电介质的损耗.pdf
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1、精品文档 . 第二节 电介质的损耗 作用下的能量损耗,由电能转变为其它形式的能,如热能、光能等,统称为介质损耗。它是导致电介质发 生热击穿的根源。电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率,简称电介质损耗。 1 损耗的形式 电导损耗: 在电场作用下,介质中会有泄漏电流流过,引起电导损耗。气体的电导损耗很小,而液体、固体中的电导 损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损 耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中,则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质 损耗较大,并在一定温度和频率上出现峰值。 电导损耗,实质是相当于交流、直流电流
2、流过电阻做功,故在这两种条件下都有电导损耗。绝缘好时,液、 固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的,与电导一样,是随温度的增加而急剧增加的。 极化损耗: 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗,如偶极子的极化损耗。它与温度有关,也与电场的频率有关。极化 损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下,损耗都有最大值。用tg 来表征电介质在交流电 场下的损耗特征。 游离损耗: 气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电晕是在空气间隙中或 固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部 放电是指液、固体绝缘间隙中,导体间的绝
3、缘材料局部形成“ 桥路 ” 的一种电气放电,这种局部放电可能与 导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。 2 介质损耗的表示方法 在理想电容器中,电压与电流强度成90o ,在真实电介质中,由于GU 分量,而不是90o 。此时,合成 电流为: ; 故定义:为复电导率 精品文档 . 复介电常数 损耗角的定义: 只要电导( 或损耗) 不完全由自由电荷产生,那么电导率本身就是一个依赖于频率的复量,故实部 * 不是精确地等于 ,虚部也不是精确地等于。复介电常数最普通的表示方式是: 、 都是领带依赖于频率的量,所以: 3 介质损耗和频率、温度、湿度的关系 1) 频率的影响 ( 1 )当外加电场频率很低,即
4、0 时,介质的各种极化都能跟上外加电场的变化,此时不存在极化 损耗,介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起,P W 和频率无关。tg=/ ,则当0 时, tg 。随着 的升高,tg 减小。 ( 2 )当外加电场频率逐渐升高时,松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化,松弛极化对介电常数 的贡献逐渐减小,因而 r 随 升高而减少。在这一频率范围内,由于 1 ,故 tg 随 升高 而增大,同时Pw 也增大。 (3) 当 很高时, r ,介电常数仅由位移极化决定, r 趋于最小值。此时由于 1 ,此 时 tg 随 升高而减小。 时,tg0 。 从图可看出,在 m 下, tg 达最大值, m 可由下
5、式求出: tg 的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大,则tg 的最大值变得平坦,最后在很大的电 导下,tg 无最大值,主要表现为电导损耗特征:tg 与 成反比,如图 2 )温度的影响 温度对松弛极化产生影响,因而P , 和 tg 与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加,此时,离 子间易发生移动,松弛时间常数 减小。 精品文档 . ( 1 )当温度很低时, 较大,由德拜关系式可知, r 较小,tg 也较小。此时,由于, ,故在此温度范围内,随温度上升, 减小, r 、 tg 和 P W 上升。 ( 2 )当温度较高时, 较小,此时,因而 在此温度范围内,随温度上升, 减小,tg 减
6、小。这时电导上升并不明显,所以P W 主要决定于极化 过程,P W 也随温度上升而减小。 由此看出,在某一温度T m 下, P W 和 tg 有极大值,如左图。 ( 3 )当温度继续升高,达到很大值时,离子热运动能量很大,离子在电场作用下的定向迁移受到热运动 的阻碍,因而极化减弱, r 下降。此时电导损耗剧烈上升,tg 也随温度上升急剧上升。 比较不同频率下的tg 与温度的关系,可以看出,高频下,T m 点向高温方向移动。 根据以上分析可以看出,如果介质的贯穿电导很小,则松弛极化介质损耗的特征是:tg 在与频率、温度 的关系曲线中出现极大值。 3 )湿度的影响 介质吸潮后,介电常数会增加,但比
7、电导的增加要慢,由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加,而使tg 增大。 对于极性电介质或多孔材料来说,这种影响特别突出,如,纸内水分含量从4 增加到10 时, 其 tg 可增加100 倍。 4 无机介质的损耗 1) 无机材料还有两种损耗形式:电离损耗和结构损耗。 a) 电离损耗 主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时,由于气体 电离而吸收能量,造成损耗,即电离损耗。其损耗功率可以用下式近似计算: 式中 A 为常数, 为频率,U 为外施电压。U 0 为气体的电离电压。该式只有在U U 0 时才适 用,此时,当UU 0 , tg 剧烈增大。 精品文档 .
8、 固体电介质内气孔引起的电离损耗,可能导致整个介质的热破坏和化学破坏,应尽量避免。 b) 结构损耗 是在高频、低温下,与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温度的关系很小,损耗 功率随频率升高而增大,但tg 则和频率无关。实验表明,结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小 的,但是当某些原因(如杂质的掺入,试样经淬火急冷的热处理等)使它的内部结构变松散了,会使结构 损耗大为提高。 一般材料,在高温、低频下,主要为电导损耗,在常温、高频下,主要为松弛极化损耗,在高频、低温下 主要为结构损耗。 2) 离子晶体的损耗 根据内部结构的紧密程度,离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密
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