1、高電壓技術重慶電力高等專科學校重慶電力高等專科學校劉赟劉赟 講師講師高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術課程內容高電壓技術課程內容絕緣絕緣試驗試驗絕緣絕緣材料材料過電壓過電壓保護保護高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程絕緣的概念：將不同電位的導體分開，使之在電氣上不相連接。具有絕緣作用的材料稱為電介質或絕緣材料。電介質的分類：按狀態分為氣體、液體和固體三類。學習情境學習情境1 1：絕緣介質電氣性能及擊穿過程：絕緣介質電氣性能及擊穿過程在電場作用下電介質會產生許多物理現象，如極化、電導、游離、在電場作用下電介質會產生許多物理現象，如極化、電導、游離、損耗

2、和擊穿放電等現象，正確理解和認識這些現象，對我們進行絕損耗和擊穿放電等現象，正確理解和認識這些現象，對我們進行絕緣結構的合理設計、絕緣材料的合理利用以及對絕緣性能的準確評緣結構的合理設計、絕緣材料的合理利用以及對絕緣性能的準確評估有著非常重要的意義。估有著非常重要的意義。高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程重慶電力高等專科學校重慶電力高等專科學校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能重慶電力高等專科學校重慶電力高等專科學校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能學習情境一學習情境一 絕緣介質電氣性能及擊穿過程絕緣介質電氣性能及擊穿過程子情境子情境1.1 絕緣材料的電氣

3、性能絕緣材料的電氣性能子情境子情境1.2 氣體絕緣材料及其擊穿特性氣體絕緣材料及其擊穿特性子情境子情境1.3 液體絕緣材料及其擊穿特性液體絕緣材料及其擊穿特性子情境子情境1.4 固體絕緣材料及其擊穿特性固體絕緣材料及其擊穿特性高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程重慶電力高等專科學校重慶電力高等專科學校1.1 .1 電介質的極化電介質的極化1.1.2 電介質的電導電介質的電導1.1.3 電介質的損耗電介質的損耗1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能子情境子情境 1.11.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能認識絕緣認識絕緣材料（電材料（電介質）在介質）在較低電壓較低電壓

4、下的電氣下的電氣性能性能高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程重慶電力高等專科學校重慶電力高等專科學校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能【學習任務學習任務】了解電介質在電場作用下的極化了解電介質在電場作用下的極化現象，熟悉各類電介質極化的特點，了解介電現象，熟悉各類電介質極化的特點，了解介電常數的物理意義及電介質極化在工程上的意義。常數的物理意義及電介質極化在工程上的意義。v1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程無論何種結構的電介質，在沒有外電場作用無論何種結構的電介質，在沒有外電場作用時，內部的正、負電荷處

5、于相對平衡狀態，時，內部的正、負電荷處于相對平衡狀態，整體上對外沒有極性。整體上對外沒有極性。當有外電場作用時，均勻介質內部各處仍呈當有外電場作用時，均勻介質內部各處仍呈電中性，但在介質表面要出現異號電荷（靠電中性，但在介質表面要出現異號電荷（靠近正極板的表面出現負電荷，靠近負極板的近正極板的表面出現負電荷，靠近負極板的表面出現正電荷），這種電荷不能離開電介表面出現正電荷），這種電荷不能離開電介質到其它帶電體，也不能在電介質內部自由質到其它帶電體，也不能在電介質內部自由移動，我們稱它為束縛電荷。它不象導體中移動，我們稱它為束縛電荷。它不象導體中的自由電荷能用傳導方法將其引走。因此，的自由電荷能

6、用傳導方法將其引走。因此，在外電場作用下，電介質表面出現束縛電荷在外電場作用下，電介質表面出現束縛電荷的現象，我們稱為極化。的現象，我們稱為極化。1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程v1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化極化的概念：極化的概念： 在外電場作用下，電介質的表面上出現束縛電荷的現象叫做電介質極化。極化的形式：極化的形式： 電子式極化、離子式極化偶極子式極化、夾層式極化一、極化的概念和極化的形式一、極化的概念和極化的形式高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程任何電介質都是由原子組成，原子為帶正電

7、荷的原子核和帶負電荷的外層電子組成，其電荷量相等，正、負電荷作用中心重合，對外不顯電性。而在外電場作用下，原子外層電子軌道相對于原子核產生位移，其正、負電荷作用中心不再重合，對外呈現出一個電偶極子的狀態。v 1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化電子式電子式極化：極化：由于電子發生相對位移由于電子發生相對位移而發生的極化。而發生的極化。特點：時間短，彈性極化,無能量損耗 存在于一切材料中存在于一切材料中高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程v 1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化離子式極化離子式極化離子式極化發生于離子結構的電介質中。固體無機化合物（如云母、

8、陶瓷、玻璃等）多屬于離子結構。在無外電場作用時，每個分子的正、負離子的作用中心是重合的，故不呈現極性。在外電場作用下，正、負離子偏移其平衡位在外電場作用下，正、負離子偏移其平衡位置，作用中心不再重合，使整個分子呈現極置，作用中心不再重合，使整個分子呈現極性。性。特點：時間短，彈性極化, 無能量損耗 存在于離子結構物質中存在于離子結構物質中高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程有些電介質具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質稱為極性電介質，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯苯等。每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當不存在外電場時，

9、這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列著，宏觀電矩等于零，整個介質對外并不表現出極性v 1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化偶極子式偶極子式極化極化出現外電場后偶極子沿電場方向轉動，作較出現外電場后偶極子沿電場方向轉動，作較有規則的排列，有規則的排列， 因而顯出極性，這種極化稱因而顯出極性，這種極化稱為偶極子極化或轉向極化。為偶極子極化或轉向極化。特點：時間較長，非彈性極化,有能量損耗. 存在于極性材料中存在于極性材料中高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程v 1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化夾層式夾層式極化極化前面所講的三種極化均是在單一電介質中發生的。

10、但在高壓設備中，常應用多種介質絕緣，如電纜、電容器、電機和變壓器等，兩層介質中常夾有油層、膠層等，這時在介質的分界面上會產生“夾層極化”現象。圖1-4 夾層極化物理過程示意圖（a）示意圖；（b）等值電路UC1C2G1G2KUK+_+_U1U2(a)(b)以平行板電極間的雙層電介質為例說明夾層極化過程。在開關K剛合閘瞬間（相當于施加很高頻率的電壓），等值電路中電容支路的容抗遠小于電導支路的電阻，兩層介質上的電壓分配與各層電容成反比，即tUCUC12210到達穩態時，等值電路中電容支路相當于開路，兩層介質上的電壓分配與各層電導成反比，即tUGUG1221一般來說，對兩層不同的介質， ，即CGCG2

11、211ttUUUU11220合閘后，兩層介質上的電壓有一個重新分配的過程.結果使兩層介質的分界面上出現了不等量的異號電荷，從而顯示出電的極性來（分界面上正電荷比負電荷多，呈現正極性，否則，呈現負極性）。這種使夾層電介質分界面上出現電荷積聚的這種使夾層電介質分界面上出現電荷積聚的過程稱為夾層式極化。過程稱為夾層式極化。 特點特點：時間很長，非彈性極化，有時間很長，非彈性極化，有能量損耗能量損耗 存在于多種材料的交界面存在于多種材料的交界面 當絕緣受潮時，由于電導增大，極化完成當絕緣受潮時，由于電導增大，極化完成時間將大大下降。時間將大大下降。 對使用過的大電容設備，應將兩電極短接對使用過的大電容

12、設備，應將兩電極短接并徹底放電，以免有吸收電荷釋放出來，并徹底放電，以免有吸收電荷釋放出來，危及人身安全。危及人身安全。高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程設圖1-4（b）中C1=1F，C2=2F，G1=2S，G2=1S，U=3V，為了說明的簡便，全部參數均采用基本單位。合閘初瞬，根據式（1-1）可得，則U1=2V，U2=1V，Q1=U1C1=2C，Q2=U2C2=2C，如圖1-5（a）所示；穩態時，根據式（1-2）可得，U1=1V，U2=2V，則Q1=U1C1=1C，Q2=U2C2=4C，如圖1-5（b）所示；分界面上堆積的電荷為413C。圖1-5 雙層介質中電荷和電位分布（

13、a）合閘初瞬時；（b）穩態時+_+_U1=1U2=2U=3+1-1+4-4C1C2G1G2+_+_U1=2U2=1U=3+2-2+2-2C1C2G1G2(a)(b)v1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化夾層式夾層式極化極化實例分析實例分析高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程極化種類極化種類產生場合產生場合所需時間所需時間能量損耗能量損耗產生原因產生原因電子式極化電子式極化任何電介質任何電介質10-15 s無無束縛電子運行束縛電子運行軌道偏移軌道偏移離子式極化離子式極化離子式結構電離子式結構電介質介質10-13 s幾乎沒有幾乎沒有離子的相對偏離子的相對偏移移偶極子極化

14、偶極子極化極性電介質極性電介質10-1010-2 s有有偶極子的定向偶極子的定向排列排列夾層極化夾層極化多層介質的交多層介質的交界面界面10-1 s數小數小時時有有自由電荷的移自由電荷的移動動為便于比較，將上述各種極化列為下表v1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程介電常數：表征電介質在電場作用下極化程度的物理量介電常數：表征電介質在電場作用下極化程度的物理量. .二、介電常數二、介電常數v1.1.1 1.1.1 電介質的極化電介質的極化重慶電力高等專科學校重慶電力高等專科學校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能高電壓技術精

15、品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程U 0 0真空的介電常數，8.8610-14F/cm。當極板間充滿一塊固體介質后,在電場作用下，電介質發生極化.為維持電場恒定，極板上的電荷必然會增加，增加的電荷用以抵消極化電荷所產生的反電場。QQSCUd 0 固體介質的介電常數。固體介質的介電常數。二、介電常數二、介電常數高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程相對介電常數：相對介電常數：表征電介質在電場作用下極表征電介質在電場作用下極化程度化程度的物理量的物理量0r二、介電常數二、介電常數相對介電常數r的值由電介質的材料決定，并且與溫度、頻率等因素有關。氣體電介質因密度很小，極化程度很弱

16、，因而一切氣體的r應用時都可看作1。在工頻電壓下、溫度為20時，常用的液體、固體電介質的r大多在26之間，如表1-2、1-3所示。高電壓技術精品資源共享課程高電壓技術精品資源共享課程二、介電常數二、介電常數電介質極化在工程上的意義：電介質極化在工程上的意義：選擇電介質時，選擇電介質時，應注意應注意相對介電相對介電常數常數 的的大小大小。用作電容器的絕用作電容器的絕緣介質緣介質時，希望時，希望 大大些好些好。用作其它設備的用作其它設備的絕緣介質絕緣介質時，時，希希望望 小小些好。些好。在絕緣試驗中，在絕緣試驗中，夾層極化現夾層極化現象象可用可用來判斷絕緣受潮來判斷絕緣受潮情況情況。例如例如，水分

17、侵入電介質水分侵入電介質后后，使材料的介電常數使材料的介電常數增大，增大，同同時水分時水分能增強能增強夾層式極化作夾層式極化作用用，因此，因此，通過測量材料的，通過測量材料的相對介電常數，就能判斷電相對介電常數，就能判斷電介質介質受潮受潮程度程度。在使用。在使用電容電容器器等等大容量大容量設備時，須設備時，須特別特別注意注意吸收電荷對人身安全吸收電荷對人身安全的的威脅威脅。 rrr幾種幾種絕緣介質絕緣介質組合組合在一起在一起使使用用時，應時，應注意注意 的的配合配合。小的電介質小的電介質其其電氣電氣強度應強度應高高些些。 rr介質損耗介質損耗是影響絕是影響絕緣劣化和緣劣化和熱擊穿的熱擊穿的一個重要一個重要因素。如因素。如極性介質極性