电介质的极化和电导.ppt

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1、高压电气试验,理实一体课程,本课程的教学标准,学期授课计划,1、研究对象,（1）绝缘又称为电介质，分气体、液体和固体三类。 它的作用是将不同电位的导体分开；绝缘在运行中要承受各种电压的作用，电压较低时会发生极化、电导和损耗现象，电压超出临界值时会发生击穿现象。,一、本课程研究的对象及特点,绝缘技术；绝缘的试验技术及设备；,模块一 绝缘电阻测量,情境一 电介质的极化和电导,（1）抽象性、多学科性、边缘性、不完善性；,2、本课程的特点,（2）实践性、危险性、工程性；,（2）研究击穿特性需要做高压试验，涉及到试验电源、测 量仪器、手段方法（在线、离线、智能化）等。,在设计、生产、试验、运行时要研究各

2、种电介质在电压下 的电气物理性能，特别是在高压下的击穿特性。,(1) 装机容量、发电量迅速增长,建国后到1960年，装机容量突破1000万kW，居世界第9位；1987年突破1亿kW，居世界第4位；1996年装机容量达到2.37亿kW，跃居世界第2位，实现了全国电力供需基本平衡；2000年突破3亿kW，仍居世界第2位；2004年，总装机容量达到4.4亿KW，居世界第1位；2010年，总装机容量达到9亿KW。,二、本次课程主要内容（9个方面）,1、我国电力发展的概况,(2) 用电量迅速增长,2004年全国用电量是1981年的7.08倍，其间用电量年均增长8.88，20002004年用电量年均增长1

3、2。根据预测，20042020年我国用电需求仍将保持较高的增长率，20052010年年均用电增长率在6以上，预计20112020年年均用电增长率5。,(3) 电网的建设有较大发展,建国后，1952年建设了110kV输电线路，逐渐形成京津唐110kV输电网； 1954年建成丰满李石寨220kV输电线，逐渐形成东北电网220kV骨干网架； 1972年建成330kV刘家峡关中输电线路，以后逐渐形成西北电网330kV骨干网架；,1981年建成500kV姚孟武昌输电线路，1983年又建成葛洲坝武昌和葛洲坝双河两回500kV线路，开始形成华中电网500kV骨干网架。1989年建成500kV葛洲坝上海超高压

4、直流输电线路，实现了华中华东两大区的直流联网。,我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证、研究、试验等，并于2005年9月在西北网建成投产了750kV输电线路（官亭兰州）。 2009年1月，我国电压等级最高的1000kV特高压输电线路开始试运行（晋东南-南阳-荆门）。,800KV云广特高压直流输电工程2009年投产。,电力发展为何需要越来越高的电压？,理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比，电 压提高1倍，输送功率将提高4倍；,大容量输电的需求：高效率的大型、特大型发电机组的建造投运，以其为基础建设的特大容量规模发电基地，需要更高电压的输电网。,资源配置要求：资源中心在西部，能源负荷

5、中心在东部，特高压输电实现更大范围的资源优化配置。,2、高压的分类,输电电压一般分高压、超高压和特高压。,国际上，高压（HV）通常指35220kV的电压； 超高压（EHV）通常指330kV及以上、750kV及以下电压； 特高压（UHV）指1000kV及以上的电压。 高压直流（HVDC）通常指的是600kV及以下的直流 输电电压； 600kV以上的电压称为特高压直流（UHVDC）。,前苏联1150kV输电线于1985年建成两段，到1992年经过了 6年的商业运行考验；,日本于上世纪80年代建设东西和南北两条1000V输电主干线， 将位于东太平洋沿岸的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送 到东京。这两

6、条线目前降压至500kV运行。,液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。,常用的液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 常用的固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶等,3、电介质的种类和应用,按状态分气体、液体和固体三类,气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；,4、电介质的极化和介电常数,（1）极化定义,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。,（2）介电常数,表示极化强弱程度的一个物理量。,以真空平板电容器为例分析：,极化前：,极化后：,为保持场强不变，极板上电荷必然会增加，以抵消极化电荷 产生的反电场.,引入相对介电常数表示 各种介质与真空

7、的比较：,是反映电介质极化特性的一个物理量。,气体 接近于1，因密度小、极化率低；液体和固体多在26之间。 用于电容器的绝缘材料，希望选用 大的介质，可使单位电容的体积和重量减小。 其他电气设备中总是选 较小的介质，因介质损耗较小。 采用 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。 采用组合绝缘时应注意各种材料 值之间的配合，在交流电压下，串联多层介质的场强分布与介质的 成反比。,5、极化的种类,（1）无损极化：,电子式和离子式, 电子式极化,特点：极化时间很短； 各种频率下均可发生， 与外加频率无关； 具有弹性，无损耗； 温度影响不大。, 离子式极化,特点：极化时间稍长；

8、与频率无关； 弹性极化，无损； r具正的温度系数；,温度较低时，T分子间作用力转向容易极化；, 偶极子极化,（2）有损极化：,偶极子和夹层极化,特点：,极化时间较长；,有能耗；,频率对极化有影响；, 夹层极化,合闸瞬间：,温度较高时热运动加剧 阻碍转向极化,非弹性极化；,一般介质不均匀，初始与稳 态值不同，于是两层介质上 有一电压重新分配过程，亦 即C1、C2上电荷重新分配， 在此过程中，分界面上将集 聚起多余的电荷，从而对外 显出极性来。,极化结果：,等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性。,极化特点：,与分子结构无关； 极化时间长（R很大时）； 有能耗；,稳定后：,6、电导的概念及分类,电

9、介质电导分为离子电导、电子电导等，主要表现为前者。,（1）概念：表征电介质导电性能的物理量，其倒数称为 电阻；又常用电导率衡量，其倒数为电阻率。,（2）电导的分类：,电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少； 如果电子电流较大，则介质已被击穿。,离子电导：,本征离子电导：极性电介质本身离解所呈现的电导； 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离解呈现的电导。 电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化态的胶体粒子（如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了带电粒子。,表面电导：,对固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受 外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻时，应

10、尽 量排除表面电导的影响，清除表面污秽、烘干水分、在测 量电极上采取一定的措施。,7、绝缘电阻和吸收现象,电介质的电阻通常称为绝缘电阻。对于绝缘材料，人们关 注的多是其绝缘性能，而绝缘电阻的高低在一定程度上反 映了绝缘性能的好坏，所以对绝缘材料，我们常讨论其绝 缘电阻，这是与对导体我们常关注其电导不同的。,（2）流过电介质的电流及吸收现象：,（1）绝缘电阻的一般概念：,i=i1+i2+Ig,以施加直流为例，流过介质内部的电流：,i1充电电流：无损极化对应的纯电容电流，又称快极化电流；,Ig电导电流：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即俗称的泄漏电流。,i2吸收电流：为有损极化对应的电流(主要

11、为夹层极化)， 又称慢极化电流；,根据内部物理 过程，总电流 i可分解为三部 分：,我们所说电介质的绝缘电阻，就是此时电介质上所加直流电压与此稳定电流值的比值，即,而在施加直流电压一段时间后，电介质中的电流逐渐减小， 像是被“吸收”掉了一样的现象，就是常说的“吸收现象”。,讨论：,1、吸收现象的本质是什么？对电介质的绝缘电阻有何影响？,8、影响电介质电导的因素,（1）电压（电场强度）：,电导电流随电压增大而增大,（2）杂质：,杂质是液体介质中带电质点的重要来源。 中性液体离子主要来源于杂质分子的离解； 极性液体除杂质外本身分子也易离解，所以同等条件下， 其电导率比中性液体要大。,液体介质：,固

12、体介质：,杂质也是固体电介质体积电导的重要来源， 杂质含量增大时，体积电导会明显增大。,固体、液体介质的电导率与温度T 的关系： 式中：A、B 为与介质有关的常数。T为绝对温度，单位为 K。该式表明, 介质的电导随温度T按指数规律上升。,（3）温度：,中性或弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起； 极性固体介质除此外本身分子离解为自由离子也是形成 体积电导的主要因素。,讨论：,2、电介质的电导（电阻）与导体的电导（电阻）有何异同？温度对它们有何影响？,9、绝缘电阻的特点,(1) 绝缘电阻会随着加压时间的延长而变化，,(2) 具有负的温度系数，而金属电阻具有正的温度系数；,因此测量 介质或设备的绝缘电阻时应加压时间长一些；,(4)对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电阻RS，由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。,(3) 由于 与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加自由电子的导电现象， 造成 剧烈下降；,四、自学,1、电介质极化在工程上的意义,2、电介质电导的工程意义,五、小结,思考题,1-1、1-5、1-6,六、下次课程任务,绝缘电阻的测量原理、方法及实际测量练习,