 | 北京中航時(shí)代儀器設(shè)備有限公司 |
會(huì)員.png)
13699145010
在線溝通：
石磊 （銷(xiāo)售經(jīng)理）
- 電話：
- 400-166-9267
- 手機(jī)：
- 13699145010
- 傳真：
- 86-010-80224846
- 聯(lián)系我時(shí),，
- 告知來(lái)自化工儀器網(wǎng)
- 個(gè)性化：
- www.zhonghangyq.com
- 手機(jī)站：
- m.zhonghangyq.com
- 商鋪網(wǎng)址：
- http://sorrent.com.cn/st279932/
- 公司網(wǎng)站：
- http://www.zhonghang17.com
液體和固體電介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)與絕緣擊穿強(qiáng)度
閱讀：667發(fā)布時(shí)間：2024-3-27
電氣設(shè)備中,，除了某些地方(如GIS設(shè)備)有采用氣體作為絕緣外，廣泛采用的是固體和液體電介質(zhì),。這是因?yàn)?/span>固體、液體電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度要比氣體大許多,，用它們作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣可以縮小結(jié)構(gòu)尺寸,；載流導(dǎo)體的支承需要固體電介質(zhì)；液體電介質(zhì)可兼作冷卻與滅弧介質(zhì),。然而,，液體和固體電介質(zhì)的擊穿有各自的特點(diǎn),，與氣體的擊穿有很大的不同,。本章討論液體和固體電介質(zhì)在電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)的擊穿特性,，以及在電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)不是很高時(shí)，電介質(zhì)中所發(fā)生的極化,、電導(dǎo)和損耗物理過(guò)程，以及液體,、固體電介質(zhì)的老化問(wèn)題。
第一節(jié) 電介質(zhì)的極化
一、極化的概念與介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)
極化是電介質(zhì)(氣體,、液體,、固體絕緣介質(zhì))在電場(chǎng)作用(加上電壓后)下發(fā)生物理過(guò)程的一種,。雖此物理過(guò)程在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行,，但我們可以通過(guò)此物理過(guò)程的外觀表現(xiàn)來(lái)證實(shí)極化過(guò)程的存在,。圖2-1為兩個(gè)平板電容器,，它們的結(jié)構(gòu)尺寸相同。圖2-1(a)中的電容器極板間為真空,，而圖2-1(b)中的電容器極板間為固體電介質(zhì)。我們知道,，由于極間介質(zhì)的不同，電容量是不同的,，而且尺寸結(jié)構(gòu)相同電容器，真空電容器的電容量是最小的,，所以圖2-1(b)電容器的電容量要大于圖2-1(a)電容器的電容量,，為什么電容量大呢,？這就是用于固體電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生極化所致。
圖2-1(a)中,，在極板上施加直流電壓U后，兩極板上分別充有電荷量Q=Q0的正,、負(fù)電荷。此時(shí)
式中ε0——真空的介電系數(shù),；
A——金屬極板的面積；
d——極間距離；
C0——極板間為真空時(shí)的電容量,。
然后，在極間放入一塊厚度與極間距離相等的固體電介質(zhì)，就成為圖2-1(b)所示的電容器,，此時(shí)電容器的電容量變?yōu)镃
式中 ε——固體電介質(zhì)的介電系數(shù),。
放入固體電介質(zhì)后，極板上的電荷量變成Q
Q=CU
由于C＞C0,，而U不變,，所以Q＞Q0,。這表明放入固體電介質(zhì)后,，極板上的電荷量有所增加。通過(guò)下面的分析可看出這是由于固體電介質(zhì)在極板之間的電場(chǎng)作用下發(fā)生了極化所導(dǎo)致,。
電介質(zhì)放入極板間，就要受到電場(chǎng)的作用,，介質(zhì)原子或分子結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷在電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生位移,，向兩極分化,，但仍束縛于原子或分子結(jié)構(gòu)中而不能成為自由電荷,。結(jié)果，在介質(zhì)靠近極板的兩表面呈現(xiàn)出與極板上電荷相反的電的性來(lái),，即靠近正極板的表面呈現(xiàn)負(fù)的電極性，靠近負(fù)極板的表面呈現(xiàn)正的電極性,，這些仍保持在電介質(zhì)內(nèi)部的電荷稱(chēng)為束縛電荷,。正由于靠近極板兩表面出現(xiàn)了束縛電荷，根據(jù)異極性電荷相吸的規(guī)律,，要從電源再吸取等量異極性電荷Q?到極板上,，這就導(dǎo)致了Q=Q0+ Q?＞Q0,。現(xiàn)在可以對(duì)電介質(zhì)的極化下一定義：電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向作有限位移的現(xiàn)象稱(chēng)為極化,。
對(duì)于上述平板電容器，放入的電介質(zhì)不同,，介質(zhì)極化的強(qiáng)弱程度也不同，極板上的電荷量Q也不同,，因此Q/ Q0就表征在相同情況下不同介質(zhì)極化的不同程度
εr稱(chēng)為電介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)介電系數(shù),。它是表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度的物理量,，其物理意義表示金屬極板間放入電介質(zhì)后電容量(或極板上的電荷量)比極板間為真空時(shí)的電容量(或極板上的電荷量)增大的倍數(shù),。
εr值山電介質(zhì)的材料所決定,。氣體分子間的間距很大，密度很小,，因此各種氣體的εr均接近于1。常用的液體、固體介質(zhì)的εr大多在2~6之間,。不同電介質(zhì)的εr值隨溫度、電源頻率的變化規(guī)律一般是不同的,。在工頻電壓下為20℃時(shí)，一些常用介質(zhì)的εr如表2-1所示,。
表2-1 常用電介質(zhì)的介電系數(shù)和電導(dǎo)率
材料 | 名稱(chēng) | 介電系數(shù)εr （工頻，20℃） | 電導(dǎo)率γ （20℃,，Ω-1cm-1） | |
氣體介質(zhì) | 空 氣 | 1.00059 | ||
液體介質(zhì) | 弱極性 | 變壓器油 硅有機(jī)油 | 2.2 2.2~2.8 | 10-15~10-12 10-15~10-14 |
極性 | 蓖麻油 氯化聯(lián)苯 | 4.5 4.6~5.2 | 10-13~10-12 10-12~10-10 | |
固體介質(zhì) | 中性 | 石 蠟 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 | 1.9~2.2 2.4~2.6 2 | 10-16 10-18~10-17 10-18~10-17 |
極性 | 松 香 纖維素 膠 木 聚氯乙烯 瀝 青 | 2.5~2.6 6.5 4.5 3.3 2.6~2.7 | 10-16~10-15 10-14 10-14~10-13 10-16~10-15 10-16~10-15 | |
離子性 | 云 母 電 瓷 | 5~7 6~7 | 10-16~10-15 10-15~10-14 | |
二、極化的基本形式
由于電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同,，極化過(guò)程所表現(xiàn)的形式也不同，極化的基本形式有以下四種,。
1.電子式極化
圖2-2為電子式化示意圖,，其中圖2-2 (a)為極化前電介質(zhì)的中性原子(假設(shè)只有一個(gè)電子),，圖2-2(b)為極化后的原子，從圖中可看出電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生了變形,，并相對(duì)于正電荷的原子核產(chǎn)生了位移,。這樣,，負(fù)電荷的作用中心(橢圓的中心)與正出荷的作用中心不再重合，這種由電子位移所形成的極化就稱(chēng)為電子式極化,。
這種極化的特點(diǎn)為：
(1)極化所需的時(shí)間極短,，約為10-15～10-14s，這是由于電子質(zhì)量極小的緣故,。因此，這種極化在各種頻率的外電場(chǎng)作用下均能產(chǎn)生,，也就是說(shuō)εr不隨頻率的改變而變化,。
(2)極化時(shí)沒(méi)有能量損耗,，這種極化具有彈性，即在外電場(chǎng)去掉后,，由于正,、負(fù)電荷的相互吸引而自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，所以極化過(guò)程中無(wú)能量損耗,。
(3)溫度對(duì)極化的影響極小。
2. 離子式極化
固體無(wú)機(jī)化合物(如云母,、玻璃,、陶瓷等)的分子結(jié)構(gòu)多數(shù)展于離子式結(jié)構(gòu),，其分子由正、負(fù)離子構(gòu)成,。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，每個(gè)分子中正離子的作用中心(將所有正離子集中于此點(diǎn)時(shí)作用效果相同)與負(fù)離子的作用中心是重合的,，故每個(gè)分子不呈現(xiàn)電的極件,，如圖2-3(a)所示,。在外電場(chǎng)E作用下，正,、負(fù)離子作有限的位移,，使兩者的作用中心不再重合,，如圖2-3(b)所示。這樣,，每個(gè)分子呈現(xiàn)電的正負(fù)極性,。這種由正,、負(fù)離子相對(duì)位移所形成的極化就稱(chēng)為離子式極化,。
離子式極化的特點(diǎn)為：
(1)極化過(guò)程極短。約為10-13~10-12s,，故極化(或εr值)不隨頻率的不同而變化。
(2)極化過(guò)程中無(wú)能量損耗,，這是因這種極化也具有彈性性質(zhì),。
(33溫度對(duì)極化有影響,。溫度升高時(shí)，離子間的結(jié)合力減弱,，使極化程度增加,；而離子的密度則隨溫度的升高而減小,，使極化程度降低。綜合起來(lái),，前者影響大于后者,，所以這種極化隨溫度升高而增強(qiáng)，即εr具有正的溫度系數(shù)(εr值隨溫度升高而增大),。
3.偶極子式極化
有些電介質(zhì)的分了，如蓖麻油,、氯化聯(lián)苯、松香,、橡膠,、膠木等等，在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),，其正負(fù)電荷作用中心是不重合的，這些電介質(zhì)稱(chēng)為極性電介質(zhì),。組成這些極性介質(zhì)的每一個(gè)分子成為一個(gè)偶極子（兩個(gè)電荷極）,。在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，由于極子不停的熱運(yùn)動(dòng),，拼列混亂,，如圖2-4(a)所示，故介質(zhì)靠電極的兩表面不呈現(xiàn)電的極性,。在外電場(chǎng)作用下,，偶極子受到電場(chǎng)力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向,，順電場(chǎng)方向作有規(guī)則的排列，如圖2-4(b)所示,，靠電極兩表面呈現(xiàn)出電的極性,。這種由于極性電介質(zhì)偶極子分子的轉(zhuǎn)向所形成的極化就稱(chēng)為偶極子式極化,。
偶極子式極化的特點(diǎn)為：
(1)極化所時(shí)間較長(zhǎng)。約為10-10~10-2s,，故極化與頻率有較大關(guān)系,。頻率很高時(shí),，由于偶極子的轉(zhuǎn)向跟不上電場(chǎng)方向的改變，因而極化減弱,。
(2)極化過(guò)程中有能量損耗,。這種極化屬非彈性,，偶極了在轉(zhuǎn)向時(shí)要克服分子間的吸引力和摩摩力而要消耗能量,。
(3)溫度對(duì)偶極子極化的影很大,。溫度高時(shí),，分子熱運(yùn)動(dòng)妨礙偶極子順電場(chǎng)方向排列的作用明顯，極化減弱,；溫度很低時(shí),，分子間聯(lián)系緊密，偶極了轉(zhuǎn)向困難,，極化也減弱。以氯化聯(lián)苯為例,，其εr,、f,、t三者的關(guān)系如圖2-5所示,。
4.空間電荷極化
在實(shí)際中，高壓電氣設(shè)備的絕緣采用幾種不同電介質(zhì)組成復(fù)合絕緣,。即便是采用單一電介質(zhì),，由于不均勾,，也可以看成是由幾種不同電介質(zhì)組成，所以討論這種夾層情況下的空間電荷極化更具現(xiàn)實(shí)意義,。
下面以平行平板電極的雙層電介質(zhì)為例來(lái)說(shuō)明夾層式極化的過(guò)程,。如圖2-6(a)所示,，當(dāng)開(kāi)關(guān)S合上，兩電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下都要發(fā)生極化,。根據(jù)電壓的極性,，在兩電介質(zhì)交界面的介質(zhì)Ⅰ側(cè)，積聚正束縛電荷,，交界面的介質(zhì)Ⅱ側(cè)積聚負(fù)束縛電荷。由于兩電介質(zhì)的不同,，極化程度也不同,，故交界面處積聚的異號(hào)電荷不相等，例如介質(zhì)Ⅰ下部邊緣處積聚的正電荷比介質(zhì)Ⅱ上部邊緣處積聚的負(fù)電荷多的話,，則在兩介質(zhì)交界面處顯示出正的電極性來(lái)。我們將這種使夾層電介質(zhì)分界面上出現(xiàn)電荷積聚的過(guò)程稱(chēng)為夾層式極化,。夾層式極化過(guò)程是很緩慢的,，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)一緩慢過(guò)程后,，夾層介質(zhì)的分界面上才呈現(xiàn)出某種電荷的極性來(lái)。
夾層式極化的具體過(guò)程可用圖2-6(b)所示的等值電路來(lái)解釋,。在等值電路中,，C1,、C2,、G1、G2分別為介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ的等值電容和電導(dǎo),，為了說(shuō)明的簡(jiǎn)便,，全部參數(shù)只標(biāo)數(shù)值,，略去單位.設(shè)
C1=1，C2=2,，G1=2,，G2=1,，U=3
開(kāi)關(guān)S在t=0時(shí)合上，電壓突然從零升至U作用在兩電介質(zhì)上,，這相當(dāng)于施加一很高率的電壓,，故此時(shí)兩電介質(zhì)上的電壓按電容成反比分配(由于容抗遠(yuǎn)小于電阻)，即
由于u1+u2=U=3,，所以
此時(shí)兩等值電容上電荷分別為
總等值電容為
這表明加壓瞬間，兩電介質(zhì)分界面上的正,、負(fù)電荷相當(dāng)，并不呈現(xiàn)電的極性,。
之后,，出現(xiàn)夾層極化過(guò)程。當(dāng)夾層極化過(guò)程結(jié)束,，即圖2-6(b)的等值電路合閘后達(dá)到穩(wěn)態(tài)(理論上為t→∞)，此時(shí)兩介質(zhì)上的電壓按電導(dǎo)反比分壓(由于電流全流過(guò)電導(dǎo)),，即
由于u1+u2=U=3,，所以
此時(shí)兩等值電容上電荷分別為
總等值電容為
由此可見(jiàn),，由于夾層式極化，使兩電介質(zhì)分界面上的正,、負(fù)電荷不相等(在此例中夾層分界面上呈現(xiàn)+3電的極性)以及等值電容的增大,。
對(duì)于這個(gè)例子，夾層式極化過(guò)程就是C1上電壓從2降至1,，C2上電壓從1升至2的過(guò)程,。而這種電壓的升降都是通過(guò)G1、G2進(jìn)行的,。由于電介質(zhì)的電導(dǎo)非常小(電阻非常大)，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)(RC)非常大,，這就是為什么夾層極化過(guò)程非常緩慢的緣故,，一般為幾秒到幾十分鐘，甚至有長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的,，因此這種極化只有在頻率不高時(shí)才有意義,。顯然，夾層極化過(guò)程中有能量損耗,。
既然分界面上電荷的積聚過(guò)程是緩慢的，那么此電荷的釋放過(guò)程也將是緩慢的,，為此,，具有夾層絕緣的設(shè)備斷開(kāi)電源后，應(yīng)短接進(jìn)行放電以免危及人身安全,，大容量電容器不加電壓時(shí)要短接即為此原因,。
了解電介質(zhì)的極化,，在工程上是很有意義的。例如,，選擇電容器中的絕緣材料時(shí),，選εr大的材料，這樣電容器單位電容量的體積和質(zhì)量都可減小,。而選擇其他電氣設(shè)備絕緣材料時(shí)，一般希望εr小一些,，例加選用εr小一些的材料作交流電力電纜的絕緣可減小電纜工作時(shí)的充電電流以及因極化引起的發(fā)熱損耗,。由于多種電介質(zhì)串聯(lián)時(shí)，各電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度與它們的介電系數(shù)εr成反比,，因此在幾種絕緣材料組合使用時(shí)，要注意各絕緣介員εr值的合理分配,，以使各絕緣介質(zhì)層中的電場(chǎng)強(qiáng)度盡均勻分布,。
以上信息由企業(yè)自行提供,，信息內(nèi)容的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和合法性由相關(guān)企業(yè)負(fù)責(zé),，化工儀器網(wǎng)對(duì)此不承擔(dān)任何保證責(zé)任,。 溫馨提示：為規(guī)避購(gòu)買(mǎi)風(fēng)險(xiǎn)，建議您在購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品前務(wù)必確認(rèn)供應(yīng)商資質(zhì)及產(chǎn)品質(zhì)量,。