69久久国产露脸精品国产 液体和固体电介质的相对介电系数与绝缘击穿强度

电气 设备中，除了某些地方 (如GIS设备)有采用气体作为 绝缘 外，广泛采用的是固体和液体电介质。这是因为 固 体、液体电介质的 绝缘强度 要比气体大许多，用它们作 电气 设备的内 绝缘 可以缩小结构尺寸；载流导体的支承需要固体电介质；液体电介质可兼作冷却与灭弧介质。然而，液体和固体电介质的 击穿 有各自的特点，与气体的 击穿 有很大的不同。本章讨论液体和固体电介质在电场 强度 较高时的 击穿 特性，以及在电场 强度 相对不是很高 时， 电介质中所发生的极化、电导和损耗物理过程，以及液体、固体电介质的老化问题。

第一节 电介质的极化

一、极化的概念与介质的相对介电系数

极化是电介质 (气体、液体、固体 绝缘 介质)在电场作用(加上 电压 后)下发生物理过程的一种 。虽 此物理过程在介质内部进行，但我们可 以通过此物理过程的外观表现来证实极化过程的存在。图 2-1为两个平板电容器，它们的结构尺寸 相同。图 2-1(a)中的电容器极板 间 为真空，而图2-1(b)中的电容器极板 间 为固体电介质。我们知 道，由于极间介质的不同，电容量是不同的，而且尺寸结构相同电容器，真空电容器的电容量是最小的，所以图 2-1(b)电容器的电容量要大 于 图2-1(a)电容器的电容量，为什么电容量大呢？这就是用 于固体电介质在电场作用下发生极化所致。

图2-1(a)中，在极板上施加直流 电压 U后，两极板上分别充有电荷量Q=Q ₀ 的正、负电荷。此时

式中 ε ₀ ——真空的介电系数；

A——金属极板的面积；

d——极间距离；

C ₀ ——极板间为真空时的电容量。

然后，在极间放入一块厚度与极间距离相等的固体电介质，就成为图 2-1(b)所示的电容器，此时电容器的电容量变为C

式中 ε ——固体电介质的介电系数。

放入固体电介质后，极板上的电荷量变成 Q

Q=CU

由于 C＞ C ₀ ，而U不变，所以Q ＞ Q ₀ 。这表 明 放 入 固体电介质后， 极 板上的电荷量有所增加。通过下面的分析可看出这是由于固体电介质在 极 板之间的电场作用下发生了极化所导致。

电介质放入极板间，就要受到电场的作用，介质原子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面呈现出与极板上电荷相反的电的性来，即靠近正极板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚电荷。正由于靠近极板两表面出现了束缚电荷，根据异极性电荷相吸的规律，要从电源再吸取等量异极性电荷 Q ´ 到极板上，这就导致了Q=Q ₀ + Q ´ ＞Q ₀ 。 现在可以对电介质的极化下一定义：电介质中的带电质点在电场作用下沿 电场方向作有限位移的现象称为极化。

对于上述平板电容器，放入的电介质不同，介质极化的强弱程度也不同，极板上的电荷量 Q也不同，因此Q/ Q ₀ 就表征在相同情况下不同介质极化的不同程度

ε _r 称为 电 介质的相对介电系数，简称介电系数。它是表征电介质在电场作用下极化程度的物理 量 ，其物理意义表示金 属 极板 间 放 入 电介质后电容量(或极板上的电荷 量 ) 比极板间为 真 空时的电容 量 (或极板上的电荷量)增大的倍数。

ε _r 值山电 介质 的材料所决定 。 气体分子间的 间距 很大，密度很小，因此各种气体的 ε _r 均接近于1 。 常用的液体、固体介质的 ε _r 大 多在2~6之间。不同 电 介质的 ε _r 值随温度、电源 频率 的变化规律 一 般是不同的 。 在工 频 电 压 下为 2 0℃时，一些常用介质的 ε _r 如表2-1所示。

表 2-1                常用电介质的介电 系数 和电导率

二、极化的基本形式

由于电介质分子结构的不同，极化过程所表现的形式也不同，极化的基本形式有以下四种。

1. 电子式极化

图 2-2为电子式化示意图，其中图2-2 (a)为极化前电介质的中性原子( 假设 只有 一 个电子)，图2-2(b)为极化后的原子，从图中可看出电子的运动轨道发 生 了变形，并相对于正电荷的原子核产生了位移。这 样 ， 负电荷 的作用中心(椭圆的中心 ) 与正出荷的作用中心不再重合，这种由电子位移所形成的极化就称为电子式极化 。

这种极化的特点为：

(1)极化所需的时间极短，约为10 ^-15 ～10 ^-14 s，这是由于电子质量极小的缘 故 。因此，这种极化在各种频率的外电场作用下均能产生，也就是说 ε _r 不随频率的改变而变化。

(2)极化时没有能量损耗，这种极化具有弹 性 ，即在外电场去掉后，由于正、负电荷的 相 互吸引而自动恢复到原来的状态，所以极化过程中无能量损耗 。

(3)温度对极化的影响极小。

2. 离子式 极 化

固体无机化合物 (如云母、玻璃、陶瓷等 ) 的分子结构多数展于离子式结构，其分子由正、负离子构成 。 在无外电场作用时，每个分子中正离子的作用中心(将所有正离子集中于此点时作用效果相 同 ) 与负离子的作用中心是重合的，故每个分子不呈现电的极件，如图2-3(a)所示 。 在外电场E作用下 ， 正、负离子作有限的位移，使两者的作用中心不再重合，如图2-3(b)所示。这样，每个分子呈现电的正负极性 。 这种由正、负离子相对位移所形成的极化就称为离子式极化 。

离子式极化的特点为：

(1)极化过程极短 。 约为10 ^-13 ~10 ^-12 s ，故极化(或 ε _r 值)不随 频 率的不同而变化。

(2) 极 化过程中无能量损耗，这是因这种 极 化也具有弹性性质。

(33温度对极化有影响。温度升高时，离子间的结合力减弱，使极化程度增加；而离子的密度则随温度的升高 而 减小，使极化程度降低 。 综合起来，前者影响大 于 后者，所以这种 极 化随温度升高而增强，即 ε _r 具有正的温度系数( ε _r 值随温度升高 而 增大) 。

3. 偶极子式极化

有些电介质的分了，如蓖麻油、氯化联苯、松香、橡胶、胶木等等，在无外电场作用时，其正负电荷作用中心是不重合的，这些电介质称为极性电介质。组成这些极性介质的每一个分子成为一个偶极子（两个电荷极）。在 没有外电场作用时，由于极子不停的热运动，拼列混乱，如图2-4(a)所示，故介质 靠电极的两表面不呈现电的极性。在外电场作用下，偶极子受到电场力的作用而发生转向，顺电场方向作有规则的排列，如图 2-4(b)所 示，靠电极两表面呈现出电的极性。这种由于 极性 电 介质偶极子分子的转向所形成的极化 就 称为偶极子式极化 。

偶极子式极化的特点为：

(1)极化所时间较长。约为10 ^-10 ~10 ^-2 s ， 故 极 化与频率有较大关系。频率很高时，由于偶极子的转 向 跟不上电 场 方向的改变，因 而 极化减弱。

(2)极化过程中有能 量 损耗 。 这种极化属非弹性，偶极了在转向时要克服分子间的吸引力和 摩 摩力而要消耗能 量 。

(3)温度对偶极子极化的影很大。温度 高 时， 分子热运动妨碍偶极子顺电场方向排列的作用明显，极化减弱；温度很低时，分子间联系紧密，偶极了转向困难，极化也减弱。以氯化联苯为例，其 ε _r 、f、t 三者的关系如图 2-5所示 。

4.空间电荷 极 化

在实际中，高 压 电气 设备的 绝 缘 采用 几 种不同 电介质组成复合 绝缘 。即便是采用单一电介质，由于 不均勾，也可以看成是 由 几种不同 电 介质组成，所以讨论这种夹层情况下的空间电荷极化更具现实 意义。

下面以平行平板电极的双层电介质为例来说明夹层式极化的过程。如图 2-6(a)所示，当开关S合上，两电介质在电场作用下都要发生极化。根据 电 压 的极性，在两电介质交界面的介质 Ⅰ 侧， 积聚 正束缚电荷， 交 界面的介质 Ⅱ侧积聚负 束 缚电荷 。 由于两电介质的不同，极化程度也不同，故交界面处积聚的异号电荷不相等， 例 如介质 Ⅰ 下部边缘处积聚的正电荷比介质 Ⅱ 上部边缘处积聚的负电 荷 多的话，则在两介质交界面处显示出正的电极性来 。 我们将这种使夹层电介质分界面上出现电 荷积聚的过程称为夹层式极化。夹层式极化过程是很缓慢的， 也就是说经过一 缓 慢过程 后，夹层介质的分界面上才呈现出某种电荷的极性来。

夹层式极化的具体过程可用图 2-6(b) 所示的等值电路来解释。在等值电路中， C ₁ 、C ₂ 、G ₁ 、G ₂ 分别为介质 Ⅰ 和介质 Ⅱ 的等值电容和 电 导 ， 为了说明的简便，全部参 数只标数值，略去单位 .设

C ₁ =1 ， C ₂ =2 ， G ₁ =2 ， G ₂ =1 ， U =3

开关 S在 t =0时合上， 电压 突然从零升至U作用在两电介质上，这相当于施加一很高率的 电压 ，故此时两电介质上的 电压 按电容成反比分配(由于容抗远小于电 阻 )，即

由于 u ₁ +u ₂ =U=3，所以

此时两等值电容上电荷分别为

总等值电容为

这表明加压瞬间，两电介质分界面上的正、负电荷相当，并不呈现电的极性。

之后，出现夹层极化过程。当夹层极化过程结束，即图 2-6(b)的等值电路合闸后达到稳态(理论上为t→ ∞ )，此时两介质上的 电压 按电导反比分压(由于电流全流过电导)，即

由于 u ₁ +u ₂ =U=3，所以

此时两等值电容上电荷分别为

总等值电容为

由此可见，由于夹层式极化，使两电介质分界面上的正、负电荷不相等 (在此例中夹层分界面上呈现+3电的极性)以及等值电容的增大。

对于这个例子，夹层式极化过程就是 C ₁ 上 电压 从2降至1，C ₂ 上 电压 从1升至2的过程 。 而这种 电 压 的升降都是通过G ₁ 、 G ₂ 进行的。由于电介质的电导非常小(电阻非常大)，则对应的时间常数(RC)非 常 大，这就是为什么夹层极化过程非常缓慢的缘故，一般为几秒到 几 十分钟，甚至有长达几小时的，因此这种极化只有在频率不高时才有意义。显然，夹层极化过程中有能量损耗。

既然分界面上电荷的积聚过程是缓慢的，那么此电荷的释放过程也将是缓慢的，为此，具有夹层 绝缘 的设备断开电源后，应短接进行放电以免危及人身安全，大容量电容器不加 电压 时要短接即为此原因。

了解电介质的极化，在工程上是很有意义的。例如，选择电容器中的 绝缘 材料时，选 ε _r 大的材料，这样电容器单位电容量的体积和质 量 都可减小。而选择其他 电气 设备 绝缘 材料时， 一 般希望 ε _r 小一些，例加选用 ε _r 小一些的材料作交流电力电缆的 绝缘 可减小电缆工作时的充电电流以及 因 极化引起的发热 损 耗 。由 于多种电介质串联时，各电介质中的电场 强度 与它们的介电系数 ε _r 成反比，因此在几种 绝缘 材料组合使用时，要注意各 绝缘 介员 ε _r 值的合理分配，以使各 绝缘 介质层中的 电 场 强度 尽均匀 分布 。