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高电压技术辅导资料五 主 题： 第三章 液体和固体介质的电气特性（第1节） 学习时间： 2013年4月29日－5月5日 内 容： 我们这周主要学习第三章第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深液体及固体介质的极化、电导和损耗相关内容的理解。 第三章 液体和固体介质的电气特性 第一节 液体和固体介质的极化、电导和损耗 在高压电气设备中，液体和固体电介质作为内绝缘被广泛的使用。这是因为液体和固体电介质的绝缘强度比气体大得多，用它们作电气设备的内部绝缘可是绝缘的尺寸缩小、设备结构紧凑。 由液体和固体电介质构成的内绝缘具有的特点： （1）不受外界大气条件变化的影响。 （2）对包含固体介质的内绝缘，绝缘击穿是非自恢复的（一般的液体介质的内绝缘是可自恢复的，但是击穿多次，也不能使用了）。 （3）长时间工作下逐渐老化（空气介质不会老化）。 因此，对于由液体和固体组成的内绝缘，不仅要考虑它在短时过电压下的特性，还要考虑在长时间的工作电压下的特性。 电介质的电气特性，表现为在电场作用下的： 导电性能——电导率γ 介电性能——介电常数 ε、介质损耗角正切tanδ 电气强度——击穿场强Eb 液体和固体电介质在运行过程中会出现逐渐老化的现象，使它们的物理、化学性能及各种电气参数发生改变，从而影响绝缘的电气强度及其寿命。所以对液体和固体电介质，我们不仅要了解它们在强电场下的击穿特性，还要了解它们在弱电场下的电气特性，如极化、电导、损耗等。 气体电介质在弱电场强下的极化、电导、损耗很微弱，一般可以忽略不计（弱电场是指电场强度远没有达到击穿场强）。 1.电介质的极化和介电常数 （1）极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极矩）的现象。电矩是指由大小相等、符号相反、彼此相距一定距离的两个异号电荷组成的系统称为电矩或偶极矩。电矩是有方向和大小的，方向是由负电荷指向正电荷，大小是指带电量与两个电荷垂直距离的乘积。 真空电容器 固体电介质电容器 以两个平行板电容器为例。当电容器加入固体电介质后，导体内部的束缚电荷发生有限位移，对外不产生电流，内部电荷总量仍然为零，但是由于外加电场作用，对外呈现一定的电场力，导致极板之间电场强度发生改变。为了使极板之间电场强度不变（因为外加电压不变），要从电源吸收更多的电荷（图中蓝色电荷）。所以，极板间插入固体电介质后，电容量增加： C=(Q0+Q＇)/U=εA/d 我们定义固体电介质电容器的电容量与真空时的电容量之比为相对介电常数εr εr =C/C0=ε/ε0 可见，在外加电场的作用下，由于加入固体介质，导致等值电容量增大了，即电极可以更多的储存能量了。 注意： 1）是束缚电荷而不是自由电子 2）是有限位移而不是电荷流通 3）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用对外显现电场力 相对介电常数是用来表示极化程度的物理量，宏观的物理量描述了电介质在微观状态下的极化过程，介电常数的大小反映极化程度的强弱。相对介电常数越大表明电介质极化现象越强，相对介电常数越小表明电介质极化现象越弱。 气体电介质的极化现象比较弱，所以各种气体的相对介电常数接近1，液体、固体的εr 则各不相同，εr与介质温度、外加电源频率有关 （2）电介质的极化种类 1）电子式极化 在外加电场的作用下，物质原子中电子的运动轨道相对于原子核产生了位移，使原子中正、负电荷的作用中心不再重合，这种由电子位移形成的极化叫电子式极化。这种形式的极化是最常见的极化形式。 特点：存在于一切电介质，极化所需时间短，εr不随频率变化；极化具有弹性，不损耗能量（外加电场消失，电子会回到原来的轨道上）。 2）离子式极化 离子式结构的电介质在外加电场的作用下，正、负离子发生偏移，两者的作用中心不再重合，整个分子呈现极性。这种由正、负离子相对位移形成的极化叫离子式极化。 特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短；极化具有弹性，无能量损耗；εr 随温度升高而增大。 3）偶极子极化 有些电介质的分子即使在无外电场作用时，正、负电荷的作用中心也不重合，因为形成一个永久性的偶极矩。这种具有永久性偶极子的电介质称为极性电介质。无外加电场时，单个的偶极子虽具有极性，但是各个偶极子处在不停的热运动中，排列混乱，对外作用相互抵消，整个介质不呈极性。在电场的作用下，原来混乱排列的偶极子沿电场方向排列，呈现极性。这种由极性电介质偶极子分子的转向形成的极化叫偶极子式极化。 特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，εr 与电源频率有很大关系；极化消耗能量； 温度过高或过低，εr 都会减小。 4）夹层极化 复合