9,10-液.ppt

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1、主讲人:陈兆权博士安徽理工大学淮南第二章液体的绝缘特性与介质的电气强度液体电介质又称绝缘油,在常温下为液态,在电气设备中起绝缘、传热、浸渍及填充作用,主要用在变压器、油断路器、电容器和电缆等电气设备中。在断路器和电容器中的绝缘油还分别有灭弧和储能作用。液体电介质电气强度比气体的高;用液体介质代替气体介质制造的高压电气设备体积小,节省材料;液体介质大多可燃,易氧化变质,导致电气性能变坏。电气设备对液体介质的要求:电气性能好,如绝缘强度高、电阻率高、介质损耗及介电常数小(电容器则要求介电常数高);散热及流动性能好,即粘度低、导热好、物理及化学性质稳定、不

2、易燃、无毒等。液体电介质有矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油三大类。实际应用中,也常使用混合油,即用两种或两种以上的绝缘油混合成新的绝缘油,以改善某些特性,例如耐燃性、析气性、自熄性、局部放电特性等。本章主要从极化、电导、损耗和击穿等多方面介绍液体电介质的绝缘特性。2.1液体电介质的极化与损耗2.2液体电介质的电导2.3液体电介质的击穿习题与思考题本章内容2.1液体电介质的极化与损耗2.1.1液体电介质的介电常数2.1.2液体电介质的损耗要由电介质的微观参数(N、)求得介电常数,必须先求得电介质的有效电场。一般液体电介质的有效电场强度和宏观平均电场强度

3、是不相等的。电介质中某一点的宏观电场强度,是指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化分子形成的偶极矩,共同在该点产生的场强。这样,电介质中任一点电场强度,便等于极板上自由电荷面密度在该点产生的场强σ/与束缚电荷面密度σ′/在该点产生的场强-σ′/之和,即(2-1)2.1.1液体电介质的介电常数而电介质中的有效电场,是指极板上的自由电荷以及除某极化分子以外其它极化分子形成的偶极矩共同在该分子产生的场强。由于偶极矩间的库仑作用力是长程的,有效电场强度的计算很复杂。洛伦兹(Lorentz)首先对有效电场作了近似计算。下面对液体电介质的有效电场强度和介电常数作

4、一些分析。1.非极性和弱极性液体电介质非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化,其极化率为αe,介电常数与折射率n仍近似保持麦克斯韦关系,即(2-2)这类液体介质的介电常数一般在2.5左右,有四氯化碳、苯、二甲苯、变压器油等。对于非极性和弱极性液体介质,它们的分子在外电场作用下,所感应的偶极矩大小相等,且沿电场方向排列。又由于液体无一定的形状,分子在空间各处出现的几率相等,因而在洛伦兹球内分子的分布可以看作是对称的,球内分子对中心O分子作用的场强=0,所以非极性和弱极性液体介质的有效电场强度(2-3)P——极化强度()。上式称为莫

5、索缔(Mosotti)有效电场强度,将其代入克劳休斯方程[式(2-11)],得到非极性与弱极性液体介质的极化方程为(2-4)式(2-4)称为克劳休斯—莫索缔(Clausius—Mosotti)方程,简称克—莫方程。极性液体介质包括中极性和强极性液体介质这类介质在电场作用下,除了电子位移极化外,还有偶极子极化,对于强极性液体介质,偶极子的转向极化往往起主要作用,介电常数远大于折射率平方n2,即>>。2.极性液体电介质极性液体分子具有固有偶极矩,它们之间距离近,相互作用强,造成强的附加电场,故洛伦兹球内分子作用的电场≠0,莫索缔有效电场也就不适用。极性液

6、体电介质与电源频率有较大的关系。频率太高时偶极子来不及转动,因而值变小,如图2-1所示。其中相当于直流电场下的介电常数,f>f1以后偶极子越来越跟不上电场的交变,不断下降;当频率f=f2时,偶极子已经完全跟不上电场转动了,这时只存在电子式极化,减小到,常温下,极性液体电介质的≈3~6。图2-1极性液体电介质的εr与频率的关系温度对极性液体电介质的值也有很大的影响:如图2-2所示,当温度很低时,由于分子间的联系紧密,液体电介质黏度很大,偶极子转动困难,所以很小;随着温度的升高,液体电介质黏度减小,偶极子转动幅度变大,随之变大;温度继续升高,分子热运动加

7、剧,阻碍极性分子沿电场取向,使极化减弱,又开始减小。图2-2极性液体电介质的εr与温度的关系非极性和弱极性液体介质的极化主要是电子位移极化。相对介电常数与频率无关(),介质损耗主要来源于电导,介质损耗角正切为(2-5)一般非极性和弱极性液体介质的电导率γ很小,在室温下γ=10-12S/m,如取=2,f=50Hz,则tanδ=1.8×10-4,与实验结果相符。2.1.2液体电介质的损耗1.非极性和弱极性液体电介质低频下这类液体介质的ε、p、tanδ与频率ω的关系如图2-3所示,而在高频下由于极性杂质等因素的影响,可能使tanδ显著增大。图2-3ε、p、

8、tanδ与频率ω的关系极性液体介质的介质损耗与粘度有关。极性分子在粘性媒质中作热运动,在交变电场作用下,电场

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