電介質極化電導與損耗第一頁，共54頁。電介質的極化第二頁，共54頁。極性分子和非極性分子

由兩個或多個極性共價鍵組成的分子，如其結構對稱者為非極性分子，結構不對稱者為極性分子。

常見絕緣電介質：極性電介質（環氧樹脂、蓖麻油）和非極性電介質（聚四氟乙烯、氮氣等）H2O...OHH+SF6 1、電介質的極化現象第三頁，共54頁。

偶極子：由大小相等、符號相反、彼此相距為d的兩電荷（+q，-q）所組成的系統稱為偶極子。H2O...OHH+第四頁，共54頁。

偶極矩（表征偶極子性質的物理量）：偶極矩的方向由負電荷指向正電荷，其大小為每個電荷的電量乘以正、負電荷間的距離，即：

偶極矩的單位：德拜（D）；當單位正、負電荷間距離為0.210-10m時產生的偶極矩為1D

第五頁，共54頁。

離子鍵：正、負離子形成一個很大的鍵矩（偶極矩），因此它是一種強極性鍵，由它組成的分子為強極性分子。極性分子和非極性分子

原子結合成分子的方式（化學鍵）：離子鍵共價鍵氯化鈉H2O...OHH+第六頁，共54頁。++++++++++++++++++++電介質極化

無外電場時，有極分子電矩取向不同，整個介質不帶電；加上外電場后，電矩受力矩作用而發生轉向，在介質左右兩端面上出現極化電荷。E外++++++++++++++++++++++++++

以極性分子為例：第七頁，共54頁。+++++Q0U+++++自由電荷極化電荷+++++

極板間插入固體介質后，在電場作用下電介質中帶電物質產生應變，電介質表面產生束縛電荷，把這種現象稱為電介質極化。Q’+第八頁，共54頁。電介質的極化和相對介電常數

真空中兩極板之間的電容： 0：真空中的介電常數，8.85410-14F/cm

單位面積極板上的電荷（電荷密度）： D：電位移矢量（電通量密度）第九頁，共54頁。電介質發生極化后，極板間的電容量增為：：介質的介電常數此時，單位面積極板上的電荷為：相對介電常數定義：第十頁，共54頁。復合介質中的電場分布問題第十一頁，共54頁。

以平板電極間的電場為例：（1）交流電壓下

根據電磁場理論，不同介質交界面電位移矢量D在法線方向上連續，D=E，因此可得：1E1=2E2由，E1=U1/d1，E2=U2/d2，U1+U2=U，可得：第十二頁，共54頁。

交流電壓下雙層電介質中的電場分布，（a雙層電介質；b電場分布；c電壓分布）第十三頁，共54頁。（2）直流電壓下

根據電介質中的電流密度J（J=

E）方向相同、大小相等，可得1E1=2E2(為電導率)。同樣可得：：第十四頁，共54頁。觀察同軸圓柱電極間電場分布情況圖1-16具有雙層電介質的同軸圓柱電容器中的電場分布（a）雙層電介質；（b）1=2；（c）1<2；（d）1>2；

以雙層電介質為例，分析以下三種情況：第十五頁，共54頁。 2、電介質極化種類

（1）、電子位移極化 （2）、離子位移極化 （3）、偶極子轉向極化 （4）、熱離子極化 （5）、夾層介質界面極化 （6）、空間電荷極化

極化的基本形式：第十六頁，共54頁。

（1）、電子位移極化

當物質原子里的電子軌道受到外電場E的作用時，它將相對于原子核發生位移而形成極化。e+第十七頁，共54頁。1）、電子式極化存在于一切氣體、液體及固體介質中。

2）、形成極化所需的時間極短（因電子質量極小），約10-15，故其r不隨頻率變化；

3）、它具有彈性，當外電場去掉后，依靠正、負電荷間的吸引力，作用中心又會馬上重合而整個呈現非極性，所以這種極化沒有損耗。電子位移極化的特點第十八頁，共54頁。

溫度對電子式極化影響不大；溫度升高時介質略有膨脹，單位體積內的分子數減少，引起r略為下降，即r具有不大的負的溫度系數。溫度對電子位移極化影響第十九頁，共54頁。

（2）、離子位移極化

離子位移極化：無外電場時，大量離子對的偶極矩互相抵消，故平均偶極矩為零，在外電場作用下，正、負離子發生偏移，使平均偶極矩不再為零，介質呈現極性。第二十頁，共54頁。1）、離子位移極化存在于離子晶體中；

2）、形成極化所需的時間很短，約10-12s，故其r不隨頻率變化；

3）、屬于彈性極化，幾乎沒有極化損耗。離子位移極化的特點第二十一頁，共54頁。1）、離子間結合力隨溫度升高而降低，使極化程度增加

2）、離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低。溫度對離子位移極化影響：兩種因素前一種因素影響較大，所以其r一般具有正的溫度系數。第二十二頁，共54頁。

（3）、偶極子轉向極化

偶極子轉向極化：當沒有外電場時，單個的偶極子雖然具有極性，但各個偶極子均處在不停的熱運動之中，分布非常混亂，對外的作用互相抵消，因此整個介質對外并不呈現極性；而在電場作用下，原來混亂分布的極性分子順電場定向排列，因而顯示出極性。H2O...OHH+第二十三頁，共54頁。偶極子轉向極化的特點：1）、偶極子轉向極化存在于極性介質中；

2）、偶極子極化是非彈性極化，極化時要消耗的電場能量；

3）、極化所需的時間較長，約10-10-10-2s，故其r隨頻率變化；第二十四頁，共54頁。溫度對偶極子轉向極化的影響：1）、氣體，隨著溫度的升高，r減小；

2）、液體和固體，低溫下，r隨著溫度的升高而升高；高溫下，r隨著溫度的升高而減小。第二十五頁，共54頁。

（4）、夾層介質界面極化

絕緣材料由不同成分組成，或介質不均勻，這種情況下會產生“夾層介質界面極化”現象。這種極化的過程特別緩慢，而且伴隨有能量損耗。第二十六頁，共54頁。

（5）、空間電荷極化

介質內的正、負自由離子在電場作用下改變分布狀況時，將在電極附近形成空間電荷，稱為空間電荷極化。它和夾層介質界面極化現象一樣都是緩慢進行的，所以假使加上交變電場，則在低頻至超低頻階段都有這種現象存在，而在高頻時因離子來不及移動，就沒有這種極化現象。第二十七頁，共54頁。第二十八頁，共54頁。3、討論電介質極化的意義

（1）、選擇用于電容器中的絕緣材料時，希望材料的r大；絕緣結構則希望材料的r小。（2）、串聯介質中場強E的分布與r成反比，幾種絕緣材料組合在一起使用，要注意各r值的配合，（3）、介質損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個重要因素，而材料的介質損耗與極化類型有關。（4）、夾層介質界面極化現象在絕緣預防性試驗中可用來判斷絕緣受潮情況。第二十九頁，共54頁。電介質的電導第三十頁，共54頁。

（一）泄漏電流和絕緣電阻表面泄漏電流，體泄漏電流EGLEGL表面電導體積電導絕緣屏蔽環第三十一頁，共54頁。1、測試原理

三電極系統測量介質泄漏電流（注意表面泄漏電流和本體泄漏電流）

先將S3閉合，然后在很短的時間內斷開，為什么？第三十二頁，共54頁。2、電流曲線ic：電容電流；ia：吸收電流；ig：泄漏電流通過泄漏電流可以求取絕緣電阻，體電阻RV。注意區別體電阻RV和表面電阻RS。第三十三頁，共54頁。

表面電阻RS測試電路第三十四頁，共54頁。

絕緣介質中泄漏電流產生的主要原因：離子導電，而不是電子導電。絕緣電阻具有負溫度系數。溫度越高，參與漏導的離子（介質本身的或雜質的）越多，則泄漏電流越大，所以絕緣電阻具有負的溫度系。

表征絕緣電阻大小的物理量：電阻率：；體積電阻率V，表面電阻率S

電導率：；第三十五頁，共54頁。介質內帶電粒子產生的原因：1、晶格缺陷2、解離3、泊爾弗侖開爾效應第三十六頁，共54頁。1、晶格缺陷實際的離子結晶材料并非完全理想的結晶，而總是具有某些分散的晶格缺陷。（弗侖開爾缺陷、肖特基缺陷）第三十七頁，共54頁。

（1）弗侖開爾缺陷：格結點上的離子離開晶格結點位置，則在該晶格結點上形成空穴。這種離子和空穴組成的缺陷稱為弗侖開爾缺陷。第三十八頁，共54頁。

（2）肖特基缺陷：正、負離子逸出介質表面，而在晶格結點上出現兩個空穴，這樣組成的缺陷稱為肖特基缺陷。第三十九頁，共54頁。離子電流：晶格結點上的離子以結點為中心振動，在電場的作用下，與晶格缺陷相鄰接的位置上的離子有可能落入晶格缺陷，這樣，晶格缺陷就能順序地在晶格中移動，形成離子電流。第四十頁，共54頁。2、解離（1）介質自身熱解離成為離子；（2）電子的碰撞電離。第四十一頁，共54頁。3、泊爾弗侖開爾效應固體的能帶理論指出：固體中的電子被限制在不連續的能帶中。各相鄰的能帶都由能量間隔互相隔開。在由共價鍵結合的晶體介質中，正常情況的各價電子占據充滿滿帶。由晶體缺陷所產生的盈余電子則處于較高的能帶中，這個能帶稱為導帶或空帶，處于這個能帶的電子可以在介質中自由活動。導帶和滿帶之間的能量間隔稱為禁帶。第四十二頁，共54頁。兩種導電粒子形成電子電導：在電場作用下滿帶中的電子沿電場的反方向移動而填充空穴，而填充空穴的電子又在它原來的位置上留下空穴，即空穴將沿電場方向移動。所以這種場合，將由導帶中的傳導電子和滿帶中的空穴一起形成電導，稱為電子電導。第四十三頁，共54頁。如果介質中存在雜質，雜質使介質內增加了導電粒子（有的雜質是離子性的，它增加了導電粒子；有的雜質中的電子能帶較高，使導電粒子易于產生），使絕緣電阻下降。這就是為什么纖維材料（如紙介質），干燥后需用液體介質浸漬以防止水分侵入。第四十四頁，共54頁。固體電介質的表面電導表面電導主要是由附著于介質表面的水分和其他污物引起的。憎水性介質：分子和水分子的附著力小于水分子的內聚力，水分子只能在它們表面形成不連續的水珠，這種介質稱為憎水性介質，其表面電阻率很高。如石蠟、聚苯乙烯、聚乙烯、硅有機物等。親水性介質：分子和水分子的附著力大于水分子的內聚力，這種介質稱為親水性介質。如電瓷、玻璃、多孔性介質（纖維材料）。第四十五頁，共54頁。

（二）液體電介質的電導

液體介質中構成電導的主要因素：（1）液體本身的分子和雜質的分子解離為離子，構成離子電導；（2）液體中的膠體質點（如變壓器油中懸浮的小水滴）吸附電荷后，形成帶電質點，構成電泳電導。注意大型電力變壓器油流帶電現象第四十六頁，共54頁。討論介質電導的意義1、通過測絕緣電阻和泄漏電流，判斷絕緣是否受潮或有其他劣化現象。2、在多層絕緣介質的設計中，根據介質的電導率合理使用絕緣材料。（直流電壓穩態情況下，電壓分布同電導率成反比）。3、設計絕緣結構時要考慮到環境條件，特別是濕度的影響。有時需要作表面防潮處理，如膠布（或紙）筒外表面刷環氧漆，絕緣子表面涂硅有機物或地蠟等。4、對于某些能量較小的電源，如靜電發生器等，要注意減小絕緣材料的表面泄漏電流以保證得到高電壓。5、并不是所有情況下都希望絕緣電阻高，有些情況下要設法減小絕緣電阻值。如在高壓套管法蘭附近涂上半導體釉，高壓電機定子繞組出槽口部分涂半導體漆等，都是為了改善電壓分布，以消除電暈。第四十七頁，共54頁。電介質的損耗第四十八頁，共54頁。電介質損耗及介質損失角正切電介質損耗：電介質的能量損耗稱為電介質損耗，簡稱介質損耗。電介質損耗包括兩部分：電導損耗；極化損耗。電介質損耗在交流、直流電壓下的區別？第四十九頁，共54頁。交流電壓下的介質損耗：電源供給的視在功率由功率三角形可見，介質損耗：：介質損耗角：功率因數角用P表示介質損耗的缺點：不同試品間難以互相比較，介質損耗角正切tg：僅取決于材料的特性，與材料尺寸無關，表示介質損耗更為方便。第五十頁，共54頁。第五十一頁，共54頁。討論介質損耗的意義1、絕緣結構設計時，必須注意到絕