第3章液体和固体介质的电气特性

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1、田付强田付强 副教授副教授牵引供电研究所Email: 办公室：电气楼808办公电话：010-51685212-604手机：13269338705第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程第二第二章章 气体介质的电气强度气体介质的电气强度第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性 第一第一节节 液体液体和固体介质的极化和固体介质的极化、 电导电导和损耗和损耗1第二节第二节 液体介质的击穿液体介质的击穿23第三节第三节 固体介质固体介质的击穿的击穿4第四节第四节 组合绝缘的电气强度组合绝缘的电气强度第三章第三章 液体

2、和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性液体液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的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：液体和固体介质为： 液体介质：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、玻璃、硅橡胶硅橡胶本章引言本章引言电介质的电气特性主要表现为他们在电场作用下的电介质的电气特性主要表现为他们在电场作用下的导电导电性能、性能、介电性能介电性能和和电气强度电气强度。它们分别以四个主要参数，即。它们分别以四个主要参数，即电导率电导率、介电常数、介电常

3、数、介质损耗角正切、介质损耗角正切tg、击穿场强、击穿场强Eb。本章将主要介绍液体和固体介质四大电气参数的基本概本章将主要介绍液体和固体介质四大电气参数的基本概念及它们在温度、湿度、电场强度、频率、电压类型等因素念及它们在温度、湿度、电场强度、频率、电压类型等因素影响下的变化规律。影响下的变化规律。一一电介质电介质的极性及化学键的极性及化学键结构决定性质。电介质的极化、电导和损耗性能与其分子键构结构决定性质。电介质的极化、电导和损耗性能与其分子键构成密切相关成密切相关离子键（强极性键）离子键（强极性键）强极性分子强极性分子共价键共价键正、负离子之间形成很大的键矩正、负离子之间形成很大的键矩原子

4、电负原子电负性相同性相同非极性键非极性键非极性分子非极性分子共用电子对共用电子对的电子云对称的电子云对称分布在两个原子核中间分布在两个原子核中间原子电负原子电负性不同性不同极性键极性键一个极性一个极性键组成键组成结构对称结构对称多个极性多个极性键组成键组成极性分子极性分子结构不对称结构不对称化学键化学键极性分子极性分子非极性分子非极性分子第一节第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗液体和固体介质的极化、电导和损耗二二电介质的极化电介质的极化1. 极化的概念和相对介电常数极化的概念和相对介电常数 电介质的极化电介质的极化电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电

5、场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。u 实验显示，加同样大小直流电压实验显示，加同样大小直流电压Up 极板中为真空时：极板上电荷量极板中为真空时：极板上电荷量为为Q0；p 极板中为固体介质时：极板中为固体介质时：极板上电极板上电荷量增加了荷量增加了，为，为Q0+Q问题问题:为什么极板中为固体介为什么极板中为固体介质时，电荷量会增加？质时，电荷量会增加？固体电介固体电介质加电场质加电场固体中原来彼此中和的正固体中原来彼此中和的正负电荷按电场方向运动负电荷按电场方向运动同量的负电荷在同量的负电荷在极板上吸引出同极板上吸引出同量的正电荷量的正电荷正电

6、荷靠近正电荷靠近负极板负极板负电荷靠近负电荷靠近正极板正极板同量的正电荷在同量的正电荷在极板上吸引出同极板上吸引出同量的负电荷量的负电荷增加了极板上的电荷量增加了极板上的电荷量电介质的极化电介质的极化导致了极板上电荷量的增加导致了极板上电荷量的增加u 极间为真空时极板的电容：极间为真空时极板的电容：000QACUd u 极间为固体介质时极间为固体介质时,电容量将增电容量将增大为：大为：Q是由电介质极化引起的束缚电荷是由电介质极化引起的束缚电荷0QQACUd 介质的介电常数介质的介电常数0真空的介电常数真空的介电常数A极板面积极板面积，cm2d极间距离极间距离，cm 相对介电常数相对介电常数ru

7、 r是反映电介质极化特性的一个物理量。是反映电介质极化特性的一个物理量。表征电介质在电场表征电介质在电场作用下的极化程度。作用下的极化程度。 介电常数越大，表明介质越容易极化介电常数越大，表明介质越容易极化 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近一切气体的相对介电常数都接近1，液体和固体多在，液体和固体多在26之间（表之间（表3-1）。）。0000rQQCCQ 2. 电介质极化的种类电介质极化的种类 电子式极化电子式极化p 在外电场在外电场 的作用下，介质的作用下，介质原子中的原子中的电子轨道将相对于电子

8、轨道将相对于原子核发生弹性位移原子核发生弹性位移。正负。正负电荷作用中心不再重合而出电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩，即对外显出现感应偶极矩，即对外显出电性，发生极化。电性，发生极化。E u 极化机理极化机理 电子式极化存在于一切气体、液体和固体电介质电子式极化存在于一切气体、液体和固体电介质中；中； 完成极化需要的时间极短完成极化需要的时间极短10-1410-15s，r与与电源频电源频率无关；率无关； 极化具有弹性，即外电场消失，整体恢复中性。极化具有弹性，即外电场消失，整体恢复中性。所以所以电子式极化不产生能量损耗，不会使介质发电子式极化不产生能量损耗，不会使介质发热；热； 温度对极化

9、影响小。温度对极化影响小。u 电子式极化的特点电子式极化的特点 离子式极化离子式极化 无外电场时：无外电场时：晶体的正、负晶体的正、负离子对称排列，各个离子对离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。极矩为零。 在出现外电场后：在出现外电场后：正、负离正、负离子将发生方向相反的偏移，子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。质呈现极化。u 极化机理极化机理 离子式极化存在于一些固体无机化合物中，如云母，离子式极化存在于一些固体无机化合物中，如云母，陶瓷等；陶瓷等； 极化需要的时间极短极化需要的时间极短10-15s

10、，r与与电源频率无关；电源频率无关； 极化具有弹性，极化具有弹性，不产生能量损耗。不产生能量损耗。 温度对离子式极化的影响，存在相反的两种作用温度对离子式极化的影响，存在相反的两种作用p 注意：通常前一种影响较大，注意：通常前一种影响较大，r一般具有正的温度系数。一般具有正的温度系数。温度升高：离子间的结合力减小温度升高：离子间的结合力减小极化程度增强；极化程度增强；温度升高：温度升高：离子的密度减小离子的密度减小极化程度减弱极化程度减弱。u 离子式极化的特点离子式极化的特点 偶极子极化偶极子极化 无外电场时：无外电场时：极性分子的极性分子的偶极子因热运动而杂乱无偶极子因热运动而杂乱无序的排列

11、着，宏观电矩为序的排列着，宏观电矩为零，整个介质对外不表现零，整个介质对外不表现出极性；出极性； 在出现外电场后：在出现外电场后：杂乱的杂乱的偶极子将沿电场方向转动，偶极子将沿电场方向转动，有规则的排列，显示出极有规则的排列，显示出极性。介质内部电场与外加性。介质内部电场与外加电场相反。电场相反。u 极化机理极化机理 极化时间相对较长极化时间相对较长10-1010-2s，r与与频率有较大关系频率有较大关系u 偶极子极化的特点偶极子极化的特点 频率频率太低时太低时，偶极子将来不，偶极子将来不及转动，及转动，r 值较大。值较大。其中其中：r0相当于直流电场下的相对相当于直流电场下的相对介电常数；介