第4章 液体,固体电 介质的电气性能第4章液体,固体电介质的电气性 能4.1液体,固体电介质的极化,电导与损耗 4.2液体电介质的击穿 4.3固体电介质的击穿 4.4组合绝缘的电气性能4.1 液体,固体电介质的极化,电导与 损耗4.1.1电介质物质结构的基本知识 4.1.2极化与电介质 4.1.3电介质的电导特性 4.1.4电介质的能量损耗及介质损失角正切4.1.1电介质物质结构的基本知识n电介质的概念：物理特性上具有绝缘体无 传导电子的结构，在外电场作用下内部结 构发生变化，并且反过来影响外电场的固 体、液体和气体物质总称为电介质.n电介质的地位：电介质与导体、半导 体、 磁体等作为材料，在电工电子工 程领域中 占有重要的地位n为什么要讨论电介质：电介质放入外场后 ，内部结构受外电场的作用而发生变化， 并且反过来影响外电场，使原来的电场分 布发生变化，同时也使其它的物理性能发 生变化。我们有必要对变化后的物理量进 行讨论。 n电介质的主要用途：利用大介电常数构成 电容器;利用高绝缘阻抗构成电工绝缘材料; 驻极体、压电体、 热敏元件等等电介质电气性能的划分（四类表征参数）n介电特性：指介电常数、介损等n电气传导特性：如载流子移动、高场强下 的电气传导机理等n电气击穿特性 ：包括击穿机理、劣化、电 压-时间特性曲线（V-t）等n二次效应：如空间电荷效应、陷阱、局域 态中心、界面现象、化学结构、形态、杂 质等效应n电负性的概念:1932年L.鲍林最先提出:电负性是元素的原子 在分子中吸引电子的能力。可见电负性不是一个孤立原子的性质而是在 周围原子影响下的分子中原子的性质即电负性决 定于原子在分子中的价态和环境 .非金属吸引电子 能力较大,电负性数值大.而金属吸引电子能力较弱 ,电负性较小. 电负性不仅可以用来判断元素的金属性和非 金属性,还可以合理地说明键长、键能、键偶极矩 、键型过渡及其他一系列结构与性能规律,是化学 上应用最广的基本概念之一。分子的等效正电中心和等效负电中心：n 电介质均由分子和原子组成，每个分子中 所有正电荷对外界作用的电效果可以等效 为集中在某一点的等效点电荷的作用效果 ，这个等效点电荷的位置称为分子的正电 荷中心；n同理，每个分子中所有负电荷对外界作用 的电效果可以等效为集中在某一点的等效 点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位 置称为分子的负电荷中心1. 形成分子和聚集态的各种健n分子由原子或离子组成;气体,液体和固体是 3种聚集态,是由原子,离子或分子组成.n键代表质点间的结合方式,分子及3种聚集态 的性质与键的形式密切有关.n分子内相邻原子间的结合力称为化学键,有 两大类:离子键和共价键.n分子与分子间的结合力称为分子键.1. 形成分子和聚集态的各种健n离子键：电负性相差很大的原子相遇,相互 发生电子转移,电负性小的原子失去电子成 为正离子,电负性大的原子获得电子成为负 离子.正、负离子由静电库仑力结合成分子 ，即正负离子间形成离子键。离子键键能 很高,很多正负离子通过离子键结合形成离 子性固体,如NaCl晶体.大多数无机介质都是 靠离子键结合起来的,如玻璃,云母等.1. 形成分子和聚集态的各种健n共价键：由电负性相等或相差不大的两个或几个 原子通过共有电子对结合起来，达到稳定的电子 层结构，称之共价键。有机电介质都由共价键结 合而成,某些无机晶体如金钢石也是共价键.共价键分为非极性键和偶极性键.非极性键的 电子对称分布,分子正,负电荷中心重合,构成非极 性分子,如CCl4、CH4等.偶极性键的电子分布不 对称,分子的正,负电荷中心不重合.n分子键：分子以相互间的吸引力结合在一 起，形 成分子键.2. 电介质的分类：根据化学结构分为4类n非极性电介质：分子由共价键结合，由非极性分 子组成的电介质称非极性电介质。如氮气、聚四 氟乙烯n弱极性电介质：有些非极性电介质由于存在分子 异构或支链，多少有些极性，称弱极性电介质。 如聚苯乙烯n偶极性电介质：由极性分子组成的电介质。如聚 氯乙烯、有机玻璃等n离子性电介质：离子性电介质没有个别的分子， 只以固体的形式存在。分为晶体和无定形体两类 。如石英(无定形体)、云母(晶体)4.1.2极化与电介质n极化的基本概念：电介质在电场作用下，正、负电荷作微 小位移而产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷 的现象称为电介质极化n偶极矩:正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的 乘积，叫做偶极矩rq,单位是D德拜,是一个矢量，方 向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。偶极矩用于表示 极性大小,偶极矩越大，极性越大。 n极化的总效果是在介质边缘出现电荷分布,这些电荷仍束 缚在每个分子中,所以称之为束缚电荷或极化电荷.未加外电场时电介质中的粒子 n在电介质中各粒子的正、负电荷中心重合n或者各分子的原子(或离子)处在各自的平衡 位 置，均无感应偶极矩n或者极性分子(偶极子)混乱分布，在各个方 向的 合成偶极矩为零施加外电场后电介质中粒子极化 n或由于正、负电荷的相对位移位移极 化;或由于偶极子的转向偶极转向极化. 均在电场方向产生偶极矩 一个平行平板电容器在真空中电容量为C0,在 平板间插入一个固体介质,电容器的电容量变为 :r*C0, r为介质相对介电常数.电容量增大的原因 是介质发生极化现象.1.电介质极化的基本形式n位移极化电子位移极化离子位移极化n转向极化n空间电荷极化n夹层介质界面极化n电子位移极化:介质中的原子,分子或离子中的电子 在外电场的作用下,使电子轨道相对于原子核发生 位移,从而产生感应电矩的过程.n离子位移极化:在由离子结合的电介质内,外电场的 作用使正负离子产生微小位移,平均地具有了电场 方向的偶极矩,这种极化形式称为离子位移极化.n转向极化:又称取向极化,对于偶极性分子,在无外 电场作用下,偶极性分子处于热运动状态,对外不具 有偶极矩.外电场作用下,偶极性分子在电场方向取 向概率增加,对外平均具有了电场方向的偶极矩,称 为转向极性.n空间电荷极化:介质内的自由正负离子在电场作用 下移动,改变分布状况,在电极附近形成空间电荷, 称为空间电荷极化.n夹层介质界面极化:实际的许多电气设备是 多层电介质的绝缘结构.在不均匀夹层介质 中,外加电场时介质交界面会积累电荷,称为 夹层介质界面极化.以双层电介质模型为例分析,下页图示: 合闸瞬间两层介质的电压比由电容决定,稳 态时分压比由电导决定:当t=0,U1/U2=C2/C1;当t ,U1/U2=G2/G1n如果 C2/C1=G2/G1,则 双层介质表面电 荷不重新分配.但 实际上很难满足 上述条件，电荷 要重新分配，这 样在两层介质的 交界面处会积累 电荷，这种极化 形式称夹层介质 界面极化.2. 电介质的介电常数 n电介质的介电常数的特性n电工术语上称作介电常数和相对介电常数 r并不是常数随温度、频率而变化是一虚数，分实部和虚部通常使用的是实数部分n气体电介质的介 电常数:气体分子 间距离很大,密度 很小,气体的极化 率很低,因此气体 的相对介电常数 都接近1.n气体介电常数随 温度升高而减小, 随压力增大而变 大,但是变化很小.n液体电介质 的介电常数, 分为:非极性和弱 极性电介质 ,相对介电 常数较小 :1.82.8偶极性电介 质,相对介 电常数较大 :3 80n固体电介质的介 电常数,分为:非极性和弱极性 固体电介质,只 有电子式极化和 离子式极化,相 对介电常数较小 :2.0 2.7n固体电介质 的介电常数, 分为:偶极性固体 电介质.相对 介电常数较 大:3 6离子性电介 质,相对介电 常数较大:5 83. 讨论极化的意义 n选择绝缘：在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还 应考虑介电常数r。对于电容器，若追求同体积条件有较 大电容量，要选择r较大的介质。对于电缆，为减小电容 电流，要选择r较小 的介质n多层介质的合理配合：对于多层介质，在交流及冲击电压 下，各层电压分布与其r成反比，要注意选择r，使各层 介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用n研究介质损耗的理论依据：极化形成和介质损失有关，要 掌握不同极化类型对介质损失的影响n电气预防性试验：项目的理论根据n其他：如驻极体、铁电体、压电体、热电体等新型材料的 研发4.1.3电介质的电导特性1. 电介质中的传导电流 n电气传导电流概念：是表征单位时间内通过某一 截面的电量n电介质中的传导电流包括:漏导电流和位移电流两 个分量n漏导电流：又称泄漏电流, 由介质中自由的或相互 联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的n位移电流：由电介质极化造成的吸收电流几种材料的电导特性与电阻率 n电介质:电导主要由离子造成,电阻率：1091022.cm, 温度升高电阻率下降n金属:电导主要由电子造成,电阻率：10-610-2.cm, 温度升高电阻率增大n半导体:电导主要由离子造成,电阻率：102109.cm, 温度升高电阻率下降测量介质试品电流的方法：三电极法n注意：测量时，仪表应避开 瞬时充电电流ic和放 电电流 ic以避免过大的瞬时值损坏仪表2.体积电导和表面电导 n体积电阻率: V 单 位.cm 用三电极法测量介质 的 V 为: 式中, A为测量电极 的有效面积，h为介 质厚度，R V 由测量 的漏导电流ig及电压 值决定，RV=U/ig。 那么介质的体积电导率V则 为n介质的表面电阻率和电导率：改变三电极的回路 ，设法测量上电极与辅助电极间的表面电流,屏蔽 上下电极间的体积电流,即可测量表面电阻.其中 g 代表两电极间距 n电阻率:单位n电导率3. 气体电介质的电导n吸收特性：气体中无吸收 电流n气体电介质的电导构成： 带电粒子在电场中运动n气体离子的浓度：由外电 离因素造成， 约为500 1000对/cm2n如图所示,OA和AB段气体 电导极微小,电阻率： 1022cmn当场强超过Eb,气体电介质 发生碰撞电离,气体电介质 的电导急剧增大.均匀电场中气体的 伏安特性4. 液体电介质的电导n吸收特性：液体中极化发展快，吸收电流衰减快n构成液体电介质的电导的因素：离子电导、电泳 电导.离子电导是由液体本身或杂质的分子解离的 离子决定;电泳电导是由固体或液体杂质以高度分 散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附离子而 带电造成的.n电阻率：与分子极性及液体的纯净程度有关纯净的非极性液体电介质:1018cm弱极性1015cm偶极性,极性越大分子的解离度越大,1010cm 1012cm，在高频下由于损耗太大，实 际上不使用。强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液， 不能 用作绝缘材料4. 液体电介质的电导n温度特性：离子性电导随温度的升高而增 加.因为温度升高,使分子的解离度加大,而 且离子较易克服周围位垒而成为自由离子, 从而造成液体电导率迅速增加.n杂质和水分对液体电介质的绝缘有很大危 害,电气设备在运行中一定要注意防潮,可以 采用过滤,吸附,干燥等方法除去液体电介质 中的水分和杂质.5. 固体电介质的电导n吸收特性：固体介质中电流的吸收现象比较明显n电导构成：离子电导（电导的机理,规律和液体类似）， 无电泳电导n电阻率离子性电介质,电导大小与离子本身的性质有关：n 结构紧密，洁净的电介质，电阻率为1017cm1019cmn结构不紧密且含单价小离子的电介质的电阻率仅达1013cm 1014cm非极性或弱极性电介质,：主要由杂质离子造成电导。纯净介质的 电阻率可达1017cm1019cm偶极性：因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电 阻率较小，较佳者可达1015cm1016cmn固体电介质的电导不仅与微观结构有关,而且与材料的宏 观结构有关,如纤维性材料或多孔性材料因为易吸水,一般 电阻率很小.n固体介质的表