液體電介質的極化、電導和損耗

【模塊描述】本模塊介紹液體電介質極化、電導和損耗特性，固體電介質極化、電導和損耗特性。通過原理講解、要點分析，了解常用介質的總體絕緣性能。

【正文】

一、液體電介質的極化、電導和損耗

1.液體電介質的極化

相對介電系數ε_r是綜合反映電介質極化特性的物理量。常見液體介質的相對介電系數見表TYBZ01403001-1。

表TYBZ01403001-1 常用液體介質的相對介電系數

液體介質可分為弱極性、極性、強極性三種。弱極性的液體介質的相對介電系數為1.8～2.8內，主要有石油、苯、四氯化碳、硅油、變壓器油等介質。極性液體介質的相對介電系數在3～6，如蓖麻油、氯化聯苯，若它們作為電容器的浸漬劑，可使電容器的電容量增大，由于在交流電場中的介質損耗較大，不適合用作高壓電氣設備絕緣材料。強極性液體介質的相對介電系數很大(ε_r＞10)，由于其電導很大，故不適合用作絕緣材料。

2.液體電介質的電導

任何電介質都不同程度地具有一定的導電性，構成液體電介質電導的因素主要有兩種：離子電導和電泳電導。

離子電導是由液體本身或雜質的分子解離的離子決定，離子電導的大小和分子極性及液體的純凈程度有關。

電泳電導是由固體或液體雜質以高度分散狀態懸浮于液體中形成的膠體質點吸附離子而帶電造成的，變壓器油中懸浮的小水滴就構成電泳電導。

表征電介質導電性能的要物理量為電導率γ或其倒數電阻率ρ。純凈的非極性液體電介質的電阻率ρ可達10¹⁸Ω·cm，弱極性電介質的電阻率ρ可達10¹⁵Ω·cm。強極性液體如水、乙醇等實際上已是離子性導電液了，不能用作絕緣材料。表TYBZ01403001-2列出了某些液體的電導率。

表TYBZ01403001-2 液體電介質的電導率γ

溫度升高，液體的電導率會迅速增加。液體電介質電導率與溫度的關系為

式中A、B——常數；

T——絕對溫度。

雜質和水分對液體電介質的絕緣性能影響較大，電氣設備在運行中應采取措施去除雜質和水分。

3.液體電介質的損耗

中性液體(如氯化碳、苯等)以及弱極性液體(如純凈的變壓器油)的損耗要來源于電導，其損耗較小，約10^-4數量級，其損耗與溫度的關系也和電導相似，

極性液體(如蓖麻油、氯化聯苯等)以及極性與中性液體的混合物(如電纜膠是松香和變壓器油的混合物)都具有電導和極化兩種損耗，其損耗和溫度有較復雜的關系，如圖TYBZ01403001-1所示。在低溫時，極化損耗和電導損耗都較小；隨著溫度的升高，液體的黏度減小，偶極子轉向極化增強，電導損耗也在增大，所以總的tanδ亦上升，并在T=T₁時達到極大值；在T₁<T<T₂的范圍內，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導損耗的增加，所以總的曲線隨T的升高而下降，并在T=T₂時達到極小值。在T＞T₂以后，由于電導損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而曲線就隨時間T的上升而持續增大。

在實踐中，tanδ與溫度T的關系經常用到(見表TYBZ01403001-3)，例如，配制黏性浸漬電纜的復合膠時，要適當選擇松香和變壓器油的比例，使tanδ的極大值不要出現在電纜工作的溫度范圍內。

表TYBZ01403001-3 工頻電壓下20℃時，某些常用的液體的tanδ值

二、固體電介質的極化、電導和損耗

1.固體電介質的極化

常見的固體介質的介電系數見表TYBZ0143001-4。中性或弱極性介質相對介電系數范圍通常在2.0～2.7，主要有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機玻璃。極性介質的相對介電系數一般為3～6，甚至更大，主要有樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機玻璃、聚氯乙烯和滌綸。離子性介質的相對介電系數一般在5～8，主要有陶瓷、云母等。

表TYBZ01403001-4 常用液體介質的介電系數

2.固體電介質的電導

固休介質具有體積電導和表面電導。休積電導是由固體介質本身的離了和雜質離子構成，且雜質電導起主要作用。表面電導主要是附著于介質表面的水分和污物引起的，其電導的大小受外界因素和介質吸附水分的能力有關。按水滴在介質表面的浸潤情況分為憎水性和親水性兩大類，石蠟、硅橡膠、氟塑料、硅樹脂等都屬于憎水性材料，云母、陶瓷屬于親水性材料。采用使介質表面潔凈、干燥或涂數石蠟、有機硅、絕緣漆等材料，可減小表面電導。

對于固體電介質，常用絕緣電阻的大小來反映絕緣性能的優劣。由于表面電阻會受表面臟污或受潮的影響而減小，從而影響電介質內在絕緣性能好壞的判斷，所以在測量中要采取擦拭試品、加屏蔽環等措施消除表面電阻對絕緣電阻測量值的影響。

3.固體電介質的損耗

固體介質種類較多，它們的損耗情況也比較復雜，現分別介紹如下。

(1)無機絕緣材料。在電氣設備中常用的這一類材料有云母、陶瓷、玻璃等，它們都是離子式結構晶體材料，但又可分為結晶態(云母、陶瓷等)和無定形態(玻璃等）兩大類。

云母主要是電導引起的損耗，故介質損耗值較小，絕緣性能優良、耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料。其缺點是機械性能差，需先用黏合劑和增強材料加工成云母制品，然后才能付諸使用。

電工陶瓷(簡稱電瓷)既有電導損耗，也有極化損耗。20℃和50Hz下電瓷的tanδ=2%～5%。不同成分的陶瓷，其值也相差懸殊。含有大量玻璃相的普通電瓷的tanδ較大，而以結晶相為主的超高頻電瓷的tanδ很小。

玻璃也具有電導損耗和極化損耗，總的介質損耗大小與玻璃的成分有關，含堿金屬氧化物(Na₂O、K₂O等)的玻璃損耗較大，加入重金屬氧化物(BaO、PbO等)能使堿玻璃的損耗下降一些。

(2)有機絕緣材料，它們又可分為非極性和極性兩大類。

1)石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等都是非極性有機電介質，其損耗主要由電導引起，而其電導極小，所以介質損耗也較小，它們的“tanδ一溫度"特性由“電導率一溫度特性來決定，tanδ與頻率的關系很小，例如，在-80～+100℃的溫度范圍內，聚乙烯的tanδ變化范圍只有0.01%～0.02%。這種優良的絕緣特性可保持到高頻的情況，再加上它具有很高的化學穩定性，具有彈性、不吸潮、機械加工簡便等優點，使它成為很好的固體介質，可用來制造高頻電纜、海底電纜、高頻電容器等。聚乙烯的缺點是耐熱性能較差，溫度較高時會軟化變形。沖擊測量用的電纜就是用聚乙烯絕緣的。

 2)聚氯乙烯、纖維板、酚醛樹脂、有機玻璃、膠木、絕緣紙等均屬于極性有機電介質，顯著的極化損耗使這一類電介質具有較大的介質損耗，它們的tanδ約為0.1%～1.0%，甚至更大。其“tanδ一溫度"及“tanδ一頻率"關系均與前面介紹過的極性液體介質相似。

油浸紙絕緣等，它們的損耗取決于其中各成分的性能和數量間的比例。在表TYBZ01403001-5中列出了某些常用固體電介質在工頻電壓下20℃時的tanδ值。

表TYBZ01403001-5 工頻電壓下20℃時常用固體電介質的tanδ值

【思考與練習】 

1.為什么強極性液體介質不適合做絕緣材料？

2.電介質的介電性能表現在哪些方面？反映什么物理特性？有什么實際意義？