液體、固體電介質(zhì)的電氣性能

電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣大多數(shù)是液體或固體介質(zhì)，這些電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度(擊穿場強(qiáng))一般要比空氣高村多，所以用它們作為內(nèi)絕緣可以縮小電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，與空氣相比，液體和固體電介質(zhì)具有很多特點；①絕緣強(qiáng)度高，液體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)可達(dá)105V/cm數(shù)量級，固體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)可達(dá)106V/cm數(shù)量級，而空氣的僅為104V/cm數(shù)量級，②固體介質(zhì)是非自恢復(fù)絕緣，一旦損壞，不能自行恢復(fù)其絕緣性能，必須予以更換；液體介質(zhì)擊穿后，當(dāng)外施電壓消失時雖然能恢復(fù)絕緣性能，但絕緣強(qiáng)度已經(jīng)發(fā)生變化；而空氣擊穿后可自行恢復(fù)到原來的絕緣水平上，③液體、固體電介質(zhì)在運行過程中會逐漸老化，使它們的物理、化學(xué)性能以及各種電氣參數(shù)發(fā)生變化，從而影響其電氣壽命，而空氣不存在這些問題。①空氣的極化、電導(dǎo)和損耗都很小，運行中可以不予考慮，而固休、液體介質(zhì)則不然，必須加以考慮。

1.1 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

1.1.1 電介質(zhì)的極化

1. 基本概念

1)電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)置于電場中，其內(nèi)部會發(fā)生束縛電荷的彈性位移及偶極子的轉(zhuǎn)向等現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。

2)電介質(zhì)的相對介電常數(shù)

平行平板電容器電容量C與電極間的有效覆蓋面積A成正比，而與電極間的距離d成反比，其比例常數(shù)取決于介質(zhì)的特性，平行平板電容器在真空中的電容量為

式中：A為極板面積，m2；d為極間距離，m；ε0為真空介電常數(shù)：ε0=1/36π×10-9F/m。

如圖3-1(a)所示，如果在極板上施加直流電壓U，則兩極板上分別充上正、負(fù)電荷。設(shè)其電荷量為Q0，則有：

當(dāng)平板電極間插入介質(zhì)后，如圖3-1(b)所示，其電容量為

式中：ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。

在相同直流電壓U的作用下，由于介質(zhì)的極化，使得介質(zhì)表面出現(xiàn)了與極板電荷符號相異的束縛電荷，電荷量為Q′，為保持兩極板間的電場強(qiáng)度不變，必須要從電源再吸取等量的異性電荷到極板上，以抵消介質(zhì)表面束縛電荷對極板間電場的削弱作用，此時極板上的電荷量變?yōu)镼，則有：

對于同一平行平板電容器，隨著放入介質(zhì)的不同，介質(zhì)極化程度也會發(fā)生改變，從而板上的電荷量Q不同，于是Q/Q0就反映了在相同條件下不同介質(zhì)的極化現(xiàn)象的強(qiáng)弱，于是有：

式中：εr稱為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)，它是表征電介質(zhì)在電場作用下極化強(qiáng)弱的指標(biāo)。其值由電介質(zhì)本身的材料特性決定。氣體分子間的距離很大、密度很小，氣體的極化率很小，因此各種氣體的εr都接近1。常用液體、固體電介質(zhì)的εr一般為2~10。各種電介質(zhì)的εr與溫度、電源頻率的關(guān)系也各不相同，這與極化的形式有關(guān)。

2. 極化的基本形式

電介質(zhì)的極化通常有電子式極化(電子位移極化)、離子式極化(離子位移極化)、偶極子極化(轉(zhuǎn)向極化)和夾層極化等幾種基本形式。

1)電子位移極化

物質(zhì)是由分子組成的，而組成分子的原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的，其電荷量彼此相等。無外電場作用時，正、負(fù)電荷對外作用重心重合，如圖3-2(a)所示，原子對外不顯電性。當(dāng)有外電場作用時，正、負(fù)電荷對外作用重心不再重合，如圖3-2(b)所示，原子對外顯電性。電介質(zhì)中的原子、分子或離子中的電子在外電場的作用下，使電子軌道相對于原子核產(chǎn)生位移，從而形成感應(yīng)電矩的過程，稱為電子位移極化。電子位移極化的特點如下。

(1)存在于一切電介質(zhì)中。

(2)電子質(zhì)量很小，建立極化所需時間極短，為10-15~10-14s。該極化在各種頻率的交變電場中均能發(fā)生(即εr不隨頻率的變化而變化)。

(3)彈性極化，去掉外電場，極化可立即恢復(fù)，極化時消耗的能量可以忽略不計，因此也稱之為無損極化。

(4)受溫度影響小，當(dāng)溫度升高時，電子與原子核的結(jié)合力減弱，使極化略有增強(qiáng)；但溫度上升使得介質(zhì)膨脹，單位體積內(nèi)質(zhì)點減少，又使極化減弱。在兩種相反的作用中，后者略占優(yōu)勢，所以溫度升高時，εr略有下降，但變化不大，通常可以忽略。

2)離子位移極化

固體無機(jī)化合物多屬于離子結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷、玻璃等。無外電場作用時，離子的作用重心是重合的，如圖3-3(a)所示，對外不顯電性。在外電場作用下，正、負(fù)離子分別向陰極和陽極偏移，其作用重心不再重合，如圖3-3(b)所示，對外顯電性。在由離子結(jié)合成的電介質(zhì)中，外電場的作用使正、負(fù)離子產(chǎn)生有限的位移，平均的具有了電場方向的偶極矩，這種極化稱為離子位移極化。離子位移極化的特點如下。

(1)存在于離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中。

(2)極化建立所需時間極短，約10-13~10-12s，因此極化εr不隨頻率的改變而變化。

(3)極化也是彈性的，無能量損失。

(4) εr具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時，離子間的距離增大，一方面使離子間的結(jié)合力減弱，極化程度增加，另一方面使離子的密度減小，極化程度降低，而前者影響大于后者，所以這種極化隨溫度的升高而增強(qiáng)。

3)轉(zhuǎn)向極化

有些介質(zhì)如蓖麻油、氯化聯(lián)苯、橡膠、纖維素等的分子即使在沒有外電場作用的情況下，正、負(fù)電荷的作用重心也不重合而構(gòu)成一個偶極子。這樣的分子叫作極性分子，由極性分子組成的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。

在極性電介質(zhì)中，沒有外電場作用時，由于偶極子處于不規(guī)則的熱運動狀態(tài)，因此，宏觀上對外并不呈現(xiàn)電矩，如圖3-4(a)所示。當(dāng)有外電場作用時，原先排列雜亂的偶極子將沿電場方向轉(zhuǎn)動，做較有規(guī)則的排列，如圖3-4(b)所示。這時整個介質(zhì)的偶極距不再為零，對外呈現(xiàn)出極性，這種極化稱為轉(zhuǎn)向極化。

轉(zhuǎn)向極化的特點如下。

(1)存在于偶極性電介質(zhì)中。

(2)極化建立所需時間較長，為10-6~10-2s，因此這種極化與頻率有較大關(guān)系。頻率較高時，轉(zhuǎn)向極化跟不上電場的變化，從而使極化減弱，即εr隨頻率的增加而減小，如圖3-5所示。

(3)轉(zhuǎn)向極化為非彈性的，偶極子在轉(zhuǎn)向時需要克服分子間的吸引力和摩擦力而消耗能量，因此也稱為有損極化。

(4)溫度對轉(zhuǎn)向極化的影響大，溫度升高時，分子間聯(lián)系力削弱，使極化加強(qiáng)，但同時分子的熱運動加劇，妨礙偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)向，又使極化減弱。所以隨溫度增加，極化程度先增加后降低，如圖3-6所示。

4)夾層極化

上述三種極化都是由帶電質(zhì)點的彈性位移或轉(zhuǎn)向形成的，而夾層極化的機(jī)理與上述三種不同，它是由帶電質(zhì)點的移動形成的。

在實際電氣設(shè)備中，常采用多層電介質(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，如電纜、電機(jī)和變壓器的繞組等，在兩層介質(zhì)之間常夾有油層、膠層等形成多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。即便是采用單一電介質(zhì)，由于不均勻，也可以看成是由幾種不同電介質(zhì)組成的。為便于分析，現(xiàn)以圖3-7(a)所示的雙層電介質(zhì)為例分析夾層極化，分析夾層極化過程中，雙層介質(zhì)的等值電路如圖3-7(b)所示。在開關(guān)閉合瞬間，兩層介質(zhì)的初始電壓按電容成反比分配，即：

到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，兩層介質(zhì)上的電壓按電導(dǎo)成反比分配，即： 

如果C2/C1=G2/G1，則雙層介質(zhì)的表面不重新分配，初始電壓比等于穩(wěn)態(tài)電壓比。但實際中很難滿足上述條件，電荷要重新分配。所以可以設(shè)C2>C1而G2<G1，則：

t=0時，U1>U2

t→∞時，U1<U2

這樣，在t>0后，隨著時間t的增大，U1逐漸下降，而外施電壓U=U1+U2為一定值，所以U2逐漸升高。在這個電壓重新分配的過程中，由于U1下降，所以電容C1在初始時獲得的電荷將有一部分通過電導(dǎo)G1泄放掉。相應(yīng)地，電容C2則要通過G1從電源再吸收一部分電荷，這部分電荷稱為吸收電荷。這種在雙層介質(zhì)分界面上出現(xiàn)的電荷重新分配的過程，就是夾層極化過程。

夾層極化的特點如下。

(1)這種極化形式存在于不均勻夾層介質(zhì)中。

(2)由于電荷的重新分配是通過電介質(zhì)電導(dǎo)G完成的, 必然帶來能量損失, 屬于有損極化。 

(3)由于電介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，所以這種極化的建立所需時間很長，一般為幾分鐘到幾十分鐘，有的甚至長達(dá)幾小時，因此，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時才有意義。

3.極化在工程實際中的應(yīng)用

(1)選擇絕緣。在選擇高壓電氣設(shè)備的絕緣材料時，除了要考慮材料的絕緣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮相對介電常數(shù)εr。例如在制造電容時，要選擇εr大的材料作為極板間的絕緣介質(zhì)，以使電容器單位容量的體積和質(zhì)量減小。在制造電纜時，則要選擇εr小的絕緣材料作為纜芯與外皮間的絕緣介質(zhì)，以減小充電電流。其他絕緣結(jié)構(gòu)也往往希望選用εr小的絕緣材料。

(2)多層介質(zhì)的合理配合。在高壓電氣設(shè)備中，絕緣常常是由幾種電介質(zhì)組合而成的。在交流及沖擊電壓下，串聯(lián)電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度是按與εr成反比分布的，這樣就使外加電壓的大部分常常被εr小的材料所負(fù)擔(dān)，從而降低了整體的絕緣強(qiáng)度。

即在交流電壓作用下，電場強(qiáng)度按介電常數(shù)反比分配(但應(yīng)注意，在直流電壓下，在穩(wěn)定狀態(tài)時電場強(qiáng)度按電導(dǎo)反比分配)，即介電常數(shù)小的介質(zhì)承受較高電氣強(qiáng)度。如果氣泡存在于液體或固體介質(zhì)中，由于氣體的介電常數(shù)小而絕緣強(qiáng)度又較低，因此可能先發(fā)生游離，從而使整個材料的絕緣能力降低。因此要注意選擇εr使各層電介質(zhì)的電場分布較均勻。

(3)材料的介質(zhì)損耗與極化類型有關(guān)，而介質(zhì)損耗是絕緣老化和熱擊穿的一個重要影響因素。

(4)夾層極化現(xiàn)象在絕緣預(yù)防性試驗中，可用來判定絕緣受潮的情況。在使用較大電容量的電氣設(shè)備時，必須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅。

3.1.2 電介質(zhì)的電導(dǎo)

理想的絕緣材料應(yīng)該是不導(dǎo)電的，但實際上大多數(shù)絕緣材料都存在極弱的導(dǎo)電性。電介質(zhì)內(nèi)部總存在一些自由的或聯(lián)系較弱的帶電質(zhì)點,在電場作用下，它們可沿電場方向運動構(gòu)成電流。在電場作用下，電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點作定向移動而形成電流的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的電導(dǎo)。

1. 電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別

(1)電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由離子造成的，包括介質(zhì)本身和雜質(zhì)分子離解出的離子，所以電介質(zhì)電導(dǎo)是離子性電導(dǎo)。而金屬的電導(dǎo)是由金屬導(dǎo)體中的自由電子造成的，所以金屬電導(dǎo)是電子性電導(dǎo)。

(2)電介質(zhì)的電導(dǎo)很小，其電阻率一般為109~1022Ω·cm，而金屬的電導(dǎo)很大，其電阻率僅為10-6~10-2Ω·cm。

(3)電介質(zhì)的電導(dǎo)具有正的溫度系數(shù)，即隨溫度的升高而增大。這是因為一方面，當(dāng)溫度升高時介質(zhì)本身分子和雜質(zhì)分子的離解度增大，使參加導(dǎo)電的離子數(shù)增多。另一方面，隨溫度的升高，分子間的相互作用力減弱，同時離子的熱運動加劇，改變了原來受束縛的狀態(tài)，這些都有利于離子的遷移，所以使電介質(zhì)的電導(dǎo)增大。而金屬的電阻隨溫度的升高而升高，故其電導(dǎo)隨溫度升高而下降，因此具有負(fù)的溫度系數(shù)。

2.吸收現(xiàn)象

圖3-9所示為測量固體電介質(zhì)中電流的電路。加輔助電極是為了將流過介質(zhì)表面的電流與介質(zhì)內(nèi)部的電流分開，使得由高靈敏度電流表A測得的電流僅是流過介質(zhì)內(nèi)部的電流。開關(guān)S1閉合后，流過電介質(zhì)內(nèi)部的電流隨時間的變化規(guī)律如圖3-10上半部曲線所示，由圖可見該電流隨時間逐漸衰減，并最趨于到穩(wěn)定值，這一現(xiàn)象是由電介質(zhì)的極化產(chǎn)生的，被稱作吸收現(xiàn)象。圖中ic是由無損極化產(chǎn)生的電流，由于無損極化建立所需時間很短，所以ic很快衰減到零。ia是由有損極化產(chǎn)生的電流，因為有損極化建立所需時間較長，所以ia緩慢衰減到零，這部分電流又稱為吸收電流。ig為不隨時間變化的恒分量，被稱為電介質(zhì)的泄漏電流或電導(dǎo)電流。當(dāng)被試品等效電容容量較大時，為避免開關(guān)S1剛閉合時電極間產(chǎn)生的較大瞬時充電電流ic損壞電流表，可先閉合S3將電流表短接，經(jīng)很短的時間后再打開S3。由上述分析可見，通過電介質(zhì)的電流由三部分組成，即：

電介質(zhì)中的電流衰減至恒定的泄漏電流值往往需要數(shù)分鐘以上的時間，通常絕緣電阻應(yīng)以施加電壓1min或10min后的電流求出，泄漏電流所對應(yīng)的電阻R=U/Ig，稱為絕緣電阻。在圖3-9中施加電壓達(dá)到穩(wěn)定后斷開S1，再合上S2，則流過電流表A的電流如圖3-10下半部曲線所示，回路中出現(xiàn)電流，該電流隨時間的變化規(guī)律與吸收電流ia相反，也稱作吸收電流，氣體中無吸收電流，液體中極化發(fā)展快，吸收電流衰減快，固體介質(zhì)的ia比較明顯(當(dāng)結(jié)構(gòu)不均勻時表現(xiàn)尤甚)。

根據(jù)上述分析，可以得到電介質(zhì)的等值電路，如圖3-11所示，它由三條并聯(lián)支路組成，其中含有電容Cc的支路代表無損極化引起的瞬時充電電流支路，電阻ra和電容Ca串聯(lián)的支路代表有損極化引起的吸收電流支路。而含有電阻R的支路代表電導(dǎo)電流支路。

3.電介質(zhì)的電導(dǎo)

(1)氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)。氣體電介質(zhì)的伏安特性如圖1-2所示，Oa段可視其電導(dǎo)為常數(shù)，以后就不再是常數(shù)了。通常氣體絕緣工作在ab段，其電導(dǎo)極微小。故氣體電介質(zhì)只要工作在場強(qiáng)低于其擊穿場強(qiáng)時，其電導(dǎo)可以忽略不計。

(2)液體電介質(zhì)的電導(dǎo)。構(gòu)成液體電介質(zhì)電導(dǎo)的主要因素有兩種：離子電導(dǎo)和電泳電導(dǎo)。離子電導(dǎo)是由液體本身分子或雜質(zhì)的分子離解出來的離子造成的。電泳電導(dǎo)是由荷電膠體質(zhì)點造成的，所謂荷電膠體質(zhì)點即固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成了膠體質(zhì)點，例如變壓器油中懸浮的小水滴，它吸附離子后成為荷電膠體質(zhì)點。

離子電導(dǎo)的大小和分子極性及液體的純凈程度有關(guān)。非極性液體電介質(zhì)本身分子的離解是極微弱的，其電導(dǎo)主要由離解性的雜質(zhì)和懸浮于液體電介質(zhì)中的荷電膠體質(zhì)點所引起。純凈的非極性液體電介質(zhì)的電阻率ρ可達(dá)1018Ω·cm，弱極性電介質(zhì)ρ可達(dá)1015Ω·cm。對于偶極性液體電介質(zhì)，極性越大，分子的離解度越大，ρ為1010~1012Ω·cm，強(qiáng)極性液體，如水、酒精等實際上已經(jīng)是離子性導(dǎo)電液了，不能用作絕緣材料。表3-1列出了部分液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)。

表3-1 液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)

(3)固體電介質(zhì)的電導(dǎo)。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)分為體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)。構(gòu)成固體電介質(zhì)電導(dǎo)的主要因素是離子電導(dǎo)。非極性和弱極性固體電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子造成的，純凈介質(zhì)的電阻率ρ可達(dá)1017~1019Ω·cm。對于偶極性固體電介質(zhì)，因本身分子能離解，所以其電導(dǎo)是由其本身和雜質(zhì)離子共同造成的，電阻率較小，最高的可達(dá)1015~1016Ω·cm。對于離子性電介質(zhì)，電導(dǎo)的大小和離子本身的性質(zhì)有關(guān)。單價小離子束縛弱，易形成電流，因而含單價小離子的固體電介質(zhì)的電導(dǎo)較大。結(jié)構(gòu)緊密、潔凈的離子性電介質(zhì)，電阻率ρ為1017~1019Ω·cm。結(jié)構(gòu)不緊密且含單價小離子的離子性電介質(zhì)的電阻率僅為1013~1014Ω·cm。固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引起，介質(zhì)表面干燥、清潔時電導(dǎo)很小。介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，石蠟、聚苯乙烯、硅有機(jī)物等非極性和弱極性電介質(zhì)，其分子和水分子的親和力小于水分子的內(nèi)聚力，表現(xiàn)為水滴的接觸角大于90°，如圖3-12(a)所示，水分不易在其表面形成水膜，表面電阻率很小，這種固體電介質(zhì)稱為憎水性介質(zhì)。玻璃、陶瓷等離子性電介質(zhì)和偶極性電介質(zhì)，其分子和水分子的親和力大于水分子的內(nèi)聚力，表現(xiàn)為水滴的接觸角小于90°，如圖3-12(b)所示，水分在其表面容易形成水膜，表面電導(dǎo)率很大，這種固體電介質(zhì)稱為親水性介質(zhì)。

采取使介質(zhì)表面潔凈、干燥或涂敷石蠟、有機(jī)硅、絕緣漆等措施，可以降低介質(zhì)表面的電導(dǎo)。

4. 影響電介質(zhì)電導(dǎo)的主要因素

(1)溫度。離子電導(dǎo)率具有正溫度系數(shù)，電介質(zhì)電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系如下式所示：

式中：A、B為常數(shù)；T為絕對溫度。

(2)雜質(zhì)。由于雜質(zhì)中的離子數(shù)較多，因此當(dāng)介質(zhì)中的雜質(zhì)增多時，其電導(dǎo)會明顯增加。各類雜質(zhì)中水分的影響最大，因水分本身電導(dǎo)較大，而且水分能使介質(zhì)中的另一些雜質(zhì)(如鹽類、酸類等物質(zhì))發(fā)生水解，從而大大增加介質(zhì)的電導(dǎo)。所以，電氣設(shè)備在運行中一定要注意防潮。

5.討論電導(dǎo)的意義

(1)電導(dǎo)是絕緣預(yù)防性試驗的理論依據(jù)，在做預(yù)防性試驗時，可利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣情況是否良好。

(2)在直流電壓作用下，分層絕緣時，各層電壓分布與電導(dǎo)成反比。因此設(shè)計用于直流的電氣設(shè)備時，要注意所用電介質(zhì)的電導(dǎo)率，盡量使材料得到合理的使用。

(3)注意環(huán)境濕度對固體電介質(zhì)表面電導(dǎo)的影響及親水性材料的表面防水處理。

3.1.3 電介質(zhì)的損耗

由前述電介質(zhì)的極化和電導(dǎo)可以看出，電介質(zhì)在電場中會產(chǎn)生能量損耗。在外加電壓作用下，電介質(zhì)在單位時間內(nèi)消耗的能量稱為介質(zhì)損耗。