1.电介质的极化、电导和损耗.ppt

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1、高电压技术高电压技术赵来军赵来军电力工程系电力工程系High Voltage Technology绪论绪论v课程地位：电气工程专业平台课之一课程地位：电气工程专业平台课之一v课程学时安排：讲课课程学时安排：讲课4040学时，学时，实验实验1616学时学时(独立开课独立开课)v成绩评定：考试成绩评定：考试7070(考勤课堂回答问考勤课堂回答问题题+作业作业)30)30 v教材：教材：高电压技术高电压技术（第四版）沈其工等编（第四版）沈其工等编v参考书：参考书：高电压工程高电压工程，中国电力，林福昌，中国电力，林福昌电网过电压教程电网过电压教程，中国电力，陈维贤，中国电力，陈维贤高电压试验技术高电

2、压试验技术，清华，张仁豫，清华，张仁豫高电压技术高电压技术，中国电力，赵智大，中国电力，赵智大v高压（高压（HVHV）：）：3535220KV220KVv超高压（超高压（EHVEHV）：）：330330750KV750KVv特高压（特高压（UHVUHV）：）：1000KV1000KV及以上及以上 一输电电压等级的划分：一输电电压等级的划分：二高电压技术的研究对象二高电压技术的研究对象v高电压绝缘与试验高电压绝缘与试验：1.1.绝绝缘缘材材料料(电电介介质质)的的电电气气物物理理性性能能和和击击穿的理论、规律（实践到理论）。穿的理论、规律（实践到理论）。2.2.高高压压试试验验：判判断断、监监视

3、视绝绝缘缘质质量量的的主主要要试验方法。试验方法。v电力系统的过电压：电力系统的过电压：3.3.过电压的成因与限制措施。过电压的成因与限制措施。三、高电压学科的特点三、高电压学科的特点 6四、研究课题四、研究课题1 输变电设备的状态及绝缘监测预报输变电设备的状态及绝缘监测预报2 OVT&OCT3 输变电设备的介质损耗、局部放电测量输变电设备的介质损耗、局部放电测量4 系统谐振及防止方法系统谐振及防止方法5 电磁兼容问题电磁兼容问题6 Lightning的研究、防护方法的研究、防护方法7 气体放电理论与应用气体放电理论与应用8 新绝缘材料研究新绝缘材料研究9 接地网的优化、地中电流的研究接地网的

4、优化、地中电流的研究10 污秽及防止方法、新型绝缘子的研究污秽及防止方法、新型绝缘子的研究11 其他领域：环境保护、表面处理、可再生能源、其他领域：环境保护、表面处理、可再生能源、国防领域等国防领域等7第一篇：高电压绝缘及试验第一篇：高电压绝缘及试验v第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗v第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程v第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度v第四章第四章 固体、液体和组合绝缘的电气强固体、液体和组合绝缘的电气强度度1-1 电介质的极化电介质的极化(dielectric polarization)极化：极化：在外加电场的作用下，

5、电介质中的正、负电在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极形成电矩（偶极矩）矩）第一章电介质的极化、电导与损耗10固体介质表面出现束缚固体介质表面出现束缚电荷电荷相对介电常数相对介电常数反映极化、储能特性反映极化、储能特性极化的基本形式1.电子式极化电子式极化2.离子式极化离子式极化3.偶极子极化偶极子极化4.空间电荷极化（夹层极化）空间电荷极化（夹层极化）11电子位移极化电子位移极化特点：存在于一切电介质特点：存在于一切电介质建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-14 10-15s极化程度影响因素：极化程度影响因素

6、：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（无关）温度（无关）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：无消耗能量：无1 电子位移极化电子位移极化2.离子位移极化极化机理：正负离子位移极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-1210-13 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加）温度（随温度升高而增加）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：极微消耗能量：极微 偶极子极化偶极子极化3.转向极化转向极化极化机理：极化机理：

7、极性分子转向极性分子转向介质类型：介质类型：偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质建立极化时间：建立极化时间：需时较长，需时较长，10-6 10-2 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（有关）电源频率（有关）温度（低温段随温度增加，温度较高时降低）温度（低温段随温度增加，温度较高时降低）极化弹性：极化弹性：非弹性非弹性消耗能量：消耗能量：有有4.空间电荷极化空间电荷极化极化机理：正负离子移动极化机理：正负离子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长建立极化时间：很长极化程

8、度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（低频下存在）电源频率（低频下存在）温度（有关）温度（有关）极化弹性：非弹性极化弹性：非弹性消耗能量：有消耗能量：有夹层式（界面）极化 当当t=0:当当t=:18 v一般情况下：一般情况下：v 电电荷荷从从t=0到到t=时时会会重重新新分分配配，在在介介质质的的交交界界面面处处积积累累电电荷荷。这这些些电电荷荷形形成成的的极极化化形形式式称称夹夹层层式式（界界面）极化。面）极化。v极化的时间常数：极化的时间常数：高高压压绝绝缘缘介介质质的的电电导导G通通常常都都很很小小，因因此此夹夹层层极极化只有在低频时才有意义。化只有在低

9、频时才有意义。v同同样样，去去掉掉外外加加电电压压后后，释释放放极极化化电电荷荷的的时时间间也也很很长。注意安全。长。注意安全。19 为便于比较，将上述各种极化列为下表为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类极化种类产生场合产生场合所需时间所需时间能量损耗能量损耗产生原因产生原因电子位移极化电子位移极化任何电介质任何电介质10-15 s无无束缚电子运行束缚电子运行轨道偏移轨道偏移离子位移极化离子位移极化离子式结构电离子式结构电介质介质10-13 s几乎没有几乎没有离子的相对偏离子的相对偏移移转向极化转向极化极性电介质极性电介质10-610-2 s有有偶极子的定向偶极子的定向排列排列夹层极化夹

10、层极化多层介质的交多层介质的交界面界面10-1 s数小数小时时有有自由电荷的移自由电荷的移动动讨论极化的意义：不同应用场合，对不同应用场合，对 大小的要求不同大小的要求不同 选择电容器的介质时，希望选择电容器的介质时，希望 大；选择电缆绝大；选择电缆绝缘结构的材料时，希望缘结构的材料时，希望 小。小。组合绝缘的配合组合绝缘的配合 对对于于多多层层介介质质，在在交交流流及及冲冲击击电电压压下下，各各层层电电压压分分布布与与其其 成成反反比比，要要注注意意选选择择，使使各各层层介介质质的的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用21极化类型影响介质损耗，从而影响

11、绝缘劣极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿化和热击穿 极极化化形形成成和和介介质质损损失失有有关关，要要掌掌握握不不同同极极化化类型对介质损失的影响。类型对介质损失的影响。电气预防性试验项目的理论根据电气预防性试验项目的理论根据 在绝缘预防性试验中，夹层极化可用来判断在绝缘预防性试验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。绝缘受潮情况。例如，水分侵入电介质后，使材例如，水分侵入电介质后，使材 料的介电常数增大，料的介电常数增大，同时水分能增强夹层式极化同时水分能增强夹层式极化 作用，因此，通过测量材料作用，因此，通过测量材料的相对介电常数，就的相对介电常数，就 能判断电介质受潮程度。能判

12、断电介质受潮程度。1-2 电介质的介电常数相对介电常数及其物理意义相对介电常数及其物理意义相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量n气气体体分分子子间间的的距距离离很很大大，密密度度很很小小，气气体体的的极极化化率率很很小小，一一切切气气体体的的相相对对介介电电常数都接近常数都接近1 1n气体的介电常数随温度的升高略有减小，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，但变化很小随压力的增大略有增加，但变化很小1气体电介质的介电常数部分气体的相对介电常数（环境条件部分气体的相对介电常数（环境条件 20,1 20,1 atmatm）气体种类气体

13、种类相对介电常数相对介电常数氦氦1.000072氢氢1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空气空气1.00059 非极性和弱极性电介质非极性和弱极性电介质 如如石石油油、苯苯、四四氯氯化化碳碳、硅硅油油等等，r数数值值不不大大，在在1.8 2.8范范围围内内。介介电电常常数数和和温温度度的的关关系系和和单单位位体体积中的分子数与温度的关系相似。积中的分子数与温度的关系相似。极性电介质极性电介质 如如蓖蓖麻麻油油、氯氯化化联联苯苯等等，r数数值值在在4 6范范围围内内，还能用作绝缘介质。还能用作绝缘介质。强极

14、性电介质强极性电介质 如如酒酒精精、水水等等，r10，此此类类液液体体电电介介质质用用作作电电容容器器浸浸渍渍剂剂，可可使使电电容容器器的的比比电电容容增增大大，但但通通常常损耗都较大。损耗都较大。2液体电介质的介电常数（1）T不变，f增大，r 减小。（2）f不变，T升高，r先增（分子间黏附力）后减（热运动）频率频率 f1f2f3介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）非极性和弱极性固体电介质：非极性和弱极性固体电介质：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；只有电子式极化和离子式极化，r不大，通常在2.02.7范围；介电常数与

15、温度的关系与介质密度与温度的关系相近极性固体电介质：极性固体电介质：树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等r 较大，一般为36，还可能更大。r和T及f的关系和极性液体的相似离子性电介质：离子性电介质：如陶瓷，云母等，相对介电常数r一般在58左右3 固体电介质的介电常数固体电介质的介电常数1-3 电介质的电导电介质的电导来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。电子电导电介质的电导离子电导（主要）与导体的电导相比，电介质电导的特点：1）主要载流子是离子2）电导率随温度升高而指数上升。291.定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向定义：在

16、电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流。移动而形成电导电流。要点：要点：带电质点主要是离子，也称离子式电导带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率指标：用电导率(s/)表示表示 绝缘材料的电阻率：绝缘材料的电阻率：1081020导体的电阻率：导体的电阻率：10-810-4半导体的电阻率：半导体的电阻率：10-41072.电介质电导与金属电导的区别电介质电导与金属电导的区别 3.液体和固体电介质的液体和固体电介质的与温度的关系：与温度的关系：带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；金属中为自由电子金属中为自由电子

17、数量级：电介质的数量级：电介质的小，泄漏电流小；金属的电导电流很大小，泄漏电流小；金属的电导电流很大 电导电流影响因素：电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。主要因素。温度温度 热运动加剧热运动加剧离子迁移率离子迁移率 介质分子或杂质热离解介质分子或杂质热离解 电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温度系数。的温度系数。分成三个区域分成三个区域 区区域域1：液液体体电

18、电介介质质的的电电导导在在电电场场比比较较小小的的情况下，遵循欧姆定律情况下，遵循欧姆定律 区区域域2：随随着着场场强强的的增大，有一平坦区域增大，有一平坦区域 区区域域3：场场强强继继续续增增大大超超过过某某一一极极限限，引引起起电流激增，最终击穿电流激增，最终击穿液体电介质中电压电流特性液体电介质中电压电流特性工程中，极其纯净的液体电介质，第二区可能观测不到。工程中，极其纯净的液体电介质，第二区可能观测不到。固体电介质中电流固体电介质中电流固体电介质中电流固体电介质中电流II与外施电压与外施电压与外施电压与外施电压UU的关系的关系的关系的关系 4.固体电介质的体积电阻和表面电阻固体电介质的

19、体积电阻和表面电阻体积电阻电介质内部绝缘状态的真实反映。体积电阻电介质内部绝缘状态的真实反映。表面电阻受介质表面吸附的水分和污秽影响。表面电阻受介质表面吸附的水分和污秽影响。水分起着特别重要作用。水分起着特别重要作用。亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大；亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大；憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）表面电导小。表面电导小。电介质的绝缘电阻v定义：定义：v电介质中的绝缘电阻一般为电介质中的绝缘电阻一般为M v特点：特点：1）负温度系数负温度系数2）随外施电压上升而下降。随外施电压上升而下降。3）随加压时间延长而增大。）随加压时间延

20、长而增大。35电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系电介质中的电流与时间的关系36i=ic+ia+igic:电容电流电容电流ia：吸收电流吸收电流，由各种由各种 极化过程产生极化过程产生ig：电导电流电导电流，或泄漏或泄漏 电流电流讨论电导的意义：1）在绝缘预防性实验中，由在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻绝缘电阻或者泄漏电流判断或者泄漏电流判断绝缘是否受潮或者劣化。绝缘是否受潮或者劣化。2）直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其电压分电压分布布与电导成反比，设计时需考虑与电导成反比，设计时需考虑。3）设计绝缘结构时，要考虑到设计绝缘结构时，要考虑到环

21、境对电导的影响环境对电导的影响。4）对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小表表面的泄漏电流面的泄漏电流以保证得到高电压。以保证得到高电压。5）有些情况下要设法有些情况下要设法减小绝缘电阻值减小绝缘电阻值。如高压套管附近涂上。如高压套管附近涂上半导体釉等。半导体釉等。371.4 电介质的损耗电介质的损耗(dielectric loss)任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。耗。电介质的能量损耗

22、简称介质损耗。1.介质损耗的含义介质损耗的含义能否用介质损耗能否用介质损耗能否用介质损耗能否用介质损耗PP值得大小来衡量介质的绝缘好坏？值得大小来衡量介质的绝缘好坏？值得大小来衡量介质的绝缘好坏？值得大小来衡量介质的绝缘好坏？2.电介质的三支路等值电路电介质的三支路等值电路C1无损极化无损极化C2-R2有损极化有损极化R3电导损耗电导损耗吸收曲线吸收曲线3.电介质在直流电压作用下的吸收现象电介质在直流电压作用下的吸收现象|充充电电电电流流|吸吸收收电电流流|泄泄漏漏电电流流4.介质损耗角正切介质损耗角正切tg 交流电压作用下的向量图：交流电压作用下的向量图：介质损耗角介质损耗角 为功为功率因数

23、角率因数角 的余角，其的余角，其正切正切 tg 又可称为介质损又可称为介质损耗因数，常用百分数耗因数，常用百分数（%）来表示。）来表示。并联等值电路：并联等值电路：并联电路中并联电路中：由相量图：由相量图：介质损耗正切角（tg)44影响极性电介质tg的主要因素之一：温度tg和温度的关系45tt1:极化损耗、电导极化损耗、电导损耗都上升损耗都上升;t1tt2:极化减弱，电导极化减弱，电导上升，电导占主导上升，电导占主导;当当f增加时，极化程度增加时，极化程度降低，因此需要提高降低，因此需要提高温度才能达到最大值。温度才能达到最大值。影响tg的主要因素之二：频率v当频率不太高时，当频率不太高时，随

24、随f增加，偶极子转增加，偶极子转向加快，损耗增加；向加快，损耗增加；v当频率大过某一值当频率大过某一值后，偶极子来不及后，偶极子来不及转向，损耗减小。转向，损耗减小。46tg和频率的关系影响tg的主要因素之三：外加电压v外加电压低，总损耗电导损耗极化损耗v外加电压超过U0时，介质内部开始出现局部放电，消耗电离能。总损耗电导损耗极化损耗电离损耗47tg和外加电压的关系5.讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义 u设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tgtg 值。若值。若tgtg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击

25、穿导致热击穿u用于冲击测量的连接电缆，其用于冲击测量的连接电缆，其tgtg 必须要小，否则必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度度u在绝缘试验中，在绝缘试验中，tgtg 的测量是一项基本测试项目。的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tgtg 将显著增加，将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tgtg U U的的关系曲线加以判断关系曲线加以判断u用做绝缘材料的介质，希望用做绝缘材料的介质，希望tgtg 小。在其他场合，小。在其他场合，可利用可利用tgtg 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程介质损耗发热，加速干燥过程