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电介质的极化现象和相对介电常数

更新时间:2024-06-26      点击次数:199

在高电压工程中所用的各种电介质通常称为绝缘介质(或绝缘材料)。绝缘的作用是将不同电位的导体以及导体与地之间分开来,从而保持各自的电位。因此,绝缘是电气设备的重要组成部分。电介质就其形态而言,可分为气体电介质、固体电介质和液体电介质。在实际的电气设备中,绝缘又往往是由各种不同的电介质组合而成,不同的电介质具有不同的电气特性,其基本电气特性可以概括为极化特性、电导特性、损耗特性和击穿特性。表示这些电气特性的基木参数是相对介电常数εr、电导率γ介质损耗角正切tanδ击穿场强Eb

电介质的极化现象和相对介电常数



1.1 电介质的极化

1.1.1 电介质的极化现象和相对介电常数

在外加电场作用下,电介质中的正、负电荷将沿着电场方向做有限的位移或者转向,形成电偶极矩,这种现象称为电介质的极化。

如图1-1(a)所示的平行板电容器,当两极板之间为真空时,在极板间施加直流电压U,这时两极板上则分别充有正、负荷,其电荷量为

                          Q0=C0U                        (1-1)

式中:C0为真空电容器的电容量。

电介质的极化现象和相对介电常数

然后在此极板间填充上其他电介质,这时在外加的直流电场作用下,电介质中的正、负电荷将沿电场方向做有限的位移或转向,从而使电介质表面出现与极板电荷相反极性的束缚电荷,即电介质发生了极化,如图1-1(b)所示。由于外施的直流电压U不变,所以为保持极板间的电场强度不变,这时必须再从电源转移一部分电荷Q到极板上,以平衡束缚电荷的作用。由此可见,由于极板间电介质的加入,致使极板上的电荷量从Q0增加到Q,即

Q=Q0+Q=CU

式中:C为加入电介质后两极板间的电容量。

显然,这时的电容量C比两极板间为真空时的电容量C0增大了。C与C0的比值称为该电介质的相对介电常数εr,,即

电介质的极化现象和相对介电常数

式中:ε为填充介质介电常数ε0为真空的介电常数ε0=8.85×10-12F/m。

工程上一般采用相对介电常数,电介质的相对介电常数εr越大,电介质的极化特性越强,由其构成的电容器的电容量也越大,所以εr是表示电介质极化强度的一个物理参数。

真空的相对介质常数εr=1,各种气体电介质εr都接近于1,而固体、液体电介质εr一般为2~10。几种常用电介质的相对介电常数列于表1-1。

1-1                  常用电介质的相对介电常数和电阻率

材料

名称

介电系数εr        工频(50HZ)20℃)

体积电阻率ρv                 Ω·m)

气体介质(标准大气条件)

 

1.00058


弱极性

变压器油  硅有机油

2.2                   2.2~2.8

1010~1013              1012~1013      

极性

蓖麻油      氯化联苯                                                        

4.5                   4.6~5.2

1010~1011             108~1010  

强极性

酒精     蒸馏水

33              81

104~105             103~104

中性或弱极性

          聚苯乙烯   聚四氟乙烯松      

2.0~2.5                  2.5~2.6              2.0~2.2     2.5~2.6     2.5~3.0

1014

1015~1016                      1015~1016              1013~1014         1013~1014

极性

纤维素                 聚氯乙烯  

6.5               4.5                        3.0~3.5

1014             1011~1012             1013~1014

离子性

           

5~7                    5.5~6.5

1013~1014            1012~1013

介质的相对介电常数εr在工程上具有重要的实用意义,举例如下:

(1)在制造电容器时,应选择适当的电介质。为了追求体积一定、电容量较大的电容器,应选择εr较大的电介质

(2)在设计某些绝缘结构时,为了减小通过绝缘的电容电流及由极化引起的发热损耗,这时则不宜选择εr太大的电介质

(3)在交流和冲击电压作用下,多层串联电介质中的电场分布与εr成反比。这是因为在多层串联介质中,电位移连续D1=D2,即ε0εr1E1=ε0εr2E2,所以E1/ E2=εr2/εr1,即电场分布与εr成反比。因此,可利用不同εr的电介质的组合来改善绝缘中的电场分布,使之尽可能趋于均匀,以充分利用电介质的绝缘强度,优化绝缘结构。比如,在电缆绝缘中,由于电场沿径向分布不均匀,靠近电缆芯线处的电场强,远离芯线处的电场较弱,因此,应使内层绝缘的εr大于外层绝缘的εr,这样就可以使电缆芯线周围绝缘中的电场分布趋于均匀。

1.1.2极化的基本形式

介质的物质结构不同,其极化形式亦不同。下面介绍电介质极化的几种基本形式。

1.电子式极化

组成一切电介质的基本粒子不外乎是原子、分子或离子。而原子则是由带正电荷的原子核和围绕核旋转的电子形成的所谓“电子云"构成。当不存在外加电场时,围绕原子核旋转的电子云的负电荷作用中心与原了核所带正电荷的作用中心相重合,如图1-2所示。由于其正、负电荷量相等,故此时电偶极矩为零,对外不显示电极性。当外加一电场E,在电场力的作用下电子的轨道将相对于原子核产生位移,使原子中正、负电荷的作用中心不再重合,形成电偶极矩。这个过程主要是由电了在电场作用下的位移所造成,故称为电子式极化。

电介质的极化现象和相对介电常数

电子式极化的特点:

(1)电子式极化存在于所有电介质中。

(2)由于电子异常轻小,因此电子式极化所需时间极短,约为10-15s,其极化响应速度最快,通常相当于紫外线的频率范围。这种极化在各种频率的交变电场中均能发生,故εr不随频率而变化;同时温度对其的影响也极小。

(3)电子式极化具有弹性。在去掉外电场作用时,依靠正负电荷之间的吸引力,其正、负电荷的作用中心即刻重合而恢复成中性。

(4)由于电子式极化消耗的能量可以忽略不计,因此称为“无损极化"。

2.离子式极化

在离子式结构的电介质中,无外加电场作用时,由于正、负离子杂乱无章的排列,正负电荷的作用相互抵消,对外不呈现电极性。当有外电场作用时,则除了促使各个离子内部产生电子式极化之外,还将产生正、负离子的相对位移,使正、负离子按照电场的方向进行有序排列,形成极化,这种极化称为离子式极化,如图1-3所示。

电介质的极化现象和相对介电常数

形成离子式极化的时间也很短,约为10-13s,其极化响应速度通常在红外线频率范围,也可在所有频率范围内发生;极化也是弹性的;消耗的能量亦可忽略不计,因此离子式极化也属于无损极化。

3. 偶极子式极化

在极性分子结构的电介质中,即使没有外加电场的作用,由于分子中正、负电荷的作用中心已不重合,就其单个分子而言,已具有偶极矩,因此这种极性分子也叫偶极子。但由于分子不规则的热运动,使各极性分子偶极矩的排列没有秩序,从宏观而言,对外并不呈现电极性。当有外电场作用时,偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向,因此,这种极化被称为偶极子式极化,或转向极化,如图1-4所示。

电介质的极化现象和相对介电常数

由于偶极子的结构尺寸远较电子或离子大,当转向时需要克服分子间的吸引力而消耗能量,因此偶极子式极化属于有损极化;极化时间较长,10-6~10-2s,通常认为其极化响应速度在微波范围以下。所以,在频率不高,甚至在工频交变电场中,偶极子式极化的完成都有可能跟不上电场的变化,因此,极性电介质εr会随电源的频率而改变,频率增加,εr减小,如图1-5所示。

电介质的极化现象和相对介电常数

温度对极性电介质εr也有很大影响,其关系较为复杂。如图1-6所示,当温度升高时,由于分子间的联系力削弱,使极化加强;但同时由于分子的热运动加剧,又不利于偶极子沿电场方向进行有序排列,从而使极化减弱。所以极性电介质εr最初随温度的升高而增大,当温度的升高使分子的热运动比较强烈时,εr又随温度的升高而减小。

电介质的极化现象和相对介电常数

顺便指出,人们使用微波炉加热食品就是通过食品中的水分子产生偶极子式极化吸收微波能量来实现的。

4.空间电荷极化

空间电荷极化一般进行得比较缓慢,且需要消耗能量,属于有损极化。在电场频率较低的交变电场中容易发生这种极化;而在高频电场中,由于带电质点来不及移动,这种极化难以发生。

5. 夹层极化

夹层极化是在多层电介质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。在高电压工程中,许多设备的绝缘都是采用这种复合绝缘,如电缆、电容器、电机和变压器绕组等.在两层介质之间常夹有油层、胶层等形成多层介质结构。对于不均匀的或含有杂质的介质,或者受潮的介质,事实上也可以等价为这种夹层介质来看待。

夹层介质在电场作用下的极化称为夹层极化。夹层极化的发生是由于各层电介质介电常数与其电导率比值的不同所致,当加上直流电压后各层间的电场分布,将会出现从加压瞬时技介电常数成反比分布,逐渐过渡到稳态时的按电导率成反比分布,由此在各层电介质中出现了一个电压重新分配的过程,最终导致在各层介质的交界面上出现宏观上的空间电荷堆积,形成所谓的夹层极化。其极化过程特别缓慢,所需时间由几秒到几十分钟,甚至更长,且极化过程伴随有较大的能量损耗,所以也属于有损极化。

以双层介质为例,详细说明夹层极化的形成过程。图1-7(a)为双层介质的示意图。1-7(b)为双层介质的等效电路,C1C2分别为介质Ⅰ和Ⅱ的电容,G1G2分别为其电导。当闭合开关S突然加上直流电压U的初瞬(t→0时),电压由零很快上升到U,电导几乎相当于开路,这时两层介质上的电压按电容成反比分布,即

电介质的极化现象和相对介电常数

t→时,电容相当于开路,电流全部从电导中流过,这时两层介质上的电压则按电导成反比分布,即

           电介质的极化现象和相对介电常数

如果是均匀的单一介质,即C1=C2G1=G2,则会电介质的极化现象和相对介电常数所以电介质的极化现象和相对介电常数 也就是说,对均匀介质来说,加上电压后不存在电荷重新分配的过程。

一般来说,电介质的极化现象和相对介电常数所以电介质的极化现象和相对介电常数这就是说,在两层介质之间有一个电压重新分配的过程。例如,设C1C2G1G2,则在t→0时,U1U2;而在t→时,U1U2。这样,在t0后,随着时间t的增大,U2逐渐下降,而U1逐渐升高(因为U1+U2=UU为电源电压,是一定值)。在这种电压重新分配过程中,C2上初瞬时获得的部分电荷将通过电导G2放掉。为了保持介质上所加的电压仍为电源电压,所以C1必须通过G2从电源再吸收一部分电荷,这部分电荷称为吸收电荷。这就是夹层介质的分界面上电荷的重新分配过程,即夹层极化过程。应该指出,多层介质的吸收电荷的过程进行得非常缓慢,其时间常数

    电介质的极化现象和相对介电常数

由于介质的电导很小,所以时间常数τ很大。当绝缘受潮或劣化时,电导增大,τ就会大大下降。利用这一特点,人们采用一种称为吸收比测量的试验来检验绝缘是否受潮或严重劣化(将在1.2节和5.1节中具体介绍)。

1.2电介质的电导

1.2.1 吸收现象

如图1-8(a)所示,当S2处于断开状态,合上S1直流电压U加在固体电介质时,通过介质中的电流将随时间而衰减,最终达到某一稳定值,其电流随时间的变化曲线如1-8(b)所示,这种现象称为吸收现象。

电介质的极化现象和相对介电常数

吸收现象是由电介质的极化所引起,无损极化产生电流ic,有损极化产生电流ia,如1-8(b)所示。显然,损极化迅速完成,所以ic即刻衰减到零;而有损极化完成的时间较长,所以ia较为缓慢地衰减到零,这部分电流称为吸收电流。不随时间变化的稳定电流Ig称为电介质的电导电流或泄漏电流。因此,通过电介质的电流由三部分组成,即

                       i=ic+ia+Ig                            (1-7)

尚须指出,吸收电流是可逆的,即在图1-8(a)的电路中,如断开S1,除去外加电压,并将S2闭合上,使电介质两侧的极板短路,这时会有与吸收电流变化规律相同的电流一i反向流过,如图1-8(b)所示。

根据上述分析,可画出电介质的三支路并联等效电路,如图1-9所示。图中含有电阻R的支路代表电导电流支路,含有电容C的支路代表无围极化引起的时充电电流支路,而电阻r和电容C串联的支路则代表有损极化引起的吸收电流支路。

吸收现象在绝缘试验中对判断绝缘介质是否受潮很有用。因为当绝缘受潮时,其电导大大增加,电导电流Ig也大大增加,而吸收电流ia的变化相对较小,且通过r很快衰减。据此,工程上通过测量加上直流电压t=15s和==60s时流过绝缘介质的电流I之比来反映吸收现象的强弱,此比值即为介质的吸收比 K,其表达式为

                 电介质的极化现象和相对介电常数

电介质的极化现象和相对介电常数

对良好的绝缘,一般K1.3当绝缘受潮或劣化时K值变小。此外,在对吸收现象较显著的绝缘试验中,如电缆、电容器等设备,要特别注意出吸收电流聚积起来的所谓“吸收电荷"对人身和设备安全的威胁。

1.2.2 电介质的电导率

理想的绝缘应该是不导电的,但实际上绝对不导电的介质是不存在的。所有的绝缘材料都存在极弱的导电性,表示电导特性的物理量是电导率γ,它的倒数是电阻率ρ。电工绝缘材料ρ一般为1081020Ω·m;导体的ρ10-810-4Ω·m;介乎二者之间的为半导体,半导体的ρ10-3107Ω·m。可见绝缘与导体只是相对而言,二者之间并无确切的界线。而是人为的划分。几种常用介质电阻率列于表1-1。

需要指出,电介质的电导与金属的电导有着本质的区别。气体电介质的电导是由于游离出来的电子、正离子和负离子等在电场作用下移动而造成的;液体和固体电介质的电导是由于这些介质中所含杂质分子的化学分解或热离解形成的带电质点(主要是正、负离子)沿电场方向移动而造成的。因此,电介质的电导主要是离子式电导。金属的电导是金属导体中自由电子在电场作用下的定向流动所造成。所以,金属的电导是电子式电导。此外,电介质的电导随温度的升高近似于指数规律增加,或者说其电阻率随温度的上升而下降,这恰恰与金属导电的情况相反。这是因为,当温度升高时,电介质中导电的离子数将因热离解而增加;同时,温度升高,分子间的相互作用力减小及离子的热运动改变了原有受束缚的状态,从而有利于离子的迁移,所以使电介质的电导率增加。电介质的电导率γ与温度T之间的关系式为

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式中:A、B为常数T为绝对温度。

在实际测试绝缘的电导特性时,通常用电阻来表示,称为绝缘电阻。由于介质中的吸收现象,在外加直流电压U作用下,介质中流过的电流i是随时间而衰减的,因此,介质电阻则随时间增加,最后达到某一稳定值人们将电流达到稳定的泄漏电流Ig时的电阻值作为电介质的绝缘电阻。一般情况下,加在绝缘上的直流电压大约经过60s,泄漏电流即可达到稳定值,因此常用R60s的值作为稳态绝缘电阻R。固体电介质的泄漏电流,除了通过介质本身体积的泄漏电流Iv外,还包含有沿金质表面的泄漏电流Is,即I=Iv+Is。因此,所测介质的绝缘电阻R实际上是体积电阻Rv和表面电阻Rs相并联的等效电阻,即

                  电介质的极化现象和相对介电常数

由于介质的表面电阻取决于表面吸附的水分和脏污,受外界条件的影响较大,因此,为消除或减小介质表面状况对所测绝缘电阻的影响,一般应在测试之前首先对介质表面进行清洁处理,并在测量接线上采取一定的措施(将在5.2节中具体介绍),以减小表面泄漏电流对测量的影响。

介质的电导在工程实际中的意义:

(1)在绝缘预防性试验巾,通过测量绝缘电阻和泄漏电流来反映绝缘的电导特性,以判断绝缘是否受潮或存在其他劣化现象。在测试过程中应消除或减小表面电导对测量结果的影响,同时还要注意测量时的温度。

(2)对于串联的多层电介质的绝缘结构,在直流电压下的稳态电压分布与各层介质的电导成反比。因此设计用于直流的设备绝缘时,要注意所用电介质的电导率的合理搭配,达到均衡电压分布的效果,以便尽可能使材料得到合理使用。同时,电介质的电导随温度的升高而增加,这对正确使用和分析绝缘状况有指导意义。

(3)表面电阻对绝缘电阻的影响使人们注意到如何合理地利用表面电阻。如果要减小表面泄漏电流,应设法提高表面电阻,如对表面进行清洁、干燥处理或涂敷憎水性涂料等;如果要减小某部分的电场强度,则需减小表面电阻,如在高压套管法兰附近涂半导体釉,高压电机定子绕组露出槽口的部分涂半导体漆等,都是为了减小该处的电场强度,以消除电晕。

1.3电介质的损耗

1.3.1电介质损耗的基本概念

任何电介质电压作用下都会有能量损耗:一种是由电导引起的所谓电导损耗;另一种是由某种极化引起的所谓极化损耗。电介质的能量损耗简称为介质损耗。同一介质在不同类型的电压作用下,其损耗也不同。

在直流电压下,由于介质中没有周期性的极化过程,而一次性极化所损耗的能量可以忽略不计,所以电介质中的损耗就只有电导引起的损耗,这时用电介质的电导率即可表达其损耗特性。因此,在直流电压下没有介质损耗这一说法。

在交流电压下,除了电导损耗外,还存在由于周期性反复进行的极化而引起的不可忽略的极化损耗,所以需要引入一个新的物理量来反映电介质的能量损耗特性,即所谓电介质损耗。电介质损耗最终会引起电介质的发热,致使温度升高,温度升高又使介质的电导增大,泄漏电流增加,损耗进一步增大,如此形成恶性循坏。长期的高温作用会加速绝缘的老化过程,直至损坏绝缘。因此,介质的损耗特性对其绝缘性能影响极大。

由上述可见,绝缘在交流电压下的损耗远远大于在直流电压下的损耗,这也是绝缘在交流电压下比在直流电压下更容易劣化和损坏的重要原因之一。

1.3.2 介质损耗因数(tanδ)

1-9所示的电介质三支路并联等效电路可以代表任何实际介质的等效电路,不但适用于直流电压,也适用于交流电压。电路中的电阻R及r是引起有功功率损耗的元件。R代表电导引起的损耗,r代表有损极化过程中引起的损耗。在交流电压作用下,电介质等效电路中的电流(或电压)可以归并为有功和无功两个分量。因此,图1-9可进一步简化为电阻和电容两个元件并联或串联的等效电路,如图1-10、图1-11所示。

电介质的极化现象和相对介电常数

电介质的极化现象和相对介电常数

在等效电路所对应的相量图中,φ为通过介质的电流与所加电压间的相位角,即电路的功率因数角;δφ的余角,称之为介质损耗角。

需要指出,上述两个等效电路的结构和元件参数各不相同,但这并不影响电路中的电压、电流及其相位关系,这是因为它们是根据等效条件建立起来的。

对于图1-10所示的并联等效电路,有

电介质的极化现象和相对介电常数

电路中的功率损耗为

电介质的极化现象和相对介电常数

对于图1-11所示的串联等效电路,有

    电介质的极化现象和相对介电常数

电路中的功率损耗为

电介质的极化现象和相对介电常数

因为上述两种等效电路是描述同一介质的不同等效电路,所以其功率损耗应相等。比较式(1-12)和式(1-14)可得

    电介质的极化现象和相对介电常数

此式说明,对同一介质用不同的等效电路表示时,其等效电容是不相同的。所以,当用高压电桥测量绝缘的tanδ时,电容量的计算公式则与采用哪一种等效电路有关。由于绝缘的tanδ一般都很小,即1+tan2δ1,故CpCs这时功率损耗在两种等效电路中就可用同一公式表示为

电介质的极化现象和相对介电常数

由此可见,介质损耗P与外加电压U的平方成正比,与电源的角频率ω成正比,且与电容量成正比。所以,为了控制绝缘的损耗功率,减少其发热,延缓介质的老化,应避免绝缘长期在高于其额定电压及高于额定频率的电源下工作。通常,对于电气设备而言,额定工作电压及电源频率均为定值,由于绝缘结构一定,C也一定,因此P最后取决于tanδ,即P与tanδ成正比,所以tanδ的大小将直接反映介质损耗功率的大小。因此,在高电压工程中常将tanδ 作为衡量电介质损耗特性的一个物理参数,称之为介质损耗因数或介质损耗角正切。

需要说明,用tanδ表示电介质的损耗特性要比直接用损耗功率P方便得多,这是因为:

(1)P值与试验电压、试品尺寸均密切相关,因此不能对不同尺寸的绝缘材料进行比较。

(2) 电介质的极化现象和相对介电常数是一个比值,无量纲,它与材料的几何尺寸无关,只与材料的品质特性有关。因此,可以直接根据tanδ的值对电介质的损耗特性作出评价。

在表1-2中列出了一些常用液体和固体电介质工频电压20℃的tanδ值。

1-2               常用液体和固体电介质工频电压20℃的tanδ

介质

tanδ%)

介质

tanδ%)

变压器油

0.05~0.5

聚乙烯

0.01~0.02

蓖麻油

1~3

交联聚乙烯

0.02~0.05

沥青云母带

0.2~1

聚苯乙烯

0.01~0.03

电瓷

2~5

聚四氟乙烯

0.02

油浸电缆纸

0.5~8

聚氯乙烯

5~10

环氧树脂

0.1~1

酚醛树脂

1~10

1.3.3影响电介质损耗的因素

(1)不同的电介质,其损耗特性也不同。气体电介质的损耗仅由电导引起,损耗极小(tanδ10-8),所以常用气体(空气、N2)作为标准电容器的介质。但当外加电压U超过气体的起始放电电压U0时,将发生局部放电,这时气体的损耗将急剧增加,这在高压输电线上是常见的,称为电晕损耗。此外,当固体电介质中含有气隙时,在一定的电场强度下,气隙中将产生局部放电,也会使损耗急剧增加,使固体绝缘逐渐劣化,因此常采用干燥、浸油或充胶等措施来消除气隙。对固体电介质和金属电极接触处的空气隙,经常采用短路的办法,使气隙内电场为零。例如,在35kV纯瓷套管的内壁上涂半导体釉或喷铝,并通过弹性铜片与导电杆相连。液体和固休电介质的损耗特性比较复杂,因为不同的物质结构只有不同的极化特性,不同的极化特性自然会影响到介质的损耗特性。

(2)中性或弱极性介质的损耗主要山电导引起,tanδ较小。损耗与温度的关系和电导与温度的关系相似,即tanδ随温度的升高也是按指数规律增大。例如,变压器油在20℃时的tanδ0.5%,70℃时tanδ 2.5%。

(3)对于极性液体介质,由于偶极子转向极化引起的极化损耗较,所以tanδ较大,而且tanδ与温度、频率均有关,如图1-12所示。以曲线1为例介绍,当温度t<t1;时,由于温度较低,电导损耗和极化损耗都很小。随着温度的升高,材料的黏滞性减小,有利于偶极子的转向极化,使极化损耗显著增大,同时电导损耗也随温度的升高而有所增大,所以在这一范围内tanδ随温度的升高而增大。当去t1t<t2时,随着温度的升高,分子的热运动加快,从而又妨碍了偶极子在电场作用下进行有规则的排列,因此极化损耗随温度升高而减小。由于这一温度范围内极化损耗的减小要比电导损耗的增加更快,所以总的tanδ曲线随温度的升高而减小。当tt2时,由于电导损耗随温度的升高而急剧增加,极化损耗相对来说已不占主要部分,因此tanδ重新又随温度的升高而增大。

(4)对于油纸组合绝缘介质,其tanδ值的大小与油纸的老化程度和温度均有关。由于随着油纸绝缘老化程度的加深,绝缘纸内部含有的纤维素小分子链、水分、纤维素降解产物(低分子酸等)以及绝缘油老化生成的酸等弱极性或极性物质会增多,导致油纸绝缘单位体积内带电粒子数目增多。因此,在交变电场的作用下,老化的油纸绝缘极化损耗会增大,使得油纸绝缘的tanδ值随着老化程度的加深而增大,且其tanδ值与温度、频率的关系和极性液体相似,表现为tanδ先随温度的升高而增大,当温度升高到一定程度时又随温度的升高而减小,如图1-13所示

电介质的极化现象和相对介电常数电介质的极化现象和相对介电常数

(5)从图1-12还可以看出,当f2f1,即电源频率增高时,tanδ的极大值出现在较高的温度。这是因为电源频率增高时,偶极子的转向来不及充分进行,要使极化进行得充分,就必须减小黏滞性,也就是说要升高温度,所以使整个曲线往右移。tanδ与温度t的关系曲线在工程上具有重要实用意义。例如,配制绝缘材料时,应适当选择配方的比例,使所配制的绝缘材料在其工作温度范围之内tanδ的值最小(如t2),而避开tanδ的最大值(如t1)。

6)电场对电介质tanδ有直接的影响。当电场强度较低时,电介质的损耗仅有电导损耗和一定的极化损耗,且处于某一较为稳定的数值。当电场强度达到某一临界值后,会使电介质中产生局部放电,损耗急剧增加。在不同电压下测量绝缘的tanδ,作出的tanδ电压的关系曲线,如图1-14所示。由图可见,当外加电压U超过某一电压U0tanδ急剧上升。U0便是介质生局部放电的起始电压。工程上常以此来判断介质中是否存在局部放电现象。

电介质的极化现象和相对介电常数

1.4 电介质的击穿

介质作为绝缘材料是针对一定的电压而言的。在一定电压下,当介质呈现出极微弱的导电性能,其绝缘电阻值很高,通过介质的泄漏电流极小时,介质是绝缘的。但是,随着外施电压的升高到某一临界值后,电介质的电导则显著增大,泄漏电流急剧增加,发生放电现象,使电介质丧失其原有的绝缘性能,将这种放电现象称为电介质击穿,将发生击穿时的电压称为击穿电压。显而易见,电介质击穿特性是电介质作为绝缘介质的一个极为重要的特性。通常用击穿场强Eb (kV/cm)来表示,也称为绝缘抗电强度或简称绝缘强度

电压与绝缘既是对立的,又是统一的,二者的对立为高电压技术工作者提供了非常丰富的研究内容:一是要分析研究、合理利用各种绝缘材料的绝缘特性,研制各种高抗电强度的新材料等;二是要研究各种过电压的产生机理,以及采用各种限制过电压的方法和过电压保护措施,使过电压降低或被限制到绝缘的抗电强度以内,最终求得高电压与绝缘的统一,实现优的绝缘配合,以保证电气设备的安全可靠运行。

为了提高电介质的绝缘强度,就必须分析和研究各种介质在各种不同电压作用下的击穿机理和耐受电压的规律。由于不同的介质在不同的电压作用下的击穿机理各不相同,影响电介质击穿的因素又是多种多样,随机性强,因此使得对电介质击穿特性的研究变得极为复杂,致使各种形态的电介质的放电机理至今尚未被人们所揭示,绝缘理论还有待进一步完善,许多实际的绝缘问题还必须通过高电压试验来解决,比如,绝缘的抗电强度日前就只能用高电压试验的方法才能予以确定,而这些正是以后各章具体分析和研究的内容。

(1)电介质的基本电气特性表现为极化特性、电导特性、损耗特性和击穿特性,相应的物理参数为相对介电常数εr,电导率γ介质损耗因数tanδ击穿场强Eb。电介质的这些基本特性在高电压工程中都具有重要的实际意义。

(2)电介质的极化可分为无损极化和有损极化两大类。无损极化包括电子式极化和离子式极化,有损极化包括偶极子式极化和空间电荷极化。夹层极化是空间电荷极化的一种特殊形式,在工程实践中具有重要意义。多层介质相串联的绝缘结构,再加上直流电压的初瞬(t→0),各层介质中的电场分布与介质的相对介电常数成反比;稳态时(t→)的电场分布则与介质的电导率成反比,在此过程中存在吸收现象..

(3)电介质的电导与金属的电导有着本质的区别。电介质电导属于离子式电导,随温度的升高按指数规律增大;金属电导属于电子式电导,随温度的升高而减小。

(4)电介质在电场作用下存在损耗,其中气体电介质的损耗可以忽略不计。在直流电压作用下电介质的损耗仅为由电导引起的电导损耗,而交流电压作用下电介质的损耗既有电导损耗,又有极化损耗。因此,电介质在交流电压下的损耗远大于其直流电压下的损耗。

1-1电介质有哪些基本电气特性?表示这些基本电气特性的物理参数是什么?

1-2举例说明介电常数在工程实际中有何意义。

1-3什么是吸收现象?研究吸收现象有何实际意义?



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