高电压技术电介质电导和损耗
《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗
I
I IR IC
IR
IC
～U
I
U
IR
R CP
IC
δ
φ U
在交流电压的作用下，流过电介质的电流 I 包含有功分量IR 和无功分量 IC ，即
I IR IC
此时的介质功率损耗：
P UI cos UIR UIC tan U 2CP tan 式中：ω——电源角频率
φ——功率因数角
δ——介质损耗角 tanδ又称为介质损耗因数
二、气体、液体和固体介质的损耗
1、气体介质损耗 当外加电场还不足以引起电离过程，气体中只存在很小的 电导损耗（ tanδ〈10-8）；但当气体中的电场强度达到放电起 始场强E0时，气体中将发生局部放电，这时的损耗将急剧增大。
2、液体介质损耗
中性和弱极性液体介质（如变压器油）的极化损耗很小，其
主要损耗由电导引起，因而其单位体积损耗率P0可用下式求得
在电场作用下没有能量损耗的理想电介质是不存在的，实 际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某 些有损极化（偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称介 质损耗。
在直流电压的作用下，电介质中没有周期性的极化过程， 只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗 将仅由电导所引起，所以用体积电导率和表面电导率两个物理 量就已能充分说明问题，不必再引入介质损耗这个概念。
强， 具有正r 的温度系数。
三、偶极子极化
有些电介质的分子，如蓖麻油、松香、橡胶、胶木等，在 无外电场作用时，其正负电荷作用中心是不重合的，这些电介 质称为极性电介质。
电介质
组成极性电介质的每一个分
电极
子成为一个偶极子（两个电荷
极），在外电场作用时，由于偶
《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗
电介质放入极板间,就要受到电场的作用,介质原
子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生 位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而 不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面 呈现出与极板上电荷相反的电的极性来，即靠近正极 板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正 的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚 电荷。正由于靠近极板两表面出现束缚电荷，根据异 极性电荷相吸的规律，要从电源再吸收等量的异极性 电荷Q′到极板上，这就导致Q=Q0+ Q′＞Q0。
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r 大的电介质，因 为这样可使电容的体积减小和重量减轻。但其他电气设备中往
往希望选用 r 较小的电介质，这是因为较大的 r往往和较大的 电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用 r 较小的绝缘材料
还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。
在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用， 这时应注意各种材料的r 值之间的配合，因为在工频交流电压 和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与各层电 介质的r 成反比。
四、空间电荷极化
上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理与上述不同，它是带电质点（电子或正、 负离子）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
当开关S和上，两电介质 都发生极化。由于电介 质不同，极化程度也不 同，故交界面处积聚的 异号电荷不相等。如： 介质Ⅰ下部边缘处积聚 的正电荷比介质Ⅱ上部 边缘处积聚的负电荷多 的话，则在两介质交界 面处显示出正的电极性 来。这种使夹层电介质 分界面上出现电荷积聚 的过程称为夹层极化。
最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极 化和空间电荷极化等。
高电压技术总复习
第一章电介质的极化、电导和损耗一、掌握电介质极化的基本形式及特点（1）极化：电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移现象。
（2）电子位移极化：负电荷的作用中心与正电荷的作用中心不再重合主要特点：1、极化所需时间极短；2、极化具有弹性，不产生能量损耗；3、温度对极化的影响较小。
（3）离子位移极化：在外电场E作用下，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。
离子式极化的特点：1、极化过程极短；2、极化具有弹性，无能量损耗；3、温度对极化有影响：（4）偶极子极化：在外电场的作用下，偶极子受到电场力的作用而发生转向，顺电场方向作有规律的排列，靠电极两表面呈现出电的极性。
偶极子式极化的特点：1、极化所需时间极长，故极化与频率有较大的关系；2、极化属非弹性，有能量损耗；3、温度对极化影响很大：极性气体介质具有负的温度系数；（5）空间电荷极化：是带电质点（电子或正、负离子）的移动形成的。
最典型的空间电荷极化是夹层极化。
夹层极化的特点：1、极化所需时间长，故夹层极化只有在低频时才有意义。
具有夹层绝缘的设备断开电源后，应短接进行彻底放电以免危及人身安全，大容量电容器不加电压时也应短接；2、极化涉及电荷的移动和积聚，所以必然伴随能量损耗。
二、介质的相对介电常数ε0 ——真空的介电常数=8.86×10-14F/cm三、掌握电介质损耗的基本概念、介质损耗因数tanδ概念采用介质损耗角正切tanδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量和监控各种电力设备绝缘的tanδ值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要项目之一。
第二章气体放电的物理过程一、掌握气体中带电粒子的产生和消失1 气体中带电质点的产生途径：电子获得足够的能量跳出最外层轨道，成为自由电子。
产生带电离子的过程称为电离（游离），它是气体放电的首要前提。
一是气体本身发生电离（游离）；二是气体中的固体或液体金属发生表面电离（游离）。
高电压技术(第1章)
极化、电导和损耗：在外加电压相对较低（不超 过最大运行电压）时，电介质内部所发生的物理 过程。
这些过程发展比较缓慢、稳定，所以一直被 用来检测绝缘的状态。此外，这些过程对电介质 的绝缘性能也会产生重要的影响。
击穿：在外加电压相对较高（超过最大运行电压） 时，电介质可能会丧失其绝缘性能转变为导体， 即发生击穿现象。
离子式结构的固体电介质的体积电导则主要 由离子在热运动影响下脱离晶格移动所形成。
影响固体电介质体积电导的主要因素 电场强度
场强较低时，加在固体介质上的电压与流过 的电流服从欧姆定律。场强较高时，电流将随电 压的增高而迅速增大。
因固体介质发生碰撞游离的场强高，在发生 游离前阴极就能发射电子，形成电子电导，故流 过固体介质的电流不存在饱和区。 温度
荷。
二、电介质极化的概念和极化的种类
极化：无论何种结构的电介质，在没有外电场 作用时，其内部各个分子偶极矩的矢量和平均 来说为零，电介质整体上对外没有极性。
当外电场作用于电介质时，会在电介质沿 电场方向的两端形成等量异号电荷，就像偶极 子一样，对外呈现极性，这种现象称为电介质 的极化。
电介质极化的四种基本形式：
温度升高时，体积电导按指数规律增大。 杂质
杂质含量增大时，体积电导也会明显增大。
固体电介质的表面电导主要是由附着于介质表 面的水分和其他污物引起的。
固体电介质的表面电导与介质的特性有关：
亲水性介质，容易吸收水分，水分可以在其表 面形成连续水膜，如玻璃、陶瓷就属此类。
憎水性介质，不容易吸收水分，水分只能在其 表面形成不连续的水珠，不能形成连续水膜，如石 蜡、硅有机物就属此类。
电负性相等或相差不大的两个或多个原子相 互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子， 这种化学键就称为共价键。
最全的高电压技术各章节选择判断题汇总及答案附期末测试
高电压技术各章选择判断题汇总及答案附期末测试第一章电介质的极化、电导和损耗1.单选题用于电容器的绝缘材料中，所选用的电介质的相对介电常数（）。
A 应较大B 应较小C 处于中间值D 不考虑这个因素A2.单选题偶极子极化（）。
A 所需时间短B 属于弹性极化 C 在频率很高时极化加强D 与温度的关系很大D3.单选题电子式极化（）。
A 所需时间长B 属于弹性极化C 在频率很高时极化加强D 与温度的关系很大B4.单选题离子式极化（）。
A 所需时间长B 属于弹性极化C 在频率很高时极化加强D 与温度的关系很大B5.单选题极化时间最长的是（）。
A 电子式极化 B 离子式极化 C 偶极子极化 D 空间电荷极化D6.单选题极化时伴随有电荷移动的是（）。
A 电子式极化 B 离子式极化C 偶极子极化D 夹层极化D7.单选题夹层极化中电荷的积聚是通过电介质的（）进行的。
A 电容B 电导C 电感D 极化B8.单选题相对介电常数是表征介质在电场作用下（）的物理量。
A 是否极化B 损耗C 击穿D 极化程度D9.单选题对于极性液体介质，温度较低时，随温度的升高，极化（）。
A 减弱B 增强C 先减弱再增强D 不变 B10.单选题用作电容器的绝缘介质时，介质的相对介电常数应（）。
A 大些B 小些C 都可以D 非常小A11.单选题用作一般电气设备的绝缘时，介质的相对介电常数应（）。
A 大些B 小些C 都可以D 非常小B12.单选题表征电介质导电性能的主要物理量为（）。
A 电导率B 介电常数C 电阻D 绝缘系数A13.单选题电介质的电导主要是（）引起的。
A 自由电子B 自由离子C 正离子D 负离子B14.单选题金属导体的电导主要是（）引起的。
A 自由电子B 自由离子C 正离子D 负离子A15.单选题通常所说的电介质的绝缘电阻一般指（）。
A 表面电阻B 体绝缘电阻C 表面电导D 介质电阻B16.单选题直流电压（较低）下，介质中流过的电流随时间的变化规律为（）。
高电压技术
1、在电场作用下，电介质中出现的电气现象分两大类，在弱电场下，主要是极化，电导，介质损耗等，在强电场下主要是放电，闪络，击穿等。
3、带电粒子的产生：光电离，热电离，碰撞电离，电极表面的电离。
4、负离子的产生，碰撞和附着，这种情况下，带电粒子的数量没有增加，对于气体放电有抑制作用。
5、带电粒子的消失：1 形成外电路的电流。
2 逸出气体放电空间，3 带电粒子复合。
6 、电子崩：场强足够大，电子在电场力作用下引起碰撞电离，产生新的电子，电子数量像雪崩一样增加，这种急剧增加的电子流成为电子崩。
7、自持放电：不依靠外界因素而由电场本身作用下保持的放电。
8、非自持放电：依靠外界因数保持的放电。
完成气隙击穿的条件：1 足够高的电压，2 能引起电子崩的有效电子3 需要一定的时间。
9 最基本的极化形式：电子式极化，离子式极化，偶极子极化。
10 变压器油击穿电压影响因素和提高方法：因素：水分和其他杂质，油温，电场均匀度，电压作用时间，油压的影响，方法：过滤，防潮，祛气。
11、纯净液体的击穿理论，电子碰撞电离理论和气泡击穿理论。
固体的击穿理论：电击穿理论，热击穿理论和电化学击穿理论。
12、影响固体介质电气强度的主要因素：1 电压作用时间，电场均匀程度，温度，受潮，累积效应。
9、放电自持的条件：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为e ad --- 1这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数为γ（e ad --- 1），如果他等于1 ，意味着初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。
10、电负性气体？分子与电子结合成负离子，这些易于产生负离子的气体称为电负性气体。
11、放电时延？出现有效的电子后，击穿过程才真正开始，这时该电子将引起碰撞电离形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿，这个过程中需要一定的时间，通常称为放电时延。
12、50％冲击放电电压？施加10次电压中4--6次击穿了，这一电压就是气隙的50%冲击电压。
高电压技术(第1章)解析
《高电压技术》第3版常美生主编第一章电介质的极化、电导和损耗概述⏹电介质：指具有很高电阻率（通常为106~1019Ω·m）的材料。
⏹电介质的作用：在电气设备中主要起绝缘作用，即把不同电位的导体分隔开，使之在电气上不相连接。
⏹电介质的分类：按状态可分为气体、液体和固体三类。
其中气体电介质是电气设备外绝缘（电气设备壳体外的绝缘）的主要绝缘材料；液体、固体电介质则主要用于电气设备的内绝缘（封装在电气设备外壳内的绝缘）。
⏹极化、电导和损耗：在外加电压相对较低（不超过最大运行电压）时，电介质内部所发生的物理过程。
这些过程发展比较缓慢、稳定，所以一直被用来检测绝缘的状态。
此外，这些过程对电介质的绝缘性能也会产生重要的影响。
⏹击穿：在外加电压相对较高（超过最大运行电压）时，电介质可能会丧失其绝缘性能转变为导体，即发生击穿现象。
第一节电介质的极化一、电介质的极性及分类⏹分子键：电介质内分子间的结合力。
⏹化学键：分子内相邻原子间的结合力。
根据原子结合成分子的方式的不同，电介质分子的化学键分为离子键和共价键两类。
原子的电负性是指原子获得电子的能力。
电负性相差很大的原子相遇，电负性小的原子的价电子被电负性大的原子夺去，得到电子的原子形成负离子，失去电子的原子形成正离子，正、负离子通过静电引力结合成分子，这种化学键就称为离子键。
电负性相等或相差不大的两个或多个原子相互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子，这种化学键就称为共价键。
离子键中，正、负离子形成一个很大的键矩，因此它是一种强极性键。
共价键中，电负性相同的原子组成的共价键为非极性共价键，电负性不同的原子组成的共价键为极性共价键。
由非极性共价键构成的分子是非极性分子。
由极性共价键构成的分子，如果分子由一个极性共价键组成，则为极性分子；如果分子由两个或多个极性共价键组成，结构对称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。
分子由离子键构成的电介质称为离子结构的电介质。
《高电压技术》参考答案
参考答案第一章电介质的极化、电导和损耗一、单项选择题：1. D2. D3. B二、填空题：1. 增大了2．电子式极化、离子式极化、偶极子式极化、空间电荷极化（夹层式极化）3．在电场作用下极化程度的物理量4．电子式极化、离子式极化5．偶极子式极化、空间电荷极化（夹层式极化）6．大些7．离子性、电子性8．电导强弱程度9．电场强度、温度、杂质10．体积电导、表面电导11．电导损耗、极化损耗12．电导13．δωCtgU214．电导三、简答题1．答：电介质的电导为离子性电导，随着温度的升高，分子的热运动加剧，分子之间的联系减弱，介质中离解出的离子数目增多，所以电导率增大。
而导体的电导是电子性电导，温度升高，分子的热运动加剧，电子在电场作用下定向运动时遇到的阻力增大，所以电导率降低。
2．答：不同。
电介质在直流电压作用下只有电导损耗，而在交流电压作用下除了电导损耗外还有周期性极化引起的极化损耗，所以同样条件下，电介质在交流电压下的损耗大于直流电压下的损耗。
3．答：电介质的电导是离子性电导，而金属导体的电导是电子性电导；电介质的电导率小，导体的电导率大；随温度升高，电介质的电导率增大，导体的电导率减小。
第二章气体电介质的击穿特性一、单项选择题：1．B 2. C 3. A 4. C 5. B 6. D 7. A8. C 9. D 10. A11. D 12. B 13. C 14. C二、填空题：1. 辉光放电、火花放电、电弧放电、电晕放电2．最小3．升高4．空间光游离5．棒—棒6．扩散7．改善电场分布、削弱气隙中的游离过程8．固体介质9．20℃、101.310．低11．增大12．250/250013．空间电荷14．增大三、简答题1．答：（1）因棒极附近场强很高，不论棒的极性如何，当外加电压达到一定值后，此强场区内的气体首先发生游离。
当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒极运动，进入强电场区，引起碰撞游离，形成电子崩。
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易吸入水分等
见表
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7
由体积电阻率划分各种介质的结果
导电状态
电阻率 [Ω·cm]
介质
超导体
导体
半导体 绝缘体
10-6~10-2 10-2~109 109~1022
金属
无机、有 无机、油、
机物
有机
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8
四、固体电介质的表面电导 由附着于介质表面的水分和污秽引起
介质的表面电阻率和电导率：l代表两电极间距，b代表电 极长。实际测量时用平行电极存在极间场强不均匀的问题 需加保护电极，或者用三电极法上的同心圆环测量
V
1
V
可编辑ppt
6
特点：
1、与温度有关，与液体类似
2、与电场强度有关：当电场强度大于某一定值时
eb(EE0) 0
0 — 电导率与电场强度无关时的电导率
bE 0
— —
电导率与电场强度无关时的最大电场强度
与材料性质有关的常数
见图
3、与杂质有关：合成高分子绝缘材料的催化剂、增塑剂、填料
（以增大机械强度，改善耐弧性、耐热性等）；多孔性纤维材料
· 多孔性纤维材料不仅表面电阻小，体积电阻也小
见表
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10
讨论介质电导的意义:
1、在绝缘预防性试验中，要测绝缘电阻和泄漏电流以判断绝缘是否受潮 或有其它劣化现象。在试验中需注意将表面电导与体积电导区别开来。
吸收比: 通常用加压60s测量的绝缘电阻与 加压15s测量的绝缘电阻的比值可 以有效地判断绝缘的好坏，即
EU d
VAd
E2 tg VU d2 2C Atdg Ad
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17
tg I r Ic
1 CR
均匀介质中总的有功损耗：
PUr IU ctI gU 2 Ctg 包括
电导损耗 极化损耗
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18
1、气体电介质中的损耗
1、当场强不足以产生碰撞电离时气体中的损耗是由电导引起的， 损耗极小（ tg＜10-8）
2、当外施电压U超过局放起始电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加， 这在高压输 电线上是常见的，称为电晕损耗。
可编辑ppt
19
2、液体电介质中的损耗
非极性或弱极性电介质损耗 很小，损耗主要由电导决定
t＜t1时： 电导和极化损耗都很小，随着温度 的升高，极化损耗显著增加
t1＜t＜t2: 由于分子热运动加快，妨碍极性分 子的转向极化，极化损耗的减小比 电导损耗的增加更快
S
RS
b l
S
1 S
单位Ω
介质
测量电极
l b
可编辑ppt
9
特点： 1、与环境因素有关 2、与绝缘材料的憎水性有关 3、与绝缘材料的性质有关
θ>90° θ
憎水性
θ<90° θ
亲水性
如：· 电瓷能被水湿润，但表面无脏物时，即使在潮湿环境仍能
保持相当大的电阻率
· 大部分玻璃部分溶于水，但表面电阻较小，而且与温度关 系较大
区域3：当场强超过E2≈103
V/cm时，气体电介质将发生碰
js
撞电离，从而使气体电介质电
导急剧增大
0
可编辑ppt
C
A
B
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
E1
E2
Ecr E
4
二、液体电介质 电导
特点：
一是由液体本身的分子和杂质的分子解 离成离子，构成离子电导；
二是由液体中的胶体质点(如变压器油中 悬浮的小水滴)吸附电荷后，变成带电质 点，构成电泳电导。
1、与纯净度有关: 杂质越多，电导越大
2、与介质分子的离解度有关: 介电常数越大，电导越大 见表
3、与温度有关
温度升高液体电介质粘度降低，离子质或离子的热离解度增加， 电导增大
AeB/T A、B — 常数；T — 绝对温度 — 电导率
见图
4、与电场强度有关: 当场强到达一定程度后，电导将迅速增大
电介质的电导和损耗
可编辑ppt
1
电介质中的传导电流
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
传导电流的组成： 电介质中的传导电流含漏导电 流和位移电流两个分量
漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点 在电场作用下运动造成的
位移电流：由电介质极化造成的吸收电流
可编辑ppt
2
电介质电导
i g — 泄漏电流
3
一、气体电介质的电导：
气体中无吸收电流； 气体离子的浓度约为500~1000对/cm2；
气体电介质中的电流密度—场强特性
分成三个区域
j
区域1：E≈5×10-3 V/cm，电
流密度j随着E增加而增加；
区域2：当E进一步增大，j趋 向饱和；
以上两者的电阻率约1022 Ω•cm量级。
jlk — 漏导引起的电流密度
j p — 有损极化引起的电流密度
Jc E
单位体积介质中的损耗功率：
P E r J E c tJ g E 2 tg
含有均匀介质的平板电容器总损耗功率：
P p V E 2 t g V U 2 c tg
可编辑ppt
16
所以：
因为：
C A Cd
d
A
３、并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要 设法减小绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导 体釉，高压电机定子绕组出稽口部分涂半导体漆等，都 是为了改善电压分布，以消除电晕。
可编辑ppt
12
可编辑ppt
13
可编辑ppt
14
电介质损耗
可编辑ppt
15
损耗角正切：
tg jr jc
j g — 真空和无损极化引起的电流密度
可编辑ppt
见图
5
三、固体电介质的 体积电导
离子电导：带电粒子是离子，低电场电导区
（介质的工作范围），以离子电导为主
电子电导：带电粒子是电子，高电场电导区，
以电子电导为主
用三电极法测量介质的体积电阻率ρV为
V
RV
S d
式中S为测量电极的面积，d为介质厚度，RV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γV则为
K R 60" R 15"
如良好、干燥的绝缘，吸收电流较
大，K值较大（应大于某一定值）；
受潮或有缺陷的绝缘，吸收比较小。 图:某变压器的绝缘电阻与时间关系曲线 1受潮时；2 经干燥后
可编辑ppt
11
２、设计绝缘结构时要考虑到环境条件，特别是湿度的影响。 注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性 材料的表面防水处理。
I
ic
测量介质中电流的电路图
电介质中的电导是由于电介质的基本物 质及其中所含杂质分子的化学分解或热离解 形成带电质点(电子、正离子、负离子)，沿 电场方向移动而造成的。它是离子式的电导， 也就是电解式的电导。
可编辑ppt
ig
0
i'a t
i'c
固体介质中的电流与时间的关系
i c — 充电电流 i a — 吸收电流（数分钟以上）