1.电介质的电导
1.1 吸收现象
如图 1-8(a)所示,当S2处于断开状态,合上S1直流 电压 U加在固体电 介质 时,通过 介质 中的电流将随时间而衰减,最终达到某一稳定值,其电流随时间的变化曲线如 图 1-8(b)所示,这种现象称为吸收现象。
吸收现象是由电 介质 的极化所引起,无损极化产生电流 i c ,有损极化产生电流i a ,如 图 1-8(b)所示。显然, 无 损极化迅速完成,所以i c 即刻衰减到零;而有损极化完成的时间较长,所以i a 较为缓慢地衰减到零,这部分电流称为吸收电流。不随时间变化的稳定电流I g 称为电 介质 的电导电流或泄漏电流。因此,通过电 介质 的电流由三部分组成,即
i=i c +i a +I g (1-7)
尚须指出,吸收电流是可逆的,即在图 1-8(a)的电路中,如断开S1,除去外加 电压 ,并将S2闭合上,使电 介质 两侧的极板短路,这时会有与吸收电流变化规律相同的电流一 i 反向流过,如图1-8(b)所示。
根据上述分析,可画出电 介质 的三支路并联等效电路,如图 1-9所示。图中含有 电阻 R的支路代表电导电流支路,含有电容C的支路代表无围极化引起的 瞬 时充电电流支路,而 电阻 r和电容 ∆ C串联的支路则代表有损极化引起的吸收电流支路。
吸收现象在绝缘试验中对判断绝缘 介质 是否受潮很有用。因为当绝缘受潮时,其电导大大增加,电导电流I g 也大大增加,而吸收电流i a 的变化相对较小,且通过 r 很快衰减。据此,工程上通过测量加上直流 电压 后t=15s和==60s时流过 绝缘 介质 的电流 I之比来反映吸收现象的强弱,此比值即为 介质 的吸收比 K,其表达式为
(1-8)
对良好的绝缘,一般 K ≥ 1.3 , 当绝缘受潮或劣化时K值变小。此外,在对吸收现象较显著的绝缘试验中,如电缆、电容器等 设备 ,要特别注意出吸收电流聚积起来的所谓 “吸收电荷"对人身和 设备 安全的威胁。
1.2电介质的电导率
理想的绝缘应该是不导电的,但实际上绝对不导电的 介质 是不存在的。所有的 绝缘材料 都存在极弱的导电性,表示电导特性的物理量是电导率 γ ,它的倒数是 电阻率 ρ 。电工 绝缘材料 的 ρ 一般为10 8 ~10 20 Ω ·m;导体的 ρ 为10 -8 ~10 -4 Ω ·m;介乎二者之间的为半导体,半导体的 ρ 为10 -3 ~10 7 Ω ·m。可见绝缘与导体只是相对而言,二者之间并无确切的界线。而是人为的划分。几种常用 介质 的 电阻率 列于表1-1。
需要指出,电 介质 的电导与金属的电导有着本质的区别。气体电 介质 的电导是由于游离出来的电子、正离子和负离子等在电场作用下移动而造成的;液体和固体电 介质 的电导是由于这些 介质 中所含杂质分子的化学分解或热离解形成的带电质点 (主要是正、负离子)沿电场方向移动而造成的。因此,电 介质 的电导主要是离子式电导。金属的电导是金属导体中自由电子在电场作用下的定向流动所造成。所以,金属的电导是电子式电导。此外,电 介质 的电导随温度的升高近似于指数规律增加,或者说其 电阻率 随温度的上升而下降,这恰恰与金属导电的情况相反。这是因为,当温度升 高时,电 介质 中导电的离子数将因热离解而增加;同时,温度升高,分子间的相互作用力减小及离子的热运动改变了原有受束缚的状态,从而有利于离子的迁移,所以使电 介质 的电导率增加。电 介质 的电导率 γ 与温度T之间的关系式为
(1-9)
式中: A、B为 常数 ;T为绝对温度。
在实际测试绝缘的电导特性时,通常用
电阻
来表示,称为绝缘
电阻
。由于
介质
中的吸收现象,在外加直流
电压
U作用下,
介质
中流过的电流i是随时间而衰减的,因此,
介质
的
电阻
则随时间增加,最后达到某一稳定值
。
人们将电流达到稳定的泄漏电流I
g
时的
电阻
值作为电
介质
的绝缘
电阻
。一般情况下,加在绝缘上的直流
电压
大约经过60s,泄漏电流即可达到稳定值,因此常用R
60
s
的值作为稳态绝缘
电阻
值R
∞
。固体电
介质
的泄漏电流,除了通过
介质
本身体积的泄漏电流I
v
外,还包含有沿金质表面的泄漏电流
I
s
,即I=I
v
+
I
s
。因此,所测
介质
的绝缘
电阻
R实际上是体积
电阻
R
v
和表面
电阻
R
s
相并联的等效
电阻
,即
(1-10)
由于 介质 的表面 电阻 取决于表面吸附的水分和脏污,受外界条件的影响较大,因此,为消除或减小 介质 表面状况对所测绝缘 电阻 的影响,一般应在测试之前首先对 介质 表面进行清洁处理,并在测量接线上采取一定的措施 (将在5.2节中具体介绍),以减小表面泄漏电流对测量的影响。
电 介质 的电导在工程实际中的意义:
(1)在绝缘预防性试验巾,通过测量绝缘 电阻 和泄漏电流来反映绝缘的电导特性,以判断绝缘是否受潮或存在其他劣化现象。在测试过程中应消除或减小表面电导对测量结果的影响,同时还要注意测量时的温度。
(2)对于串联的多层电 介质 的绝缘结构,在直流 电压 下的稳态 电压 分布与各层 介质 的电导成反比。因此设计用于直流的 设备 绝缘时,要注意所用电 介质 的电导率的合理搭配,达到均衡 电压 分布的效果,以便尽可能使材料得到合理使用。同时,电 介质 的电导随温度的升高而增加,这对正确使用和分析绝缘状况有指导意义。
(3)表面 电阻 对绝缘 电阻 的影响使人们注意到如何合理地利用表面 电阻 。如果要减小表面泄漏电流,应设法提高表面 电阻 ,如对表面进行清洁、干燥处理或涂敷憎水性涂料等;如 果要减小某部分的电场 强度 ,则需减小表面 电阻 ,如在高压套管法兰附近涂半导体釉,高压电机定子绕组露出槽口的部分涂半导体漆等,都是为了减小该处的电场 强度 ,以消除电晕。
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