液體、固體電介質的電氣性能

電氣設備的內絕緣大多數是液體或固體介質，這些電介質的絕緣強度(擊穿場強)一般要比空氣高村多，所以用它們作為內絕緣可以縮小電氣設備的結構尺寸，與空氣相比，液體和固體電介質具有很多特點；①絕緣強度高，液體介質的擊穿場強可達105V/cm數量級，固體介質的擊穿場強可達106V/cm數量級，而空氣的僅為104V/cm數量級，②固體介質是非自恢復絕緣，一旦損壞，不能自行恢復其絕緣性能，必須予以更換；液體介質擊穿后，當外施電壓消失時雖然能恢復絕緣性能，但絕緣強度已經發生變化；而空氣擊穿后可自行恢復到原來的絕緣水平上，③液體、固體電介質在運行過程中會逐漸老化，使它們的物理、化學性能以及各種電氣參數發生變化，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、電導和損耗都很小，運行中可以不予考慮，而固休、液體介質則不然，必須加以考慮。

1.1 電介質的極化、電導和損耗

1.1.1 電介質的極化

1. 基本概念

1)電介質的極化

電介質置于電場中，其內部會發生束縛電荷的彈性位移及偶極子的轉向等現象，該現象稱為電介質的極化。

2)電介質的相對介電常數

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，其比例常數取決于介質的特性，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：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、負電荷。設其電荷量為Q0，則有：

當平板電極間插入介質后，如圖3-1(b)所示，其電容量為

式中：ε為介質的介電常數。

在相同直流電壓U的作用下，由于介質的極化，使得介質表面出現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為Q，則有：

對于同一平行平板電容器，隨著放入介質的不同，介質極化程度也會發生改變，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的極化現象的強弱，于是有：

式中：εr稱為電介質的相對介電常數，它是表征電介質在電場作用下極化強弱的指標。其值由電介質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、固體電介質的εr一般為2~10。各種電介質的εr與溫度、電源頻率的關系也各不相同，這與極化的形式有關。

2. 極化的基本形式

電介質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(轉向極化)和夾層極化等幾種基本形式。

1)電子位移極化

物質是由分子組成的，而組成分子的原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的，其電荷量彼此相等。無外電場作用時，正、負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。當有外電場作用時，正、負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生位移，從而形成感應電矩的過程，稱為電子位移極化。電子位移極化的特點如下。

(1)存在于一切電介質中。

(2)電子質量很小，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，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，當溫度升高時，電子與原子核的結合力減弱，使極化略有增強；但溫度上升使得介質膨脹，單位體積內質點減少，又使極化減弱。在兩種相反的作用中，后者略占優勢，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

固體無機化合物多屬于離子結構，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。在由離子結合成的電介質中，外電場的作用使正、負離子產生有限的位移，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)存在于離子結構的電介質中。

(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，溫度升高時，離子間的距離增大，一方面使離子間的結合力減弱，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。

3)轉向極化

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

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

轉向極化的特點如下。

(1)存在于偶極性電介質中。

(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系。頻率較高時，轉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)轉向極化為非彈性的，偶極子在轉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)溫度對轉向極化的影響大，溫度升高時，分子間聯系力削弱，使極化加強，但同時分子的熱運動加劇，妨礙偶極子沿電場方向轉向，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點的彈性位移或轉向形成的，而夾層極化的機理與上述三種不同，它是由帶電質點的移動形成的。

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

到達穩態時，兩層介質上的電壓按電導成反比分配，即： 

如果C2/C1=G2/G1，則雙層介質的表面不重新分配，初始電壓比等于穩態電壓比。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G1泄放掉。相應地，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。這種在雙層介質分界面上出現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中。

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

(3)由于電介質的電導通常都很小，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，有的甚至長達幾小時，因此，這種性質的極化只有在低頻時才有意義。

3.極化在工程實際中的應用

(1)選擇絕緣。在選擇高壓電氣設備的絕緣材料時，除了要考慮材料的絕緣強度外，還應考慮相對介電常數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，以使電容器單位容量的體積和質量減小。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，以減小充電電流。其他絕緣結構也往往希望選用εr小的絕緣材料。

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

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

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

(4)夾層極化現象在絕緣預防性試驗中，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 電介質的電導

理想的絕緣材料應該是不導電的，但實際上大多數絕緣材料都存在極弱的導電性。電介質內部總存在一些自由的或聯系較弱的帶電質點,在電場作用下，它們可沿電場方向運動構成電流。在電場作用下，電介質中的帶電質點作定向移動而形成電流的現象，稱為電介質的電導。

1. 電介質電導與金屬電導的本質區別

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

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

(3)電介質的電導具有正的溫度系數，即隨溫度的升高而增大。這是因為一方面，當溫度升高時介質本身分子和雜質分子的離解度增大，使參加導電的離子數增多。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，這些都有利于離子的遷移，所以使電介質的電導增大。而金屬的電阻隨溫度的升高而升高，故其電導隨溫度升高而下降，因此具有負的溫度系數。

2.吸收現象

圖3-9所示為測量固體電介質中電流的電路。加輔助電極是為了將流過介質表面的電流與介質內部的電流分開，使得由高靈敏度電流表A測得的電流僅是流過介質內部的電流。開關S1閉合后，流過電介質內部的電流隨時間的變化規律如圖3-10上半部曲線所示，由圖可見該電流隨時間逐漸衰減，并最趨于到穩定值，這一現象是由電介質的極化產生的，被稱作吸收現象。圖中ic是由無損極化產生的電流，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，被稱為電介質的泄漏電流或電導電流。當被試品等效電容容量較大時，為避免開關S1剛閉合時電極間產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，經很短的時間后再打開S3。由上述分析可見，通過電介質的電流由三部分組成，即：

電介質中的電流衰減至恒定的泄漏電流值往往需要數分鐘以上的時間，通常絕緣電阻應以施加電壓1min或10min后的電流求出，泄漏電流所對應的電阻R=U/Ig，稱為絕緣電阻。在圖3-9中施加電壓達到穩定后斷開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，回路中出現電流，該電流隨時間的變化規律與吸收電流ia相反，也稱作吸收電流，氣體中無吸收電流，液體中極化發展快，吸收電流衰減快，固體介質的ia比較明顯(當結構不均勻時表現尤甚)。

根據上述分析，可以得到電介質的等值電路，如圖3-11所示，它由三條并聯支路組成，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的支路代表電導電流支路。

3.電介質的電導

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

(2)液體電介質的電導。構成液體電介質電導的主要因素有兩種：離子電導和電泳電導。離子電導是由液體本身分子或雜質的分子離解出來的離子造成的。電泳電導是由荷電膠體質點造成的，所謂荷電膠體質點即固體或液體雜質以高度分散狀態懸浮于液體中形成了膠體質點，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點。

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

表3-1 液體電介質的電導率和相對介電常數

(3)固體電介質的電導。固體電介質的電導分為體積電導和表面電導。構成固體電介質電導的主要因素是離子電導。非極性和弱極性固體電介質的電導主要是由雜質離子造成的，純凈介質的電阻率ρ可達1017~1019Ω·cm。對于偶極性固體電介質，因本身分子能離解，所以其電導是由其本身和雜質離子共同造成的，電阻率較小，最高的可達1015~1016Ω·cm。對于離子性電介質，電導的大小和離子本身的性質有關。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的電導較大。結構緊密、潔凈的離子性電介質，電阻率ρ為1017~1019Ω·cm。結構不緊密且含單價小離子的離子性電介質的電阻率僅為1013~1014Ω·cm。固體電介質的表面電導主要由表面吸附的水分和污物引起，介質表面干燥、清潔時電導很小。介質吸附水分的能力與自身結構有關，石蠟、聚苯乙烯、硅有機物等非極性和弱極性電介質，其分子和水分子的親和力小于水分子的內聚力，表現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，這種固體電介質稱為憎水性介質。玻璃、陶瓷等離子性電介質和偶極性電介質，其分子和水分子的親和力大于水分子的內聚力，表現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，表面電導率很大，這種固體電介質稱為親水性介質。

采取使介質表面潔凈、干燥或涂敷石蠟、有機硅、絕緣漆等措施，可以降低介質表面的電導。

4. 影響電介質電導的主要因素

(1)溫度。離子電導率具有正溫度系數，電介質電導率與溫度的關系如下式所示：

式中：A、B為常數；T為絕對溫度。

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

5.討論電導的意義

(1)電導是絕緣預防性試驗的理論依據，在做預防性試驗時，可利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設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成反比。因此設計用于直流的電氣設備時，要注意所用電介質的電導率，盡量使材料得到合理的使用。

(3)注意環境濕度對固體電介質表面電導的影響及親水性材料的表面防水處理。

3.1.3 電介質的損耗

由前述電介質的極化和電導可以看出，電介質在電場中會產生能量損耗。在外加電壓作用下，電介質在單位時間內消耗的能量稱為介質損耗。