?r均接近于1，而常用的液体、固体介质的?r则各不相同，多在2?6之间，且和温度、电源频率不同而各不相同，并和各种极化形式有关。 极化的形式 极化的类型很多，基本形式有以下四种： 电子式位移极化 任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，且正负电荷作用中心重合，对外不显电性。而在外电场作用下，原子外层电子轨轨道对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态。这就是电子式位移极化。 电子式位移极化存在于一切介质中。它有以下特点： 1.形成极化所需时间很短，在各种频率下都可能发生，故?r与外加电源频率无关； 2.它具有弹性，当外施电压去掉后，正、负电荷的相互吸引力又可使极化原子恢复到原有状态，因是弹性的，故无能量损耗； 3.温度对电子式极化的影响极小，?r随温度上升略有降低，但工程上可忽略温度的影响。 离子式位移极化 固体有机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在无外电场时，正、负离子对称排列，各离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零。在外电场的作用下，正、负离子将发生相反方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩，对外呈现出电性。特点有： 离子式极化与电子式极化一样，也属弹性极化，几乎无损耗； 极化过程的时间较电子式极化稍长，在一般使用的频率范围内，?r与频率无关。 温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素：即离子的结合力随温升升高而降，使极化程度增强；但温度升高，离子的密度减小，极化程度降低。其中以第一种因素影响较大，所以其?r一般具有正的温度系数。 转向极化/偶极子极化 偶极子是正、负电荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正电荷，另一端呈负电荷，分子本身就是一个永久性的偶极矩。由这种永久性的偶极子构成的介质叫极性介质。例如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木、纤维素等均是常用的极性绝缘材料。单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介质分子处于不停的热运动状态，宏观上是正负电荷是平衡的，对外不显电性。在外电场的作用下，原来混乱分布的极性分子沿电场方向作定向排列，因而呈现出极性。 偶极子极化的特点： 1.偶极子极化是非弹性的，因为极化时极性分子旋转时克服分子间的吸引力而消耗的电场能量在复原时不可能收回； 2.极化所需时间较长，为10-10?10-2 s。因此，极性介质的?r与电源频率有较大的关系，随频率的增高而上升，频率很高时，偶极子来不及转向，因而其?r减小。 3.温度对极性介质的?r有很大影响。温度升高时，分子间联系减弱，转向容易，极化加强；但分子热运动加剧，妨碍它们有规律地运动，这又使极化减弱。所以极性电介质的?r最初随温度或高而增加，以后当热运动变得较强烈时，?r又随温度升高而减小。 夹层极化 以上是单一介质的情况。在高压设备中常应用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器绕组等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上产生“夹层极化”现象。这种极化过程特别缓慢，且有能量损耗，属有损极化。 以平板电极间的双层介质为例说明夹