液体、固体电介质的相对介电常数与损耗

液体、固体电介质的电气性能

电气设备的内绝缘大多数是液体或固体介质，这些电介质的绝缘强度(击穿场强)一般要比空气高村多，所以用它们作为内绝缘可以缩小电气设备的结构尺寸，与空气相比，液体和固体电介质具有很多特点；①绝缘强度高，液体介质的击穿场强可达105V/cm数量级，固体介质的击穿场强可达106V/cm数量级，而空气的仅为104V/cm数量级，②固体介质是非自恢复绝缘，一旦损坏，不能自行恢复其绝缘性能，必须予以更换；液体介质击穿后，当外施电压消失时虽然能恢复绝缘性能，但绝缘强度已经发生变化；而空气击穿后可自行恢复到原来的绝缘水平上，③液体、固体电介质在运行过程中会逐渐老化，使它们的物理、化学性能以及各种电气参数发生变化，从而影响其电气寿命，而空气不存在这些问题。①空气的极化、电导和损耗都很小，运行中可以不予考虑，而固休、液体介质则不然，必须加以考虑。

1.1 电介质的极化、电导和损耗

1.1.1 电介质的极化

1. 基本概念

1)电介质的极化

电介质置于电场中，其内部会发生束缚电荷的弹性位移及偶极子的转向等现象，该现象称为电介质的极化。

2)电介质的相对介电常数

平行平板电容器电容量C与电极间的有效覆盖面积A成正比，而与电极间的距离d成反比，其比例常数取决于介质的特性，平行平板电容器在真空中的电容量为

式中：A为极板面积，m2；d为极间距离，m；ε0为真空介电常数：ε0=1/36π×10-9F/m。

如图3-1(a)所示，如果在极板上施加直流电压U，则两极板上分别充上正、负电荷。设其电荷量为Q0，则有：

当平板电极间插入介质后，如图3-1(b)所示，其电容量为

式中：ε为介质的介电常数。

在相同直流电压U的作用下，由于介质的极化，使得介质表面出现了与极板电荷符号相异的束缚电荷，电荷量为Q′，为保持两极板间的电场强度不变，必须要从电源再吸取等量的异性电荷到极板上，以抵消介质表面束缚电荷对极板间电场的削弱作用，此时极板上的电荷量变为Q，则有：

对于同一平行平板电容器，随着放入介质的不同，介质极化程度也会发生改变，从而板上的电荷量Q不同，于是Q/Q0就反映了在相同条件下不同介质的极化现象的强弱，于是有：

式中：εr称为电介质的相对介电常数，它是表征电介质在电场作用下极化强弱的指标。其值由电介质本身的材料特性决定。气体分子间的距离很大、密度很小，气体的极化率很小，因此各种气体的εr都接近1。常用液体、固体电介质的εr一般为2~10。各种电介质的εr与温度、电源频率的关系也各不相同，这与极化的形式有关。

2. 极化的基本形式

电介质的极化通常有电子式极化(电子位移极化)、离子式极化(离子位移极化)、偶极子极化(转向极化)和夹层极化等几种基本形式。

1)电子位移极化

物质是由分子组成的，而组成分子的原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，其电荷量彼此相等。无外电场作用时，正、负电荷对外作用重心重合，如图3-2(a)所示，原子对外不显电性。当有外电场作用时，正、负电荷对外作用重心不再重合，如图3-2(b)所示，原子对外显电性。电介质中的原子、分子或离子中的电子在外电场的作用下，使电子轨道相对于原子核产生位移，从而形成感应电矩的过程，称为电子位移极化。电子位移极化的特点如下。

(1)存在于一切电介质中。

(2)电子质量很小，建立极化所需时间极短，为10-15~10-14s。该极化在各种频率的交变电场中均能发生(即εr不随频率的变化而变化)。

(3)弹性极化，去掉外电场，极化可立即恢复，极化时消耗的能量可以忽略不计，因此也称之为无损极化。

(4)受温度影响小，当温度升高时，电子与原子核的结合力减弱，使极化略有增强；但温度上升使得介质膨胀，单位体积内质点减少，又使极化减弱。在两种相反的作用中，后者略占优势，所以温度升高时，εr略有下降，但变化不大，通常可以忽略。

2)离子位移极化

固体无机化合物多属于离子结构，如云母、陶瓷、玻璃等。无外电场作用时，离子的作用重心是重合的，如图3-3(a)所示，对外不显电性。在外电场作用下，正、负离子分别向阴极和阳极偏移，其作用重心不再重合，如图3-3(b)所示，对外显电性。在由离子结合成的电介质中，外电场的作用使正、负离子产生有限的位移，平均的具有了电场方向的偶极矩，这种极化称为离子位移极化。离子位移极化的特点如下。

(1)存在于离子结构的电介质中。

(2)极化建立所需时间极短，约10-13~10-12s，因此极化εr不随频率的改变而变化。

(3)极化也是弹性的，无能量损失。

(4) εr具有正的温度系数，温度升高时，离子间的距离增大，一方面使离子间的结合力减弱，极化程度增加，另一方面使离子的密度减小，极化程度降低，而前者影响大于后者，所以这种极化随温度的升高而增强。

3)转向极化

有些介质如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、纤维素等的分子即使在没有外电场作用的情况下，正、负电荷的作用重心也不重合而构成一个偶极子。这样的分子叫作极性分子，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。

在极性电介质中，没有外电场作用时，由于偶极子处于不规则的热运动状态，因此，宏观上对外并不呈现电矩，如图3-4(a)所示。当有外电场作用时，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，做较有规则的排列，如图3-4(b)所示。这时整个介质的偶极距不再为零，对外呈现出极性，这种极化称为转向极化。

转向极化的特点如下。

(1)存在于偶极性电介质中。

(2)极化建立所需时间较长，为10-6~10-2s，因此这种极化与频率有较大关系。频率较高时，转向极化跟不上电场的变化，从而使极化减弱，即εr随频率的增加而减小，如图3-5所示。

(3)转向极化为非弹性的，偶极子在转向时需要克服分子间的吸引力和摩擦力而消耗能量，因此也称为有损极化。

(4)温度对转向极化的影响大，温度升高时，分子间联系力削弱，使极化加强，但同时分子的热运动加剧，妨碍偶极子沿电场方向转向，又使极化减弱。所以随温度增加，极化程度先增加后降低，如图3-6所示。

4)夹层极化

上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的，而夹层极化的机理与上述三种不同，它是由带电质点的移动形成的。

在实际电气设备中，常采用多层电介质的绝缘结构，如电缆、电机和变压器的绕组等，在两层介质之间常夹有油层、胶层等形成多层介质结构。即便是采用单一电介质，由于不均匀，也可以看成是由几种不同电介质组成的。为便于分析，现以图3-7(a)所示的双层电介质为例分析夹层极化，分析夹层极化过程中，双层介质的等值电路如图3-7(b)所示。在开关闭合瞬间，两层介质的初始电压按电容成反比分配，即：

到达稳态时，两层介质上的电压按电导成反比分配，即： 

如果C2/C1=G2/G1，则双层介质的表面不重新分配，初始电压比等于稳态电压比。但实际中很难满足上述条件，电荷要重新分配。所以可以设C2>C1而G2<G1，则：

t=0时，U1>U2

t→∞时，U1<U2

这样，在t>0后，随着时间t的增大，U1逐渐下降，而外施电压U=U1+U2为一定值，所以U2逐渐升高。在这个电压重新分配的过程中，由于U1下降，所以电容C1在初始时获得的电荷将有一部分通过电导G1泄放掉。相应地，电容C2则要通过G1从电源再吸收一部分电荷，这部分电荷称为吸收电荷。这种在双层介质分界面上出现的电荷重新分配的过程，就是夹层极化过程。

夹层极化的特点如下。

(1)这种极化形式存在于不均匀夹层介质中。

(2)由于电荷的重新分配是通过电介质电导G完成的, 必然带来能量损失, 属于有损极化。 

(3)由于电介质的电导通常都很小，所以这种极化的建立所需时间很长，一般为几分钟到几十分钟，有的甚至长达几小时，因此，这种性质的极化只有在低频时才有意义。

3.极化在工程实际中的应用

(1)选择绝缘。在选择高压电气设备的绝缘材料时，除了要考虑材料的绝缘强度外，还应考虑相对介电常数εr。例如在制造电容时，要选择εr大的材料作为极板间的绝缘介质，以使电容器单位容量的体积和质量减小。在制造电缆时，则要选择εr小的绝缘材料作为缆芯与外皮间的绝缘介质，以减小充电电流。其他绝缘结构也往往希望选用εr小的绝缘材料。

(2)多层介质的合理配合。在高压电气设备中，绝缘常常是由几种电介质组合而成的。在交流及冲击电压下，串联电介质中的电场强度是按与εr成反比分布的，这样就使外加电压的大部分常常被εr小的材料所负担，从而降低了整体的绝缘强度。

即在交流电压作用下，电场强度按介电常数反比分配(但应注意，在直流电压下，在稳定状态时电场强度按电导反比分配)，即介电常数小的介质承受较高电气强度。如果气泡存在于液体或固体介质中，由于气体的介电常数小而绝缘强度又较低，因此可能先发生游离，从而使整个材料的绝缘能力降低。因此要注意选择εr使各层电介质的电场分布较均匀。

(3)材料的介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是绝缘老化和热击穿的一个重要影响因素。

(4)夹层极化现象在绝缘预防性试验中，可用来判定绝缘受潮的情况。在使用较大电容量的电气设备时，必须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。

3.1.2 电介质的电导

理想的绝缘材料应该是不导电的，但实际上大多数绝缘材料都存在极弱的导电性。电介质内部总存在一些自由的或联系较弱的带电质点,在电场作用下，它们可沿电场方向运动构成电流。在电场作用下，电介质中的带电质点作定向移动而形成电流的现象，称为电介质的电导。

1. 电介质电导与金属电导的本质区别

(1)电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和杂质分子离解出的离子，所以电介质电导是离子性电导。而金属的电导是由金属导体中的自由电子造成的，所以金属电导是电子性电导。

(2)电介质的电导很小，其电阻率一般为109~1022Ω·cm，而金属的电导很大，其电阻率仅为10-6~10-2Ω·cm。

(3)电介质的电导具有正的温度系数，即随温度的升高而增大。这是因为一方面，当温度升高时介质本身分子和杂质分子的离解度增大，使参加导电的离子数增多。另一方面，随温度的升高，分子间的相互作用力减弱，同时离子的热运动加剧，改变了原来受束缚的状态，这些都有利于离子的迁移，所以使电介质的电导增大。而金属的电阻随温度的升高而升高，故其电导随温度升高而下降，因此具有负的温度系数。

2.吸收现象

图3-9所示为测量固体电介质中电流的电路。加辅助电极是为了将流过介质表面的电流与介质内部的电流分开，使得由高灵敏度电流表A测得的电流仅是流过介质内部的电流。开关S1闭合后，流过电介质内部的电流随时间的变化规律如图3-10上半部曲线所示，由图可见该电流随时间逐渐衰减，并最趋于到稳定值，这一现象是由电介质的极化产生的，被称作吸收现象。图中ic是由无损极化产生的电流，由于无损极化建立所需时间很短，所以ic很快衰减到零。ia是由有损极化产生的电流，因为有损极化建立所需时间较长，所以ia缓慢衰减到零，这部分电流又称为吸收电流。ig为不随时间变化的恒分量，被称为电介质的泄漏电流或电导电流。当被试品等效电容容量较大时，为避免开关S1刚闭合时电极间产生的较大瞬时充电电流ic损坏电流表，可先闭合S3将电流表短接，经很短的时间后再打开S3。由上述分析可见，通过电介质的电流由三部分组成，即：

电介质中的电流衰减至恒定的泄漏电流值往往需要数分钟以上的时间，通常绝缘电阻应以施加电压1min或10min后的电流求出，泄漏电流所对应的电阻R=U/Ig，称为绝缘电阻。在图3-9中施加电压达到稳定后断开S1，再合上S2，则流过电流表A的电流如图3-10下半部曲线所示，回路中出现电流，该电流随时间的变化规律与吸收电流ia相反，也称作吸收电流，气体中无吸收电流，液体中极化发展快，吸收电流衰减快，固体介质的ia比较明显(当结构不均匀时表现尤甚)。

根据上述分析，可以得到电介质的等值电路，如图3-11所示，它由三条并联支路组成，其中含有电容Cc的支路代表无损极化引起的瞬时充电电流支路，电阻ra和电容Ca串联的支路代表有损极化引起的吸收电流支路。而含有电阻R的支路代表电导电流支路。

3.电介质的电导

(1)气体电介质的电导。气体电介质的伏安特性如图1-2所示，Oa段可视其电导为常数，以后就不再是常数了。通常气体绝缘工作在ab段，其电导极微小。故气体电介质只要工作在场强低于其击穿场强时，其电导可以忽略不计。

(2)液体电介质的电导。构成液体电介质电导的主要因素有两种：离子电导和电泳电导。离子电导是由液体本身分子或杂质的分子离解出来的离子造成的。电泳电导是由荷电胶体质点造成的，所谓荷电胶体质点即固体或液体杂质以高度分散状态悬浮于液体中形成了胶体质点，例如变压器油中悬浮的小水滴，它吸附离子后成为荷电胶体质点。

离子电导的大小和分子极性及液体的纯净程度有关。非极性液体电介质本身分子的离解是极微弱的，其电导主要由离解性的杂质和悬浮于液体电介质中的荷电胶体质点所引起。纯净的非极性液体电介质的电阻率ρ可达1018Ω·cm，弱极性电介质ρ可达1015Ω·cm。对于偶极性液体电介质，极性越大，分子的离解度越大，ρ为1010~1012Ω·cm，强极性液体，如水、酒精等实际上已经是离子性导电液了，不能用作绝缘材料。表3-1列出了部分液体电介质的电导率和相对介电常数。

表3-1 液体电介质的电导率和相对介电常数

(3)固体电介质的电导。固体电介质的电导分为体积电导和表面电导。构成固体电介质电导的主要因素是离子电导。非极性和弱极性固体电介质的电导主要是由杂质离子造成的，纯净介质的电阻率ρ可达1017~1019Ω·cm。对于偶极性固体电介质，因本身分子能离解，所以其电导是由其本身和杂质离子共同造成的，电阻率较小，最高的可达1015~1016Ω·cm。对于离子性电介质，电导的大小和离子本身的性质有关。单价小离子束缚弱，易形成电流，因而含单价小离子的固体电介质的电导较大。结构紧密、洁净的离子性电介质，电阻率ρ为1017~1019Ω·cm。结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅为1013~1014Ω·cm。固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。介质吸附水分的能力与自身结构有关，石蜡、聚苯乙烯、硅有机物等非极性和弱极性电介质，其分子和水分子的亲和力小于水分子的内聚力，表现为水滴的接触角大于90°，如图3-12(a)所示，水分不易在其表面形成水膜，表面电阻率很小，这种固体电介质称为憎水性介质。玻璃、陶瓷等离子性电介质和偶极性电介质，其分子和水分子的亲和力大于水分子的内聚力，表现为水滴的接触角小于90°，如图3-12(b)所示，水分在其表面容易形成水膜，表面电导率很大，这种固体电介质称为亲水性介质。

采取使介质表面洁净、干燥或涂敷石蜡、有机硅、绝缘漆等措施，可以降低介质表面的电导。

4. 影响电介质电导的主要因素

(1)温度。离子电导率具有正温度系数，电介质电导率与温度的关系如下式所示：

式中：A、B为常数；T为绝对温度。

(2)杂质。由于杂质中的离子数较多，因此当介质中的杂质增多时，其电导会明显增加。各类杂质中水分的影响最大，因水分本身电导较大，而且水分能使介质中的另一些杂质(如盐类、酸类等物质)发生水解，从而大大增加介质的电导。所以，电气设备在运行中一定要注意防潮。

5.讨论电导的意义

(1)电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时，可利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘情况是否良好。

(2)在直流电压作用下，分层绝缘时，各层电压分布与电导成反比。因此设计用于直流的电气设备时，要注意所用电介质的电导率，尽量使材料得到合理的使用。

(3)注意环境湿度对固体电介质表面电导的影响及亲水性材料的表面防水处理。

3.1.3 电介质的损耗

由前述电介质的极化和电导可以看出，电介质在电场中会产生能量损耗。在外加电压作用下，电介质在单位时间内消耗的能量称为介质损耗。