液體及固體介質的電氣性能

絕緣材料(常稱為電介質)，具有很高的電阻率(通常為10⁶～10⁹Ω·m)是電工中應用廣泛的一類材料。除了氣體外，還應用固體、液體材料。固體材料除了做絕緣外，還可用做載流導體的支承，或作為極間屏障，以提高氣體或液體間隙的絕緣強度。液體絕緣材料，還常作為載流導體或磁導體(鐵芯)的冷卻劑，在某些開關電器中可用它做滅弧材料。因此，對液體、固體物質結構以及它們在電場作用下新發(fā)生的物理現(xiàn)象的研究，能使我們了解并確定它們的電、熱、機械、化學、物理等方面的性能。木章主要講述液體、固體電介質的電氣性能及影響其擊穿電壓的因素，從而了解判斷其絕緣老化或損壞程度，合理地選擇和使用絕緣材料。研究絕緣材料在電場作用下的物理現(xiàn)象是高壓電氣設備絕緣預防性試驗的基礎知識。

第一節(jié)  電介質的極化

由大小相等，符號相反、彼此相距為d的兩電荷(+q、-q）所組成的系統(tǒng)稱為偶極子。偶極子極性的大小和方向用偶極矩來表示，偶極矩的大小為正電荷(或負電倚)的電量q與正、負電荷間距離d的乘積，方向由負電荷指向電荷。

電介質內分子問的結合力稱為分子鍵，分子內相鄰原子間的結合力稱為化學鍵，根據(jù)原子結合成分子的方式的不同，比介質分子的化學鍵分為離子鍵和共價鍵兩類，分子的化學鍵類型取決于構成分子的原子間電負性差異的大小。原子的電負性是指原子獲得電子的能力。當電負性相差很大的原子相遇時，電負性小的原子（金屬元素)的價電子將被電負性大的原子(非金屬元素)所奪去，得到電子的原子形成離子，失去電子的原子形成正離子，正、負離子通過靜電引力結合成分子，這種化學鍵稱為離子冠，當電負性相等或相差不大的兩個或多個原子相互作用時，原子間則通過共用電子對結合成分子，這種化學健稱為共價鍵

化學鍵的極性可用鍵矩(即化學鍵的極矩)來表示，離子鏈中正、負離子形成一個很大的鍵矩，因此它是一種強極性鍵，共價鍵中，電負性相同的原子組成的共價鍵為非極性共價鍵，電負性不同的原子組成的共價鍵為極性共價鍵：由非極性共價鍵構成的分子是非極性分子。由極性共價鍵構成的分子，如果分子由一個極性共價鍵組成，則為極性分子；如果分子由兩個或多個極性共價鍵組成，結構對稱者為非極性分子，結構不對稱為極性分子

分子由離子鍵構成的電介質稱為離子結構的電介質。分子由共價鍵構成，且分子為非極性分子的電介質稱為非極性電介質，分子為極性分子的電介質稱為極性電介質。

如圖2-1所示，先將平行板電容器放在密封容器內，并將極板間抽成真空，在極板上施加直流電壓U，這時極板上分別出現(xiàn)正、負電荷，其電荷量為Q₀，如圖2-1(a)所示，然后把一塊固體介質(厚度與極間距離d相同)放于極間，施加同樣電壓，就可發(fā)現(xiàn)極板上的電荷增加到Q₀+Q’如圖2-1(b)所示。這是因為在外加電場作用下，使介質中彼此中和的正、負電荷產生位移，形成電矩，在極板上另外吸住了一部分電荷Q’，所以極板上電荷增加了，此現(xiàn)象為極化引起。極間真空時的電容可用下式表示

     (2-1)

式中：A為極板面積(m²)；d為極間距離(m）；ε₀為真空介電系數(shù)，ε₀=1/36Π×10⁹F/m。

極間引入固體介質后

   (2-2)

由式(2-1)、式(2-2)可得介質的相對介電系數(shù)ε_r，即

   (2-3)

氣體的ε_r接近于1，而常用的液體、固體絕緣的ε_r則各不相同，一般為2～6。各種介質的ε_r與溫度、電源頻率的關系也不一致，且與報化形式有關。

極化種類較多，基本形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種。

一、電子式極化

物質是由分子或離子構成，構成分子的原子則為具有帶正電的核與帶負電的電子所組成，其電荷量彼此相等。無外電場作用時(E=0)正負電荷的作用中心重合，原子對外部呈中性，如圖2-2(a)所示。

當有外電場時(E≠0)，如圖2-2(b)所示。此時電子軌道對原子核發(fā)生位移，其作用中心與原子核的正電荷不再重合：正負電荷作用中心分開，對外呈現(xiàn)出一偶極子的形態(tài)，其極化強度(即正負電荷作用中心拉開的距離)隨外電場的增加而增加。這種極化的特點為：

(1)極化過程極快(因電子質量極小)，約為10^-15s。所以這種極化在各種頻率范圍均能產生，即其ε_r不隨頻率而變化。

(2)具有彈性，外電場除去后，依靠正負電荷的吸引力，其作用中心又會重合而呈現(xiàn)中性，所以這種極化沒有損耗。

溫度對電子式極化的影響不大。當溫度升高時，電子與原子核的結合力減弱，使極化略有加強；但溫度升高時，介質膨脹，單位體積內質點減少，又使極化減弱。在這兩種相反的作用中，后者略占優(yōu)勢，所以ε_r具有很小的負溫度系數(shù)，即溫度升高時ε_r略有下降，其變化不大，工程上可予以忽略。

電子式極化存在于一切氣體、液體、固體介質中。

二、離子式極化

固體無機化合物多屬離子式結構，如云母、陶瓷材料等。無外電場時，正負離子作用的中心是重合的，故不呈現(xiàn)極性，在外電場作用下，正負離子向相應電極編移，使整個分子呈現(xiàn)極性（圖2-3)。離子式極化也屬彈性極化，幾乎沒有損耗；極化過程也很快，不超過

10^-13s，所以在使用的頻率范圍內可認為ε_r與頻率無關。

溫度對離子式極化的影響，也存在相反的兩種因素，即離子間結合力隨溫度升高面降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，可使極化程度降低，其中以第一種因素影響較大，所以ε_r具有正溫度系數(shù)。

三、偶極子極化

某些物質是由偶極分子組成。偶極分子是一種特殊的分子，它的電子的作用中心和原子核不相重合，好像分子的一端帶正電荷，而另一端帶負電荷，因而形成一個久性的偶極矩如圖2-4(a)所示。具有偶極子的電介質稱為極性電介質：例如蓖麻油、氯化聯(lián)苯、橡膠、膠木和纖維素等均是常用的極性絕緣材料。

單個的偶極子雖然具有極性，但無外電場作用時，偶極子處在不停的熱運動中，分布異?；靵y，對外的作用互相抵消，所以整個介質是不呈現(xiàn)極性的。在電場作用下，原來混亂分布的極性分子順電場方向轉動，作較有規(guī)律的排列，如圖2-4(b)，因而呈現(xiàn)極性。

偶極子式極化是非彈性的，極化時消耗的電場能量在復原時不可能全部收回(因極性分子旋轉時要克服分子間的吸引力，可想象為分子在一種黏性媒質中旋轉時阻力很大一樣)，極化所需的時間也較長，約10^-10～10^-2s。因此，極性介質的ε_r與電源頻率有較大的關系。頻率很高時偶極子來不及跟隨外電場轉動。因而其ε_r減小。圖2-5給出極性液體—蘇伏油(氯化聯(lián)苯)的相對介電系數(shù)與溫度，圖中頻率f₁＜f₂＜f₃的關系。

溫度對極性電介質的ε_r有很大的影響。溫度升高時，分子間聯(lián)系減弱，使極化加強；但同時分子熱運動加劇， 妨礙它們有規(guī)則的運動，這又使極化減弱。所以極性電介質的ε_r最初隨溫度的升高而增加；以后，當熱運動變得較強烈時，ε_r又隨溫度上升而減小。

綜上所述可知： 

(1)氣體介質由于密度很小，也即單位體積內所含分子的數(shù)目很少，所以不論是非極性氣體還是極性氣體，其ε_r均很小，在工程上可近似地認為其等于1，

(2)液體介質可分為非極性、極性與強極性三種。非極性(或弱極性)液體的ε_r在1.8～2.5，變壓器油等礦物油即屬此類。極性液體的ε_r在3～6，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯即屬此類。強極性液體如酒精、水等，其ε_r很大(e.＞10)，但此種液體介質的電導也很大，所以不能用作絕緣材料。

(3)固體介質的情況較復雜，用作高壓設備絕緣材料的極性介質（如酚醛樹脂，聚氯乙烯等)，非極性介質(聚乙烯，聚苯乙烯等)，以及離子性固體介質(如云母、陶瓷等)，其ε_r約在2～10。還有一些ε_r很大的固體介質，如鈦酸鋇等ε_r＞1000，不能用作高壓絕緣材料。

四、夾層式極化

高壓設各的絕緣花往由幾種不同的材料組成，這時會產生“夾層介質極化"現(xiàn)象。這種極化的過程特別緩慢，而且伴隨有介質損耗。

為了分析的簡便，以平行電極間的雙層介質為例，如圖2-6所示：在圖中右面是它的等值電路。外施電壓為直流，在合閘瞬間，兩層介質之間的電壓與各層電容成反比(突然合閘瞬間相當于很高的頻率)，即

到達穩(wěn)態(tài)的情況，只有電導電流，層間電壓與各層電阻成正比，也就是說和電導成反比，即

若介質是均勻的，則C₁/C₂=g₁/g₂。

因為                          

所以                          

式中: γ?、γ?為介質1、2的電導率(s/m)；A為平板電極面積(m²)：d為各層介質的厚度(m)。

當ε?=ε?，γ?=γ?時，C₁/ g₁= C₂/ g₂。這樣可得

也即，如介質均勻，則合閘后兩層之間不會發(fā)生電荷至新分配的過程。

如介質不均勻，則。

所以合閘后，兩層介質之間有一個電壓重新分配的過程，也即C₁、C₂上的電荷要重新分配。

設C₁＞C₂而g₁＜g₂，則t=0時，U₂＞U₁；t→∞時，U₁＞U₂。 即t=0以后，U₂逐漸下降而U₁逐漸增大(因為U₁+ U₂= U是常數(shù))。 也即U₂上的一部分電荷要通過g₂放掉，而C₁則要從電源再吸收一都分電荷—稱吸收電荷， 所以夾層的存在使整個介質的等值電容增大，因而稱為夾層介質極化。

五、電介質極化在工程實際中的應用

(1)選擇電容器的絕緣材料時，一方面要注意電氣強度，另外則希望ε_r大。這樣，電容器單位容量的體積和重量便可減小，但其他絕緣結構則往往希望材料的ε_r要小些。例如電纜的絕緣材料，其ε_r小時可使工作時充電電流減小。

(2)一般在高壓設備中常是幾種絕緣材料組合使用，這種情況下更要注意各材料ε_r值的配合。

當數(shù)種絕緣材料合用時，不同成分材料的介電系數(shù)的比值關系，常影響整個絕緣系統(tǒng)中電壓分布，使外加電壓的大部分常為介電系數(shù)小的材料所負擔，因而降低了整個設備的絕緣能力。如圖2-7所示，設有厚度為d₁、d₂的兩種材料1、2，并用它們來負擔兩電極間的絕緣。這兩種材料的介電系數(shù)分別為ε₁、ε₂，電容量分別為C₁、C₂。當施以交流電壓U后，若略去材料的電導不計，s則有

假設ε?＜ε?，則E?＞E?,即在介電系數(shù)小的材料中承受較大的電場強度；反之，在介電系數(shù)大的材料中承受較小的電場強度。如果有氣泡存在于材料中，氣體的介電系數(shù)小，可以使其先行游離，使整個材料的絕緣能力降低。

(3)材料的介質損耗與極化形式有關，而介質損耗是影響絕緣老化和熱擊穿的一個重要因素

(4)夾層介質極化現(xiàn)象在絕緣預防性試驗中，可用來判斷絕緣受潮的情況。在使用電容器等電容量很大的設備時，必須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅。