电介质的极化和电导

知识点：电介质

电介质的电气特性主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，可以用四个主要参数表示：电导率（或绝缘电阻率）、介电常数、介质损耗角正切和击穿电场强度。 前三个参数表征弱电场下，电介质的极化、电导和介质损耗等；第四个参数表征强电场下的放电、闪络以及击穿等。本文主要讲述弱电场下电介质的极化、电导和损耗。

1、极化

1.1、极化现象

在讲极化之前有必要先了解两个基本概念：

（1）电矩：电偶极矩的简称。在物理学里，电偶极矩衡量正电荷分布与负电荷分布的分离状况，即电荷系统的整体极性。

（2）偶极子： 指相距很近的符号相反的一对电荷，一个带有电荷 +q，另一个带有电荷?q 。相距为r 时，偶极子的电偶极矩为：

其中 r 是从负电荷指向正电荷的位移向量，如下图所示：

电介质根据分子的极性可以分为极性电介质和中性电介质两种。极性电介质中，分子的正电荷中心与负电荷中心不重合，例如下图的Hcl和H2o。要注意的是，虽然每个分子的等效电偶极矩不为零，但电介质总体上是呈中性的。

中性电介质中，分子的正电荷中心与负电荷中心重合。此时，分子的等效电偶极矩为0，电介质整体也是呈中性的。

电介质的极化是指电介质在电场的作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移和偶极子的转向。下图为中性电介质中发生弹性位移的示意图，电场作用下电荷中心发生偏移：

极性电介质容易发生转向极化 ：

极化现象中的束缚电荷（极化电荷）具有以下特点： 

a.不能移出电介质；

b. 各向同性的均匀电介质极化时只在其表面出现面极化电荷。

极化的强弱用介电常数的大小来表示 ，与电介质分子的极性强弱有关，还受到温度和外加电场频率等因素的影响。

1.2、相对介电常数

以不同电介质形成的平行板电容器电容量变化为例，介绍相对介电常数的概念。下图中所示的平行板电容器，施加直流电压后，会在极板间的电介质表面产生束缚电荷，在电极上感应出异号的电荷，使得等效的电容量也发生变化。使用不同的电介质，等效的电容量也不一样。

假设在插入电介质之前电极之间是真空的，电容器的带电量为Q 0 ，插入之后带电量为Q，可以用下式计算得到：

定义相对介电常数为：

相对介电常数是综合反映电介质极化特性的一个物理量，下表列出了常见电介质在20℃时工频电压下的相对节点常数值。气体介质由于密度很小，相对介电常数接近于1，而固体和液体介质的大多在2-6之间。

1.3、电介质的极化种类

（1）电子式极化

在外电场E的作用下，介质原子钟的电子运动轨道将相对于原子核发生弹性位移。

电子式极化存在于一切电介质中；极化所需的时间极短，约10^-15 s ；属弹性位移，没有能量损耗；相对介电常数不随频率变化。

（2）离子式极化

发生于离子式结构的固体无机化合物中，是在电场的作用下，正负离子发生弹性位移的现象，所需要的时间也很短10^-13s。极化具有弹性，无能量损耗。相对介电常数会随着温度升高而增大。

（3）偶极子极化

发生于极性电介质中，例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介质对外并不表现出极性。当施加外电场后：偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，因而显出极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。

偶极子极化是非弹性的，极化消耗能量；极化所需时间较长（10^-10~10^-2s），相对介电常数与电源频率有很大关系；温度过高或过低，相对介电常数参数都会减小。   

（4）夹层极化  

不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在外部电场作用下，各层电压从开始按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压分配的过程中，夹层上会积聚一些电荷，使得整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化（夹层极化）。

以下图的平行板电极间的双层电介质为例作说明，右边为等效的电路图。

分析可得初始时刻和稳态时，电压的分布情况：

假设C 1 ＜C 2 ，而R 1 ＜R 2 ，而且

t=0时：U 1 ＞U 2 ；t=∞时：U 1 ＜U 2 。

则从初始时刻到稳态，U1下降而U2 增高，这意味着电容C 1 要通过电阻R1放掉一部分电荷，而C 2电容要通过电阻 R 2 补充 一部分电荷，分界面上将积聚一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程形成的电流称为吸收电流。这种极化现象存在于复合介质、不均匀介质中，极化过程很缓慢，只在直流和低频交流下表现出来。因为，存在电荷积聚和移动，极化伴随着能量损耗。

（5）不同极化形式的对比

为便于比较，将上述各种极化特征列为下表（这里分析了电子式和离子式的位移极化，还有另一种松弛极化是需要消耗能量的，松弛极化存在于特殊的玻璃或者陶瓷中）:

1.4、讨论电介质极化的意义

（１）不同应用场合，对εr大小的要求不同：

√ 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择εr较大的介质；

√ 对于电缆，为减小电容电流，要选择εr较小的介质。

（２）在交流及冲击电压作用下，要注意各种材料的εr值的配合：

√ 对于多层介质，各层电场强度分布与其εr成反比；

√ 要注意选择εr，绝缘强度大的承担高场强，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理利用。

（3）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿

极化形成和介质损耗有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响。

2、电导

2.1概述

任何介质都不同程度地具有一定的导电性。在电场的作用下，带电粒子沿电场方向移动形成传导（电导）电流。表征电介质导电性能（电导）的主要物理量为电导率γ。在高电压工程中一般常用电阻率ρ来表征介质的绝缘电阻，它和电导率成倒数关系。

电介质的电导按照载流子的不同主要包括电子电导和离子电导两种；电介质中自由电子数量较少，电子电导非常微弱；所以电介质的电导主要是离子电导。

2.2液体和固体的电导

液体中还存在电泳电导，载流子为带电的分子团，主要为乳化状态的胶体粒子。

液体与固体电介质的电导率γ与温度有下述关系：

2.3电介质电导与金属电导的区别 

（1）影响电流的因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。

（2）带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；金属中为自由电子；

（3）电导率的数量级：绝缘材料的电阻率通常在10^8~10^20Ωm之间，电介质的γ 小，泄漏电流小；金属导体的电阻率：10^-8~10^-4Ωm，金属的电导电流很大。

（4）电阻率和温度的关系：温度升高，液体和固体电介质的γ增大，电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温度系数。 

2.4讨论电介质电导的意义

（1）在绝缘预防性试验中，以绝缘电阻值判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象。一般电介质都可以用如图所示的等效电路来代表：          

如绝缘良好，则R和r的值都比较大：不仅使稳定的绝缘电阻值（就是R的值）较高；而且要经过较长的时间才能达到此稳定值。如绝缘受潮，或存在穿透性的导电通道：不仅最后稳定的绝缘电阻值R很低；而且还会很快达到稳定值。

因此，可以用绝缘电阻随时间变化的关系来反映绝缘的状况。通常用加压60s测量的绝缘电阻与加压15s测量的绝缘电阻的比值（称为吸收比）可以有效地判断绝缘的好坏，即:

下图所示为两种不同情况下吸收比的变化： 

温度在10~30℃时，吸收比K＞1.3为合格，上面的那条曲线对应的是绝缘良好的电介质，下面那条为绝缘损坏后的电介质。

（2）多层介质在直流电压下，电压分布与电导成反比，故设计用于直流的设备要注意所用介质的电导，应使材料使用合理。

（3）不是所有的情况下均要求绝缘电阻值高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂半导体釉，高压电机定子绕组出槽口部分涂半导体釉等，都是为了改善电压分布，消除电晕。

（4）设计时要考虑绝缘的使用环境，特别是湿度的影响。有时需要作表面防潮处理，如在胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。  

3、介质损耗

3.1 概述

电介质在电场作用下的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。

直流电压作用下，没有周期性的极化过程，介质损耗主要表现为电导损耗，用体积电导率和表面电导率表征就可以。交流电压作用下，同时存在电导和极化损耗，能量损耗包括有功和无功两部分，通常将有功功率损耗部分称为介质损耗。 

电介质可以等效成下图所示的三支路等效电路。

其中，C 1 支路代表无损极化，C 2 -R 2 支路代表有损极化，R 3 支路代表电导损耗。

3.2 电介质在直流电压作用下的吸收现象

在上述三支路等效电路中，施加直流电压时，电介质中流过的电流逐渐衰减为零的现象称为吸收现象。该电流可以分为充电电流、吸收电流和传导电流三部分，如下图所示。

充电电流在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是存在时间短暂的充电电流；吸收电流则随着加压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，需要数十分钟才衰减到零；泄漏电流是长期存在的电流分量。表示直流电压作用下，流过电介质的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线。

3.3 在交流电压作用下的向量图

交流电压作用下，三部分电流都会长期存在，这时候总电流变成三者的向量和，如下图所示，吸收电流可以分解成无功和有功两部分：

介质损耗角 δ 为功率因数角 φ 的余角。其正切 tgδ 又可称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。

以上三支路等效电路可以进一步简化为电阻、电容的并联等值电路或串联等值电路。不过要注意的是，所述等值电路只有计算上的意义，不能确切地反映介质的物理过程。

（1）并联等值电路

若介质损耗主要由电导所引起，常采用并联等值电路； 并联等值电路以及电流向量图如下图所示：

通过以下计算式可以得到介质损耗以及介质损耗角正切的计算公式：

（2）串联等值电路

如果介质损耗主要由极化所引起，则通常采用串联等值电路。

同样可以算出介质损耗和介质损耗角正切：

两种等值电路的电容之间的关系如下式：

因此，在测量 tgd时设备的电容量计算公式与采用哪一种等值电路有关。但由于绝缘的 tgd一般很小， 1+tg2d?1，故 Cp?CS。此时，并、串联等值电路的介质损耗表达式可用同一公式表示： P=U2 w C tgd。

介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容量、电源频率等许多因素有关，所以不方便通过P值大小反应介质损耗特性。而 tg d 是一个仅取决于材料本身的损耗特征，而与上述种种因素无关的物理量，所以通常用 tg d  来反映介质损耗特性优劣。

3.4 气体介质的损耗

气体的 tgδ随外加电压的变化如下图所示，当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（tgδ<10^-8）。但当外施电压U 超过电晕起始电压U 0时，将发生局部放电，损耗急剧增加。

气体的局部放电通常发生在固体或液体介质中存在的气泡中。因为固体液体的相对介电常数比气体介质大很多，使得即使外加电压不高时，气泡中也会出现很大电场强度导致局部放电。

3.5 液体介质的损耗

中性或弱极性液体介质：主要是电导损耗，极化损耗较小。介质损耗角正切与温度、电场强度等因素的关系如下图所示。

极性液体及极性和中性液体的混合油：同时存在电导和极化损耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系。介质损耗角正切和温度的关系如下图所示。0-t1 阶段，温度升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，极化损耗和电导损耗都增加，在t1达到极大值；t1-t2阶段，温度升高，分子热运动加快，妨碍偶极子沿电场有序排列，极化强度减弱，极化损耗减小超过电导损耗的增加，在t2处达到极小值；t2以后，电导损耗占主要部分，而且随温度升高急剧上升。

介质损耗角正切和介电常数随频率变化的曲线如下图，当频率较小时，偶极子的转向完全能跟上电场的变化，极化充分发展，此时介电常数最大。但偶极子单位时间的转向不多，极化损耗小，tanδ也小。当频率很小时，因为电容电流减小，tanδ稍有增加。随着频率的增大，转向极化逐渐跟不上电场的变化，转向极化不充分，介电常数开始下降。但由于转向频率增大，转向导致的极化损耗增大，但电容电流不与频率成正比增大，会在某些频率范围，使得tanδ增加。频率更高时，转向极化跟不上电源频率，损耗功率趋于恒定，介电常数也达到较低的稳定值，电容电流与频率成比例增长，于是tanδ减小。

3.6 固体介质的损耗

固体介质种类较多，损耗情况也比较复杂，需要分类介绍：

中性固体介质如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起，tanδ通常很小。

极性固体介质如纸、聚氯乙烯、有机玻璃等，既有电导损耗也有极化损耗，故tanδ值较大。

离子式结构的固体介质，其tanδ与结构特性有关：结构紧密且不含使晶格畸变的杂质的离子晶体，如云母，其损耗主要由电导引起，tanδ极小。结构不紧密的离子结构中，存在有损耗的离子松弛极化，故介质的tanδ较大，玻璃、陶瓷属此类。

下表列出了20℃工频条件下，常见绝缘材料的介质损耗角正切值。

3.7 讨论介质损耗的意义

（1）用做绝缘材料的介质，希望tanδ小。若tanδ过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。

（2）可以利用tanδ引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程。

（3）在绝缘试验中，tanδ的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tanδ将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tanδ~U的关系曲线加以判断。

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