电介质极化与介电常数讲义教材

电介质的电气性能研究电介质电气性能意义设备绝缘的基础超高压大容量的发展新材料促进了电力工业的进步加强绝缘材料的研究，促进科技发展电介质电气性能的划分四个电气性能：电介质极化特性、电介质损耗特性、电气传导特性、电气击穿特性介电特性：电气传导特性：主要物理量为绝缘电导和泄漏电流电气击穿特性：主要物理量为击穿场强电介质极化机理，主要物理量为介电常数ε电介质损耗机理，主要物理量为介损tgδ极化现象平板真空电容器电容量：插入固体电解质后电容量：相对介电常数：相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量—由电介质极化引起的束缚电荷电介质原先不显电性，放入到电场时，由于电场的作用电介质内部物理结构发生变化，结果导致电介质内部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显现电性。这个过程称作极化一、极化现象电介质的极化有五种基本形式：电子位移极化离子位移极化转向极化夹层介质界面极化空间电荷极化一、电子的位移极化当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，其负电荷作用中心相对于原子核产生位移，形成电矩，称电子的位移极化。特点：1、电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中2、具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性3、极化速度快，10--14~10--15秒，在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关4、极化强度与电矩的大小成正比，且随着外电场的增强而增大5、与温度基本无关6、不引起能量损耗极化机理：二、离子的位移极化在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化极化机理：特点：1、存在离子化合物中；2、极化完成时间约为l0-12-10-13s，与频率无关3、极化程度与电场强度成正比4、温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程度降低。通常前一种因素影响较大5、有极微量的能量损耗三、极性分子的转向极化在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化极化机理：(a)无外电场E=0-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+(b)有外电场+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E+-特点：1、极性共价化和物2、极化完成时间约为l0-6-10-2s，甚至更长，与频率有关，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小3、与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就越整齐，转向极化就越强4、与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系紧(例如粘度很大)，分子难以转向．极化较弱。所以极性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小5、有能量损耗四、夹层极化高电压设备的绝缘由几种不同的材料组成，或介质不均匀，这种情况会出现“夹层介质界面极化”现象。合闸时：稳态时：当：则：存在电压从新分配，电荷在介质空间从新分布，夹层界面由电荷堆积的过程，从而产生电矩极化机理：特点：1、多层介质2、只在低频下存在，夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，其过程很缓慢，它的形成时间从几十分之—秒到儿分钟，甚至有长达几小时的。3、与电场强度和温度有关4、有能量损耗五、空间电荷极化极化机理：正负离子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：非弹性；消耗能量：有E空间电荷极化-_+++__特点：1、主要在含离子和杂质离子的介质中发生2、过程较慢3、有能量损耗4、时间很长，仅在低频率下存在名称产生极化的地方、特征等到达平衡的时间发生极化的原因电子式极化离子式极化偶极子极化夹层介质界面极化空间电荷极化任何物质的原子中离子组成的物质极性分子组成的物质复合介质的交界面电极近旁10-15秒10-13秒10-10~10-2秒数秒~数日数秒~数日束缚电荷的位移 自由电子的移动电介质极化的概要材料类别名称相对介电常数εr（20℃）气体介质（大气条件）空气1.00058液体介质弱极性变压器油硅有机液体2.2~2.52.2~2.8极性蓖麻油氯化联苯4.54.6~5.2强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚苯乙烯聚四氯乙烯松香沥青2.0~2.52.5~2.62.0~2.22.5~2.62.6~2.7极性纤维素胶水聚氯乙烯沥青6.54.53.0~3.52.6~2.7离子性云母电瓷5~75.5~6.5几种介电质的介电常数讨论电介质极化的意义：1、选择绝缘：电容器大电容器单位容量体积和重可减少电缆小可使电缆工作时充电电流减小电机定子线圈槽出口和套管小,可提高沿面放电电压2、多层介质的合理配合：电场分布与成反比组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘劣化和热击穿的主要原因4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构成威胁5、研发新型绝缘材料思考：电介质中各种极化的性质？TheEndThankYou气体电介质的介电常数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1。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。部分气体的相对介电常数环境条件20℃,1atm气体种类相对介电常数氦1.000072氢1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空气1.00059液体电介质的介电常数非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都不大，其值在1.8~2.8范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似偶极性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在3~80范围，能用作绝缘介质的εr值在3~6左右。此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体介质有实际应用