1第八章絕緣材料

絕緣材料又稱電介質。具有1011－1024歐姆·米的電阻率。其主要用途如下：1、隔離作用：隔離不同帶電導體，使其導體中的電流按規定的方向流動。2、儲能作用：在電場中能被極化，與此同時能將電能轉化為電場能貯存起來。3、其它作用：經過加工后，可以起著固定支撐、散熱、滅弧、冷卻、防潮、防霉及保護導體等作用。2絕緣材料分類按材料來源：天然絕緣材料和人工合成絕緣材料。按材料的化學成分：有機絕緣材料和無機絕緣材料。按電工產品的應用：高壓工程絕緣材料和低壓工程絕緣材料。按應用或工藝特征：漆、樹脂和膠類；浸漬纖維制品類；層壓制品類；塑料類；云母制品類；薄膜、粘帶和復合制品類。31、研究電介質電氣性能意義設備絕緣的基礎超高壓大容量電網發展的要求新材料促進電力工業的進步加強絕緣材料的研究，促進科技發展隨著科學技術的發展，發現一些電介質具有的特殊性能。如不具有對稱中心的晶體電介質，在機械力的作用下能產生極化，即壓電性；不具有對稱中心，而具有與其他方向不同的唯一極軸晶體存在自發極化，當溫度變化能引起極化，即具有熱釋電性；自發極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變，它的極化強度與外施電場的關系曲線與鐵磁材料磁化強度與磁場的關系曲線極為相似。這些具有特殊性能的材料可作機械、熱、聲、光、電之間的轉換，在國防、探測、通信等領域具有極為重要的用途。452、電介質電氣性能的劃分

電氣性能有四個：介電常數ε

電導ρ

介損tgδ

擊穿強度Eb63、

電介質的極化與介電常數3.1電介質物質結構的基本形式3.2極化與電介質3.3電介質極化的基本類型3.4電介質的介電常數73.1電介質物質結構的基本形式

形成分子和聚集態的各種鍵 離子鍵、共價鍵、金屬鍵

電介質根據化學結構分為3類： 非極性及弱極性電介質 偶極性電介質 離子性電介質三種化學鍵的比較化學鍵概念微粒特征形成條件和規律示例離子鍵陰陽離子間靜電作用離子無方向性無飽和性形成陰陽離子NaCl、K2O共價鍵極性鍵非極性鍵配位鍵原子間共用電子對偏不偏一方提供不同原子相同原子特殊原子有方向性和飽和性不同非金屬元素之間同種非金屬元素之間一方有孤對電子，一方有空軌道COHXX2

、O2H2O2H3O+NH4+金屬鍵金屬離子和自由電子間的靜電作用金屬離子和自由電子間無方向性無飽和性金屬單質和合金相鄰的兩個或多個原子之間的強烈相互作用113.2極化與電介質

極化概念：電場中有電介質時，由于電場的作用電介質內部發生形變，結果導致電介質內部電荷分布的變化。這個過程稱作極化123電介質極化基本類型

電介質的極化有五種基本形式：

電子位移極化 離子位移極化 轉向極化 夾層介質界面極化 空間電荷極化

13電子位移極化極化機理：電子偏離軌道介質類型：所有介質建立極化時間：極短，10-14~~10-15s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（無關）極化彈性：彈性；消耗能量：無 14離子位移極化極化機理：正負離子位移介質類型：離子性介質建立極化時間：極短，10-12~~10-13s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性；消耗能量：無15轉向極化（偶極極化）極化機理：極性分子轉向介質類型：偶極性介質建立極化時間：需時較長，10-6~~10-2s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（有關） 溫度極化彈性：非彈性；消耗能量：有16

夾層介質界面極化概念：合閘瞬間兩層介質的電壓比由電容決定。穩態時分壓比由電導決定。 當t=0:

當t=∞:夾層介質界面極化17

如果則雙層介質的表面電荷不重新分配。但實際上很難滿足上述條件，電荷要重新分配，這樣在兩層介質的交界面處會積累電荷，這種極化形式稱夾層介質界面極化。這種極化形式存在于不均勻夾層介質中，伴隨有能量損失，夾層界面上電荷的堆積是通過介質電導G完成的，高壓絕緣介質的電導通常都很小，極化建立需時很長，這種性質的極化只有在低頻時才有意義18極化機理：帶電質點移動介質類型：不均勻夾層介質中建立極化時間：很長極化程度影響因素：

電場強度（有關） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關）極化彈性：非彈性；消耗能量：有 19空間電荷極化極化機理：正負離子移動介質類型：含離子和雜質離子的介質建立極化時間：很長極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關）極化彈性：非彈性；消耗能量：有 2021材料極化各種極化形式的比較極化形式極化的電介質種類極化的頻率范圍與溫度的關系能量消耗電子位移極化一切介質直流——光頻無關無離子位移極化離子結構直流——紅外溫度升高極化增強很弱轉向極化有機直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結構不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有空間電荷極化松弛極化離子極化電子極化

工頻聲頻無線電紅外紫外極化率或

極化率和介電常數與頻率的關系氣體電介質的介電常數氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對介電常數都接近1。氣體的介電常數隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小。2526部分氣體的相對介電常數環境條件 20℃,1atm氣體種類相對介電常數氦1.000072氫1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空氣1.00059液體電介質的介電常數27非極性和弱極性電介質：屬于這類的液體電介質有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它們的相對介電常數都不大，其值在1.8~2.8范圍內。偶極性電介質：這類介質的相對介電常數較大，其值在3~80范圍，能用作絕緣介質的εr值在3~6左右。此類液體電介質用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大，蓖麻油和幾種合成液體介質有實際應用。28介電常數同溫度和頻率的關系（氯化聯苯）根據轉向極化的特點，可對介電常數隨溫度及頻率變化的趨勢作出解釋。（1）T不變，f增大εr減?。?）f不變，T升高εr先增大后減小頻率f3>f2>f1固體電介質的介電常數29非極性和弱極性固體電介質：此類固體電介質的種類很多，聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機玻璃等都屬此類，這類電介質只有電子式極化和離子式極化，介電常數不大，通常在2.0~2.7范圍。

偶極性固體電介質：屬于此類的固體電介質有樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機玻璃、聚氯乙烯和滌綸等。這類電介質的相對介電常數較大，一般為3~6，還可能更大。離子性電介質：如陶瓷，云母等，此類電介質的相對介電常數?r一般在5~8左右303.5討論極化的意義選擇絕緣：對于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇?r較大的介質。對于電纜，為減小電容電流，要選擇?r較小的介質多層介質的合理配合：對于多層介質，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其?r成反比，要注意選擇?r，使各層介質的電場分布較均勻，從而達到絕緣的合理應用研究介質損耗的理論依據：極化形成和介質損失有關，要掌握不同極化類型對介質損失的影響電氣預防性試驗、研發新型材料314、電介質的電導特性1電介質中的傳導電流2電介質中的電導特性3電介質傳導電流的測量4討論電介質電導的意義321、

電介質中的傳導電流電氣傳導電流概念：是表征單位時間內通過某截面的電量傳導電流的組成：電介質中的傳導電流含漏導電流和位移電流兩個分量漏導電流：由介質中自由的或聯系弱的帶電質點在電場作用下運動造成的位移電流：由電介質極化造成的吸收電流 33介質中的電流與時間的關系：吸收電流隨時間減少，是位移電流，總電流趨向穩定值即趨向漏導電流34

體積電導和表面電導 用三電極法測量介質的體積電阻率ρV為 式中S為測量電極的面積，d為介質厚度，RV由測量的漏導電流ig及電壓值決定，RV=U/ig。那么介質的體積電導率γV則為單位Ω.cm35單位Ω介質的表面電阻率和電導率：l代表兩電極間距，b代表電極長。實際測量時用平行電極存在極間場強不均勻的問題需加保護電極36由體積電阻率劃分各種介質的結果導電狀態超導體導體半導體絕緣體電阻率[Ω·cm]

10-6~10-210-2~109109~1022介質

金屬無機、有機物無機、油、有機37氣體電介質中的電流密度—場強特性分成三個區域區域1：E≈5×10-3V/cm，電流密度j隨著E增加而增加；區域2：當E進一步增大，j趨向飽和；以上兩者的電阻率約1022Ω?cm量級。區域3：當場強超過E2≈103V/cm時，氣體電介質將發生碰撞電離，從而使氣體電介質電導急劇增大液體電介質的電導38液體中極化發展快，吸收電流衰減快電導構成：離子電導、電泳電導非極性液體電介質的電導率1018Ω?cm弱極性1015Ω?cm偶極性1010Ω?cm~1012Ω?cm，由于損耗太大，實際不使用。強極性如水、乙醇等實際上已是離子性導電液，不能用作絕緣材料離子性電導隨溫度的升高而增加39液體電介質中電壓——電流特性區域1：液體電介質的電導在電場比較小的情況下，遵循歐姆定律區域2：隨著場強的增大，與氣體相似，有一平坦區域區域3：場強繼續增大超過某一極限，電極發射電子引起電流激增，最終擊穿固體電介質的電導40固體介質中電流的吸收現象比較明顯產生固體電介質電導的機理和規律和液體類似，只是沒有電泳電導對于離子性電介質，電導的大小和離子本身的性質有關，單價小離子（Li+,Na+,K+）束縛弱，易形成電流，因而含單價小離子的固體電介質的電導較大固體電介質的電導除與微觀結構有關外，還和材料的宏觀結構有關。

纖維性材料或多孔性材料因易吸水，一般電阻率較小固體介質的電阻率41結構緊密，潔凈的離子性電介質，電阻率為1017Ω?cm~~1019Ω?cm結構不緊密且含單價小離子的離子性電介質的電阻率僅達1013Ω?cm~~1014Ω?cm非極性或弱極性介質主要由雜質離子造成電導。純凈介質的電阻率可達1017Ω?cm~~1019Ω?cm偶極性電介質，因本身能解離，此外還有雜質離子共同決定電導，故電阻率較小，較佳者可達1015Ω?cm~~1016Ω?cm42固體電介質的電壓－電流特性

區域1：符合歐姆定律，也稱低場強領域區域2：電流隨場強非線性增加區域3：出現破壞先導電流區域2、3也稱高場強領域和液體、氣體不同，固體中的電壓－電流特性沒有飽和狀態 43

固體介質的表面電導固體介質除了體積電阻外，還存在表面電導。干燥清潔的固體介質的表面電導很小，表面電導主要由表面吸附的水分和污物引起。介質吸附水分的能力與自身結構有關，所以介質表面電導也是介質本身固有的性質討論電導的意義44

絕緣預防性試驗的理論依據，預防性試驗時，利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設備的絕緣狀況；

直流電壓下分層絕緣時，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率，實現各層之間的合理分壓；

注意環境濕度對固體介質表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理。455、電介質中的能量損耗及介質損失角正切

在直流電壓作用下介質的的損失僅有漏導損失，可用體積電阻率ρV或表面電導率ρS表征在交流電壓作用下介質的損失除了漏導損失外，還有極化損失，僅有ρV或ρS就不夠了，需要另外的特征量來表示介質在交流電壓作用下的能量損耗

在交流電壓的作用下，流過介質的電流I及作用電壓之間關系的向量圖如圖介質的電壓電流向量圖46介質損失角正切的概念：由于存在損耗，U和I之間的夾角不再是90o的關系，IC代表流過介質總的無功電流，IR代表流過介質的總有功電流，IR包括了漏導損失和極化損失。從直觀看，IR大則損失大，定義一個新的物理量，即介質損失角正切值tgδ來代表介質在交流電壓下的損耗tgδ僅反映介質本身的性能，和介質的幾何尺寸無關介質的電壓電流向量圖47并聯等值回路中：tg

=IR/IC=1/

CpRP=U2/R=

CpU2tg

串聯等值回路中：tg

=Ur/Uc=

CsrP=I2r=電介質的串并聯等值回路

分析介質在交流電壓作用下的能量損耗，常用兩種等值回路。并聯等值回路和串聯等值回路分別如圖所示

討論損耗的意義48(1)選擇絕緣。tg

過大會引起絕緣介質嚴重發熱，甚至導致熱擊穿。如用蓖麻油制造的電容器就因為tg

大，而僅限于直流或脈沖電壓下使用，不能用于交流(2)預防性試驗中判斷絕緣狀況。如果絕緣受潮或劣化，tg

將急劇上升，在預防試驗中可通過tg

～U的關系曲線來判斷是否發生局部放電(3)當tg

大的材料需加熱時，可對材料加交流電壓，利用材料本身介質損耗的發熱。該方法加熱非常均勻，如電瓷生產中對泥坯加熱即用這種方法擊穿強度Eb絕緣材料在電場作用下喪失絕緣性能的現象稱為擊穿。在規定的試驗條件下絕緣體發生擊穿時的電壓稱為擊穿電壓，用Ub表示。在均勻電場中用介電強度Eb表示。Eb=Ub/d49在氣、固、液三種電介質中，固體密度最大，耐電強度也最高固體電介質的擊穿過程最復雜，且擊穿后是唯一不可恢復的絕緣耐電強度：空氣的耐電強度一般在3—4kV/mm左右；液體的耐電強度在10—20kV/mm；而固體的耐電強度在10—幾百kV/mm；普遍規律：任何介質的擊穿總是從電氣性能最薄弱的缺陷處發展起來的，這里的缺陷指電場的集中，也指介質的不均勻性51電介質的