大工13春高电压技术》辅导资料五.docx
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大工13春高电压技术》辅导资料五
高电压技术辅导资料五
主题:
第三章液体和固体介质的电气特性(第1节)
学习时间:
2013年4月29日-5月5日
内容:
我们这周主要学习第三章第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深液体及固体介质的极化、电导和损耗相关内容的理解。
第三章液体和固体介质的电气特性
第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗
在高压电气设备中,液体和固体电介质作为内绝缘被广泛的使用。
这是因为液体和固体电介质的绝缘强度比气体大得多,用它们作电气设备的内部绝缘可是绝缘的尺寸缩小、设备结构紧凑。
由液体和固体电介质构成的内绝缘具有的特点:
(1)不受外界大气条件变化的影响。
(2)对包含固体介质的内绝缘,绝缘击穿是非自恢复的(一般的液体介质的内绝缘是可自恢复的,但是击穿多次,也不能使用了)。
(3)长时间工作下逐渐老化(空气介质不会老化)。
因此,对于由液体和固体组成的内绝缘,不仅要考虑它在短时过电压下的特性,还要考虑在长时间的工作电压下的特性。
电介质的电气特性,表现为在电场作用下的:
导电性能——电导率γ
介电性能——介电常数ε、介质损耗角正切tanδ
电气强度——击穿场强Eb
液体和固体电介质在运行过程中会出现逐渐老化的现象,使它们的物理、化学性能及各种电气参数发生改变,从而影响绝缘的电气强度及其寿命。
所以对液体和固体电介质,我们不仅要了解它们在强电场下的击穿特性,还要了解它们在弱电场下的电气特性,如极化、电导、损耗等。
气体电介质在弱电场强下的极化、电导、损耗很微弱,一般可以忽略不计(弱电场是指电场强度远没有达到击穿场强)。
1.电介质的极化和介电常数
(1)极化:
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,形成电矩(偶极矩)的现象。
电矩是指由大小相等、符号相反、彼此相距一定距离的两个异号电荷组成的系统称为电矩或偶极矩。
电矩是有方向和大小的,方向是由负电荷指向正电荷,大小是指带电量与两个电荷垂直距离的乘积。
真空电容器
固体电介质电容器
以两个平行板电容器为例。
当电容器加入固体电介质后,导体内部的束缚电荷发生有限位移,对外不产生电流,内部电荷总量仍然为零,但是由于外加电场作用,对外呈现一定的电场力,导致极板之间电场强度发生改变。
为了使极板之间电场强度不变(因为外加电压不变),要从电源吸收更多的电荷(图中蓝色电荷)。
所以,极板间插入固体电介质后,电容量增加:
C=(Q0+Q')/U=εA/d
我们定义固体电介质电容器的电容量与真空时的电容量之比为相对介电常数εr
εr=C/C0=ε/ε0
可见,在外加电场的作用下,由于加入固体介质,导致等值电容量增大了,即电极可以更多的储存能量了。
注意:
1)是束缚电荷而不是自由电子
2)是有限位移而不是电荷流通
3)内部电荷的总和仍为零,但由于外电场的作用对外显现电场力
相对介电常数是用来表示极化程度的物理量,宏观的物理量描述了电介质在微观状态下的极化过程,介电常数的大小反映极化程度的强弱。
相对介电常数越大表明电介质极化现象越强,相对介电常数越小表明电介质极化现象越弱。
气体电介质的极化现象比较弱,所以各种气体的相对介电常数接近1,液体、固体的εr则各不相同,εr与介质温度、外加电源频率有关
(2)电介质的极化种类
1)电子式极化
在外加电场的作用下,物质原子中电子的运动轨道相对于原子核产生了位移,使原子中正、负电荷的作用中心不再重合,这种由电子位移形成的极化叫电子式极化。
这种形式的极化是最常见的极化形式。
特点:
存在于一切电介质,极化所需时间短,εr不随频率变化;极化具有弹性,不损耗能量(外加电场消失,电子会回到原来的轨道上)。
2)离子式极化
离子式结构的电介质在外加电场的作用下,正、负离子发生偏移,两者的作用中心不再重合,整个分子呈现极性。
这种由正、负离子相对位移形成的极化叫离子式极化。
特点:
存在于离子结构电介质中,极化所需时间也很短;极化具有弹性,无能量损耗;εr随温度升高而增大。
3)偶极子极化
有些电介质的分子即使在无外电场作用时,正、负电荷的作用中心也不重合,因为形成一个永久性的偶极矩。
这种具有永久性偶极子的电介质称为极性电介质。
无外加电场时,单个的偶极子虽具有极性,但是各个偶极子处在不停的热运动中,排列混乱,对外作用相互抵消,整个介质不呈极性。
在电场的作用下,原来混乱排列的偶极子沿电场方向排列,呈现极性。
这种由极性电介质偶极子分子的转向形成的极化叫偶极子式极化。
特点:
存在于极性电介质中,极化所需时间较长,εr与电源频率有很大关系;极化消耗能量;温度过高或过低,εr都会减小。
4)夹层极化
复合介质外加场强时,各电介质在电场作用下都要发生极化,由于各电介质介电常数不同,极化强度也不同,在介质交界面积聚的异号电荷不相等,界面处呈现极性。
这种是夹层电介质分界面上出现电荷积聚的过程叫做夹层式极化。
特点:
存在于复合介质、不均匀介质中;极化过程很缓慢,只在直流和低频交流下表现出来;极化伴随着能量损耗。
(3)讨论电介质极化的意义
1)不同应用场合,对εr大小的要求不同。
2)在交流及冲击电压作用下,多层串联介质场强E与εr成反比,要注意各种材料的εr值的配合。
3)极化类型影响介质损耗,从而影响绝缘劣化和热击穿。
2.电介质的电导
(1)定义
电介质内部或多或少存在带电粒子。
在电场的作用下,由带电质点沿电场方向移动而形成电导电流,这就是电介质的电导。
根据载流体的不同,电导可以分为离子电导和电子电导。
电介质导电的本质与导体截然不同,导体导电依靠自由电子(自身的),而电介质导电的载流体主要是离子(自身或是杂质产生的),也称离子式电导。
我们用电导率γ(s/cm)来衡量电介质的电导。
电导率的倒数称为电阻率,下面是一些材料的电阻率:
电阻率ρ=1/γ
绝缘材料的电阻率:
108~1020Ωm
导体的电阻率:
10-8~10-4Ωm
半导体的电阻率:
10-4~107Ωm
(2)电介质电导与金属电导的区别
1)带电粒子。
电介质中为离子(固有离子,杂质离子),金属中为自由电子。
2)数量级。
电介质的γ小,电介质电导电流工程上又称为泄漏电流,非常小,而金属的电导电流很大。
3)电导电流影响因素。
电介质中由离子数目决定,对所含杂质、温度很敏感;金属中主要由外加电压决定,杂质、温度不是主要因素。
液体和固体电介质的γ与温度的关系:
温度越高,电导率越大。
主要有两方面原因,一是因为温度越高,离子热运动加剧,离子迁移率增加,从而使得γ变大。
二是因为温度升高使得介质分子或杂质热离解增加,产生更多的离子,γ也变大。
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。
(3)固体电介质的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
表面电阻-受介质表面吸附的水分和污秽影响
总的电阻是两者的并联。
通常表明电阻比体积电阻小很多。
水分起着特别重要作用,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)表面电导小。
3.电介质的损耗
(1)介质损耗的含义
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耗。
电介质的能量损耗简称介质损耗。
(2)电介质的三支路等值电路
C1—无损极化(离子式、电子式极化);C2-R2—有损极化(偶极子极化、夹层极化);R3—电导损耗
(3)电介质在直流电压作用下的吸收现象
曲线i称为电介质在直流电压作用下的吸收曲线,它形象的描述了电流的变化过程。
在外加直流电压的作用下,电流迅速增加,到一定程度时开始减小,随着时间的推移,逐渐达到一个稳态值。
(4)介质损耗角正切
交流电压作用下的向量图如下
流过电介质的电流与电介质两端的电压的相位差称为功率因数角
,功率因数角的余角用
表示,称为介质损耗角。
将
支路分解为电容支路和电阻支路,与
、
支路合并后,形成等值并联电路:
由此可见,介质损耗角正切
与能量损耗P成正比,也就是说可以用它来描述介质损耗大小。
电介质的三支路等值电路也可以用RC串联的等值电路来代替。
比较并、串联电路中P、
的表达式可得
因为
,所以
。
电介质的介质损耗可统一表示为:
理想电介质可用一电容等值表示,考虑到损耗,则可用RC并联或串联电路等效;进一步细分,则可用三支路等值电路表示。
并联等值电路和串联等值电路的本质是一样的,并联电路中R很大,串联电路中R很小,R既包含了电导损耗,也包含了极化损耗。
忽略损耗,则两个电路都简化为一个电容等值电路。
(5)用
作为综合反映介质损耗特性优劣的指标
理由:
介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容量、电源频率等许多因素有关,而
是一个仅取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无关的物理量。
的增大,意味着介质绝缘性能变差,实践中常通过测量
来判断设备绝缘的好坏。
(6)影响
的因素
1)气体电介质
E 很小,忽略不计。 E>E0时,气体介质发生电离, 随电压升高急剧增加,多发生在液体和固体介质中含气泡的场。 2)液体电介质 中性或弱极性液体电介质: 主要是电导损耗, 较小,随温度的升高按指数规律增大。 极性介质: 包括电导损耗和极化损耗, 与温度、频率、外加电压有关。 下面是 与温度、频率的曲线。 3)固体电介质 无机绝缘材料和有机绝缘材料中的非极性电介质: 主要是电导损耗, 较小,随温度的升高按指数规律增大。 有机绝缘材料中的极性电介质: 与温度、频率的关系与极性液体介质相似,且 较大,比无机绝缘材料和无极性电介质要大。 本周要求掌握的内容如下: 1.了解液体和固体介质内绝缘的特点; 2.理解电介质的极化; 3.理解电介质的电导; 4.理解电介质的损耗 习题 (一)选择题 1.电介质极化的种类有()。 A.电子式极化 B.离子式极化 C.偶极子极化 D.夹层式极化 答案: ABCD 2.电介质损耗的等值电路有()。 A.三支路等值电路 B.并联等值电路 C.串联等值电路 D.以上三种都可 答案: D (二)判断题 1.包含固体介质和液体介质的内绝缘,绝缘击穿是非自恢复的。 (错误) 2.给平行板电容器施加电场,当在两板间加入固体电介质后,导体内部的自由电荷发生有限位移,对外产生电流。 (错误) 3.相对介电常数越大表明电介质极化现象越强,相对介电常数越小表明电介质极化现象越弱。 (正确)
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