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一、电介质极化的概念

电气设备的绝缘对保证设备及整个电力系统的安全运行起着至关重要的作用。绝缘的作用是将不同电位的导体分隔开，使导体间没有电气连接，从而可以保持不同的电位。具有绝缘作用的材料称为电介质。

电介质在电场作用下所发生的束缚电荷的弹性位移和极性分子的转向现象，称为电介质的极化。通俗的理解就是：在电场的作用下，电介质由中性转化为对外显现电性的过程。极化的结果是：在电介质沿电场方向的两端出现等量异号电荷形成电矩。与正极板相对的一端出现负电荷，与负极板相对的一端出现正电荷。

二、电介质极化的种类

根据电介质的物质结构，极化有以下四种基本形式。

1.电子式极化

在外电场的作用下，物质原子里的电子轨道相对于原子核发生位移，从而产生感应电矩的过程称为电子式极化。

电子式极化存在于一切电介质中，其特点是极化过程所需的时间极短，约10^-15～10^-14s，极化程度取决于电场强度，与电源频率无关，温度对电子式极化的影响不大。另外，电子式极化属弹性极化，去掉外电场，正、负电荷间的吸引力使得正、负电荷作用中心重合，所以这种极化没有能量损耗。

2.离子式极化

离子式结构的电介质在无外电场作用时，每个分子的正、负离子的作用中心是重合的。在外电场的作用下，电场力使得正、负离子发生相对位移，整个分子呈现极性。这种极化形式称为离子式极化。

离子式极化存在于离子结构的电介质中，其特点是极化过程所需的时间极短。约10^-13～10^-12s，故极化程度与电源频率无关。离子式极化也属弹性极化，无能量损耗。随着温度的升高，由于离子间的结合力降低，离子式极化的程度略有增加。

3.偶极子式极化

极性电介质是由偶极分子组成的。偶极子是一种特殊的分子，其正、负电荷的作用中心不重合，形成偶极矩，即单个偶极子呈现极性。无外电场作用时，由于偶极子处于杂乱无章的热运动状态，所以整个电介质对外并不呈现极性。在外电场作用下，原来混乱分布的偶极子转向电场方向定向排列，呈现出极性。这种极化方式称为偶极子式极化。

偶极子式极化存在于极性电介质中，其特点是极化过程所需时间较长，约10^-10～10^-2s，所以极化程度与电源频率有关，频率较高时偶极子来不及转动，因而极化率减小。由于偶极子在转向时需要克服分子间的作用力，即需要消耗电场能量，消耗的能量在复原时不能收回，所以偶极子式极化属非弹性极化。

温度对偶极子式极化的影响较大。当温度升高时分子间的联系力减弱，使极化1 程度加强：但当温度达到一定值时，由于分子的热运动加剧，妨碍偶极子沿电场方营享工 向转向，使极化程度降低。所以，随温度增加极化程度先增加后降低。

上述三种极化是由带电质点的弹性位移或转向形成的，均发生在单一电介质中，是极化最基本的形式。

4.夹层式极化

实际电气设备的绝缘通常采用多层电介质的绝缘结构，因而在不同介质的交界面处会发生由带电质点的移动所形成的夹层式极化。

下面以简单的双层电介质为例分析夹层式极化的物理过程。

如图TYBZ01401001-1 所示，C₁、C₂为各层介质的电容，G₁、G₂为各层介质的电导， U₁、U₂为各层介质上的电压。在开关S刚合闸的瞬间，介质上的电压按电容分配，即t＝0

时，U₁/U₂=C₂/C₁；到达稳态时，介质上的电压按电导分配，即t→∞时，U₁/U₂=G₂/G₁。

由于两层电介质的特性不同，一般情况下C₂/C₁≠G₂/G₁，所以初始电压分布与稳态电压分布通常不相同，即合闸后两层介质上的电荷需要重新分配。

假设C₁＞C₂、G₁＜G₂，则t→0时，U₁＜U₂；t→∞时，U₁＞U₂。因U₁+U₂=U, 则在过渡过程中C₁要通过G₂从电源再多充一部分电荷(称为吸收电荷)，而C₂要通过G₂放掉一部分电荷，于是在分界面处将积聚起一些电荷。这种使夹层电介质的交界面处积聚电荷的过程，称为夹层式极化。电荷积聚过程所形成的电流称为吸收电流。由于夹层极化中有吸收电荷，故夹层式极化相当于增大了整个电介质的等值电容。

夹层式极化存在于不均匀夹层介质中。这种极化因涉及电荷的移动和积聚，所以必然伴随有能量损耗。由于电荷的积聚是通过介质的电导进行的，而介质的电导一般很小，所以极化过程较慢，一般需要数秒到数分钟，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。

三、电介质的相对介电常数

1.定义

电介质的相对介电常数ε_r 用来表征电介质在电场作用下极化现象的强弱，其物理意义表示极板间放入电介质后电容量或电荷量比极板间为真空时增大的倍数。ε_r值由电介质的材料决定，并且随温度、频率而变化。其计算式为

ε_r=ε/ε₀=C/C₀                      (TYBZ01401001-1)

式中 ε₀——真空的介电常数，1/36Π×10^-9F/m；

ε——介质的介电常数；

C₀——平行平板电容器在真空中的电容量，F；

C——平行平板电容器极板间插入固体介质后的电容量，F。

2. 气体电介质的介电常数

由于气体电介质的密度很小，所以气体电介质的介电常数都很小，在工程应用中一切气体电介质的ε_r都可看作1。

3.液体电介质的介电常数

(1)中性液体电介质。中性液体电介质(如变压器油、苯、硅有机油等)的相对介电常数ε_r在1.8～2.8范围内。相对介电常数ε_r具有不大的负温度系数。

(2)极性液体电介质。这类电介质的相对介电常数较大，其值在3～80，用作绝缘介质的ε_r 值一般在3～6。若用作电容器的浸渍剂，可使电容器的比电容增大。但此类液体电介质在交变电场中的损耗较大，故高压绝缘中很少应用。

极性电介质的ε_r与温度有关，ε_r在温度较低时先随温度的升高而增大，以后当热运动较强烈时，ε_r又随温度上升而减小。

极性电介质的ε_r与电源频率有较大的关系，频率较低时，偶极分子能够跟随交变电场充分转向，ε_r较大且其值与频率大小无关。当频率很高时偶极分子转向跟不上电场方向的改变，极化率减小，因而ε_r减小。

4.固体电介质的介电常数

(1)中性和弱极性固体电介质。这类电介质只有电子式极化和离子式极化，相对介电常数较小，一般为2.0～2.7。相对介电常数随温度的升高略有下降。

石蜡、石棉、聚乙烯、聚丙烯、无机玻璃等属于此类电介质。

(2)极性固体电介质。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3～6。ε_r与温度、频率的关系和极性液体介质的相似。

树脂、纤维、橡胶、有机玻璃、聚氯乙烯等属于极性固体电介质。

(3)离子性电介质。固体无机化合物多数属于离子式结构电介质，如云母、陶瓷等，ε_r一般具有正的温度系数，其值约在5～8。

四、电介质极化在工程实际中的意义

(1)选择绝缘材料。如对电容器应选择ε_r较大的电介质作为绝缘材料，这样可以减小电容器单位容量的体积和重量。对于其他电气设备如电缆，应选择ε_r较小的电介质，这样可以减少电缆工作时的由容电流。

(2)多层介质的合理配合。几种电介质组合使用时，由于在交流电压及冲击电压作用下，各层介质中的电场强度分布与ε_r成反比，所以要注意选择各介质的ε_r值，使各层介质中的电场分布较均匀。

(3)介质损耗与介质的极化类型有关，而介质损耗对绝缘老化和热击穿有很大的影响。

(4)在绝缘预防性试验中，可用夹层式极化来判断绝缘受潮情况。