液體及固體介質(zhì)的電氣性能

絕緣材料(常稱為電介質(zhì))，具有很高的電阻率(通常為10⁶～10⁹Ω·m)是電工中應(yīng)用廣泛的一類材料。除了氣體外，還應(yīng)用固體、液體材料。固體材料除了做絕緣外，還可用做載流導(dǎo)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(qiáng)度。液體絕緣材料，還常作為載流導(dǎo)體或磁導(dǎo)體(鐵芯)的冷卻劑，在某些開(kāi)關(guān)電器中可用它做滅弧材料。因此，對(duì)液體、固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及它們?cè)陔妶?chǎng)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(jī)械、化學(xué)、物理等方面的性能。木章主要講述液體、固體電介質(zhì)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(chǎng)作用下的物理現(xiàn)象是高壓電氣設(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)。

第一節(jié)  電介質(zhì)的極化

由大小相等，符號(hào)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(lái)表示，偶極矩的大小為正電荷(或負(fù)電倚)的電量q與正、負(fù)電荷間距離d的乘積，方向由負(fù)電荷指向電荷。

電介質(zhì)內(nèi)分子問(wèn)的結(jié)合力稱為分子鍵，分子內(nèi)相鄰原子間的結(jié)合力稱為化學(xué)鍵，根據(jù)原子結(jié)合成分子的方式的不同，比介質(zhì)分子的化學(xué)鍵分為離子鍵和共價(jià)鍵兩類，分子的化學(xué)鍵類型取決于構(gòu)成分子的原子間電負(fù)性差異的大小。原子的電負(fù)性是指原子獲得電子的能力。當(dāng)電負(fù)性相差很大的原子相遇時(shí)，電負(fù)性小的原子（金屬元素)的價(jià)電子將被電負(fù)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(fù)離子通過(guò)靜電引力結(jié)合成分子，這種化學(xué)鍵稱為離子冠，當(dāng)電負(fù)性相等或相差不大的兩個(gè)或多個(gè)原子相互作用時(shí)，原子間則通過(guò)共用電子對(duì)結(jié)合成分子，這種化學(xué)健稱為共價(jià)鍵

化學(xué)鍵的極性可用鍵矩(即化學(xué)鍵的極矩)來(lái)表示，離子鏈中正、負(fù)離子形成一個(gè)很大的鍵矩，因此它是一種強(qiáng)極性鍵，共價(jià)鍵中，電負(fù)性相同的原子組成的共價(jià)鍵為非極性共價(jià)鍵，電負(fù)性不同的原子組成的共價(jià)鍵為極性共價(jià)鍵：由非極性共價(jià)鍵構(gòu)成的分子是非極性分子。由極性共價(jià)鍵構(gòu)成的分子，如果分子由一個(gè)極性共價(jià)鍵組成，則為極性分子；如果分子由兩個(gè)或多個(gè)極性共價(jià)鍵組成，結(jié)構(gòu)對(duì)稱者為非極性分子，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱為極性分子

分子由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)稱為離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)。分子由共價(jià)鍵構(gòu)成，且分子為非極性分子的電介質(zhì)稱為非極性電介質(zhì)，分子為極性分子的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。

如圖2-1所示，先將平行板電容器放在密封容器內(nèi)，并將極板間抽成真空，在極板上施加直流電壓U，這時(shí)極板上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電荷量為Q₀，如圖2-1(a)所示，然后把一塊固體介質(zhì)(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?yàn)樵谕饧与妶?chǎng)作用下，使介質(zhì)中彼此中和的正、負(fù)電荷產(chǎn)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(shí)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(zhì)后

   (2-2)

由式(2-1)、式(2-2)可得介質(zhì)的相對(duì)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(zhì)的ε_r與溫度、電源頻率的關(guān)系也不一致，且與報(bào)化形式有關(guān)。

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(zhì)是由分子或離子構(gòu)成，構(gòu)成分子的原子則為具有帶正電的核與帶負(fù)電的電子所組成，其電荷量彼此相等。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)(E=0)正負(fù)電荷的作用中心重合，原子對(duì)外部呈中性，如圖2-2(a)所示。

當(dāng)有外電場(chǎng)時(shí)(E≠0)，如圖2-2(b)所示。此時(shí)電子軌道對(duì)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(fù)電荷作用中心分開(kāi)，對(duì)外呈現(xiàn)出一偶極子的形態(tài)，其極化強(qiáng)度(即正負(fù)電荷作用中心拉開(kāi)的距離)隨外電場(chǎng)的增加而增加。這種極化的特點(diǎn)為：

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

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

溫度對(duì)電子式極化的影響不大。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子與原子核的結(jié)合力減弱，使極化略有加強(qiáng)；但溫度升高時(shí)，介質(zhì)膨脹，單位體積內(nèi)質(zhì)點(diǎn)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(shì)，所以ε_r具有很小的負(fù)溫度系數(shù)，即溫度升高時(shí)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(zhì)中。

二、離子式極化

固體無(wú)機(jī)化合物多屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷材料等。無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，正負(fù)離子作用的中心是重合的，故不呈現(xiàn)極性，在外電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子向相應(yīng)電極編移，使整個(gè)分子呈現(xiàn)極性（圖2-3)。離子式極化也屬?gòu)椥詷O化，幾乎沒(méi)有損耗；極化過(guò)程也很快，不超過(guò)

10^-13s，所以在使用的頻率范圍內(nèi)可認(rèn)為ε_r與頻率無(wú)關(guān)。

溫度對(duì)離子式極化的影響，也存在相反的兩種因素，即離子間結(jié)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(zhì)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(fù)電荷，因而形成一個(gè)久性的偶極矩如圖2-4(a)所示。具有偶極子的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)：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(gè)的偶極子雖然具有極性，但無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子處在不停的熱運(yùn)動(dòng)中，分布異常混亂，對(duì)外的作用互相抵消，所以整個(gè)介質(zhì)是不呈現(xiàn)極性的。在電場(chǎng)作用下，原來(lái)混亂分布的極性分子順電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)消耗的電場(chǎng)能量在復(fù)原時(shí)不可能全部收回(因極性分子旋轉(zhuǎn)時(shí)要克服分子間的吸引力，可想象為分子在一種黏性媒質(zhì)中旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力很大一樣)，極化所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，約10^-10～10^-2s。因此，極性介質(zhì)的ε_r與電源頻率有較大的關(guān)系。頻率很高時(shí)偶極子來(lái)不及跟隨外電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(duì)介電系數(shù)與溫度，圖中頻率f₁＜f₂＜f₃的關(guān)系。

溫度對(duì)極性電介質(zhì)的ε_r有很大的影響。溫度升高時(shí)，分子間聯(lián)系減弱，使極化加強(qiáng)；但同時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇， 妨礙它們有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這又使極化減弱。所以極性電介質(zhì)的ε_r最初隨溫度的升高而增加；以后，當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí)，ε_r又隨溫度上升而減小。

綜上所述可知： 

(1)氣體介質(zhì)由于密度很小，也即單位體積內(nèi)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(rèn)為其等于1，

(2)液體介質(zhì)可分為非極性、極性與強(qiáng)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(qiáng)極性液體如酒精、水等，其ε_r很大(e.＞10)，但此種液體介質(zhì)的電導(dǎo)也很大，所以不能用作絕緣材料。

(3)固體介質(zhì)的情況較復(fù)雜，用作高壓設(shè)備絕緣材料的極性介質(zhì)（如酚醛樹(shù)脂，聚氯乙烯等)，非極性介質(zhì)(聚乙烯，聚苯乙烯等)，以及離子性固體介質(zhì)(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(zhì)，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(shè)各的絕緣花往由幾種不同的材料組成，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生“夾層介質(zhì)極化"現(xiàn)象。這種極化的過(guò)程特別緩慢，而且伴隨有介質(zhì)損耗。

為了分析的簡(jiǎn)便，以平行電極間的雙層介質(zhì)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(zhì)之間的電壓與各層電容成反比(突然合閘瞬間相當(dāng)于很高的頻率)，即

到達(dá)穩(wěn)態(tài)的情況，只有電導(dǎo)電流，層間電壓與各層電阻成正比，也就是說(shuō)和電導(dǎo)成反比，即

若介質(zhì)是均勻的，則C₁/C₂=g₁/g₂。

因?yàn)?/span>                          

所以                          

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

當(dāng)ε?=ε?，γ?=γ?時(shí)，C₁/ g₁= C₂/ g₂。這樣可得

也即，如介質(zhì)均勻，則合閘后兩層之間不會(huì)發(fā)生電荷至新分配的過(guò)程。

如介質(zhì)不均勻，則。

所以合閘后，兩層介質(zhì)之間有一個(gè)電壓重新分配的過(guò)程，也即C₁、C₂上的電荷要重新分配。

設(shè)C₁＞C₂而g₁＜g₂，則t=0時(shí)，U₂＞U₁；t→∞時(shí)，U₁＞U₂。 即t=0以后，U₂逐漸下降而U₁逐漸增大(因?yàn)閁₁+ U₂= U是常數(shù))。 也即U₂上的一部分電荷要通過(guò)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?shī)A層的存在使整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，因而稱為夾層介質(zhì)極化。

五、電介質(zhì)極化在工程實(shí)際中的應(yīng)用

(1)選擇電容器的絕緣材料時(shí)，一方面要注意電氣強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(shí)可使工作時(shí)充電電流減小。

(2)一般在高壓設(shè)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(dāng)數(shù)種絕緣材料合用時(shí)，不同成分材料的介電系數(shù)的比值關(guān)系，常影響整個(gè)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(fù)擔(dān)，因而降低了整個(gè)設(shè)備的絕緣能力。如圖2-7所示，設(shè)有厚度為d₁、d₂的兩種材料1、2，并用它們來(lái)負(fù)擔(dān)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(dāng)施以交流電壓U后，若略去材料的電導(dǎo)不計(jì)，s則有

假設(shè)ε?＜ε?，則E?＞E?,即在介電系數(shù)小的材料中承受較大的電場(chǎng)強(qiáng)度；反之，在介電系數(shù)大的材料中承受較小的電場(chǎng)強(qiáng)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(gè)材料的絕緣能力降低。

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

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