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1、第五部分 高电压技术第2章 电介质的电气性质2.1 电介质的极化极化的概念：当有外电场作用时，正、负电荷受电场力的作用，其相对位置发生变化，电介质的表面出现电荷，这种现象称为电介质的极化。2-1 极化电路图电介质的极化有四种基本形式：电子式极化、离子式极化、偶极子式极化（转向极化）夹层极化。1、电子式极化 在外电场作用下，原子外层电子轨道相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，这就是电子式极化。 E=0 E (a) (b)（a）极化前；（b）极化后图2-2 电子式极化示意图电子式极化特点：时间短，无能量损耗，弹性极化。2、离子式极化具有离子结构的绝缘介
2、质，在外电场作用下，正、负离子偏移其平衡位置，作用中心不再重合，使整个分子呈现极性，这种极化称为离子式极化。 E=0 E (a) (b)（a）极化前（b）极化后图2-3 离子式极化示意图离子式极化特点：时间短，无能量损耗，弹性极化。3、偶极子极化有些电介质的分子正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子（偶极子），这种电介质称为极性电介质，如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，整个介质对外并不表现出极性。UU电极电介质 E图2-4 偶极子极化示意图出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列， 因而显出极性，这种极化称为偶
3、极子极化或转向极化。偶极子式极化特点：时间较长，有能量损耗，非弹性极化。4、夹层极化前面所讲的三种极化均是在单一电介质中发生的。但在高压设备中，常应用多种介质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这时在介质的分界面上会产生“夹层极化”现象。 图2-5 夹层极化示意图一般有结果使得电荷重新分配，在两层介质的交界面两侧出现不等量的异号电荷，从而显示出电的极性来（分界面上正电荷比负电荷多，呈现正极性，否则，呈现负极性），称为夹层极化。夹层式极化特点：时间很长，有能量损耗，非弹性极化。关于夹层极化的几点说明：（1）夹层极化的过程很缓慢，但当绝缘受潮时，由于电导增大，极化完
4、成时间将大大下降。（2）如果吸收过程缓慢，那么在去掉外加电压后，电介质内部的吸收电荷被释放出来也同样缓慢。（3）对使用过的大电容设备，应将两电极短接并彻底放电，以免有吸收电荷释放出来，危及人身安全。5、介电常数介电常数是表征电介质在电场作用下极化程度的物理量。U图2-6 相对介电常数：6、电介质极化在工程实际中的应用（1）作电容的材料的介电常数要大；用作其他电气设备的绝缘介质，则希望r小些。（2）在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强分布与介电常数成反比。如果绝缘中存在气泡，由于气体的r是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先气泡处发生局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。（3）利用
5、夹层极化可以判断绝缘受潮的情况。例如，水分侵入电介质后，使材料的介电常数增大，同时水分能增强夹层式极化作用，因此，通过测量材料的相对介电常数，就能判断电介质受潮程度。2.2 电介质的电导电导的概念：电介质在电场作用下其内部带电质点作定向运动形成电流的现象称为电介质的电导。C0电介质的损耗概念：在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为电介质的损耗。表征电介质导电性能的主要物理量为电导率 或其倒数电阻率 。 金属导体：温度升高，电阻增大，电导减小。 无损极化电流（几何充电电容电流）绝缘介质：温度升高，电阻减小，电导增大。 总电流2、 电介质中
6、的电流及其等值电ic路C0iCa有损极化电流（吸收电流）iaR绝缘电阻泄漏电流+Uiitiiciai=ic+ia+i（a）C0（b）（c）（a） 在介质上施加直流电压；（b）直流电压下流过介；（c）介质的等值电路icC0图2-7 等效电路图3、泄漏电流与绝缘电阻泄漏电流：在直流电压作用下，经过一定时间，当极化过程结束后，流过介质的稳定电流称为泄漏电流或电导电流。绝缘电阻：绝缘介质上施加的直流电压与总电流的比值，称为绝缘电阻，该绝缘电阻显然由小到大变化。工程上通常所指的绝缘电阻是指施加规定的直流电压1min（60s）后的测量值。注意：固体介质的绝缘电阻包括体积绝缘电阻和表面绝缘电阻，是它们两者并
7、联的总阻值，即 通常所讲的绝缘电阻是指体积绝缘电阻，故测量时， 通常应设法去除表面绝缘电阻的影响。R1：体积绝缘电阻，由绝缘材料本身特性及尺寸决定；体积电阻率愈大，绝缘性能愈好。R2：表面绝缘电阻，由附着于介质表面的水分和其他污物引起。4、研究电导的意义 （1）在高压设备绝缘预防性试验中，测量电介质的电导（或绝缘电阻，绝缘电阻的倒数称为电导）、吸收比或泄漏电流可以判断绝缘是否受潮。图2-8 电介质的电导、吸收比或泄漏电流示意图 （2）多层介质在直流电压作用下的稳态电压分布与各层介质的电导成反比。（3）设计绝缘时，要考虑到绝缘的使用条件，特别是湿度的影响。如有时需作表面防潮处理，如在胶布（或纸）
8、筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。（4）研究介质损耗的理论依据。电导产生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升高，有时必须降低设备的工作电流。电导损耗还可能导致介质发生热击穿。作为绝缘介质，希望其电导越小越好。2.3 电介质的损耗1、电介质损耗的概念：在电压作用下，绝缘介质消耗的有功功率，包括极化损耗和电导损耗。在直流电压下，仅有电导引起的能量损耗；在交流电压下，除了电导损耗外，还由于存在周期性的有损极化引起的能量损耗。衡量介质损耗大小的参数为介质损耗因数tan。2、 介质损耗因数tan：在交流电压作用下，绝缘介质有功电流与无功电流的比值，常用百分数（%）来表示。说明：（1）通
9、常不用有功功率P来表示介质品质好坏，因为P值与试验电压的平方和电源频率成正比，与试品电容量等因素有关，不同试品之间难以进行比较。（2）介质损失角正切tan与试验电压、试品电容量无关，完全取决于被试品的内在特性，故常用来判断介质的品质,即在交流电压下的损耗大小。作为绝缘介质，其tan越小,损耗越小,品质越好。如以一块放置于平行板电极中的矩形材料为例，其横截面积为A，厚度为d，由下面分析可知，介质损耗因数与材料的几何尺寸无关。3、研究介质损耗的意义（1）在设计绝缘结构时，必须注意到绝缘材料的，若值过大则会引起严重发热，使材料容易劣化，甚至可能导致热击穿。（2）用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的介损值必须很小，否则冲击波在电缆中传播时将引起严重畸变，影响测量精确度。（3）在电气设备绝缘预防性试验中，测量tan可用于发现绝缘整体受潮等缺陷。图2-9