【模塊描述】本模塊介紹液體電介質(zhì)極化、電導(dǎo)和損耗特性，固體電介質(zhì)極化、電導(dǎo)和損耗特性。通過(guò)原理講解、要點(diǎn)分析，了解常用介質(zhì)的總體絕緣性能。

【正文】

一、液體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

1.液體電介質(zhì)的極化

相對(duì)介電系數(shù)ε_r是綜合反映電介質(zhì)極化特性的物理量。常見(jiàn)液體介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)見(jiàn)表TYBZ01403001-1。

表TYBZ01403001-1 常用液體介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)

液體介質(zhì)可分為弱極性、極性、強(qiáng)極性三種。弱極性的液體介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)為1.8～2.8內(nèi)，主要有石油、苯、四氯化碳、硅油、變壓器油等介質(zhì)。極性液體介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)在3～6，如蓖麻油、氯化聯(lián)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(chǎng)中的介質(zhì)損耗較大，不適合用作高壓電氣設(shè)備絕緣材料。強(qiáng)極性液體介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)很大(ε_r＞10)，由于其電導(dǎo)很大，故不適合用作絕緣材料。

2.液體電介質(zhì)的電導(dǎo)

任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性，構(gòu)成液體電介質(zhì)電導(dǎo)的因素主要有兩種：離子電導(dǎo)和電泳電導(dǎo)。

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

電泳電導(dǎo)是由固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成的膠體質(zhì)點(diǎn)吸附離子而帶電造成的，變壓器油中懸浮的小水滴就構(gòu)成電泳電導(dǎo)。

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

表TYBZ01403001-2 液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率γ

溫度升高，液體的電導(dǎo)率會(huì)迅速增加。液體電介質(zhì)電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為

式中A、B——常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度。

雜質(zhì)和水分對(duì)液體電介質(zhì)的絕緣性能影響較大，電氣設(shè)備在運(yùn)行中應(yīng)采取措施去除雜質(zhì)和水分。

3.液體電介質(zhì)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(lái)源于電導(dǎo)，其損耗較小，約10^-4數(shù)量級(jí)，其損耗與溫度的關(guān)系也和電導(dǎo)相似，

極性液體(如蓖麻油、氯化聯(lián)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(dǎo)和極化兩種損耗，其損耗和溫度有較復(fù)雜的關(guān)系，如圖TYBZ01403001-1所示。在低溫時(shí)，極化損耗和電導(dǎo)損耗都較??；隨著溫度的升高，液體的黏度減小，偶極子轉(zhuǎn)向極化增強(qiáng)，電導(dǎo)損耗也在增大，所以總的tanδ亦上升，并在T=T₁時(shí)達(dá)到極大值；在T₁<T<T₂的范圍內(nèi)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)妨礙了偶極子沿電場(chǎng)方向的有序排列，極化強(qiáng)度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過(guò)了電導(dǎo)損耗的增加，所以總的曲線隨T的升高而下降，并在T=T₂時(shí)達(dá)到極小值。在T＞T₂以后，由于電導(dǎo)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(shí)間T的上升而持續(xù)增大。

在實(shí)踐中，tanδ與溫度T的關(guān)系經(jīng)常用到(見(jiàn)表TYBZ01403001-3)，例如，配制黏性浸漬電纜的復(fù)合膠時(shí)，要適當(dāng)選擇松香和變壓器油的比例，使tanδ的極大值不要出現(xiàn)在電纜工作的溫度范圍內(nèi)。

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

二、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

1.固體電介質(zhì)的極化

常見(jiàn)的固體介質(zhì)的介電系數(shù)見(jiàn)表TYBZ0143001-4。中性或弱極性介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)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(wú)機(jī)玻璃。極性介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)一般為3～6，甚至更大，主要有樹(shù)脂、纖維、橡膠、蟲(chóng)膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸。離子性介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)一般在5～8，主要有陶瓷、云母等。

表TYBZ01403001-4 常用液體介質(zhì)的介電系數(shù)

2.固體電介質(zhì)的電導(dǎo)

固休介質(zhì)具有體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)。休積電導(dǎo)是由固體介質(zhì)本身的離了和雜質(zhì)離子構(gòu)成，且雜質(zhì)電導(dǎo)起主要作用。表面電導(dǎo)主要是附著于介質(zhì)表面的水分和污物引起的，其電導(dǎo)的大小受外界因素和介質(zhì)吸附水分的能力有關(guān)。按水滴在介質(zhì)表面的浸潤(rùn)情況分為憎水性和親水性?xún)纱箢?lèi)，石蠟、硅橡膠、氟塑料、硅樹(shù)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(zhì)表面潔凈、干燥或涂數(shù)石蠟、有機(jī)硅、絕緣漆等材料，可減小表面電導(dǎo)。

對(duì)于固體電介質(zhì)，常用絕緣電阻的大小來(lái)反映絕緣性能的優(yōu)劣。由于表面電阻會(huì)受表面臟污或受潮的影響而減小，從而影響電介質(zhì)內(nèi)在絕緣性能好壞的判斷，所以在測(cè)量中要采取擦拭試品、加屏蔽環(huán)等措施消除表面電阻對(duì)絕緣電阻測(cè)量值的影響。

3.固體電介質(zhì)的損耗

固體介質(zhì)種類(lèi)較多，它們的損耗情況也比較復(fù)雜，現(xiàn)分別介紹如下。

(1)無(wú)機(jī)絕緣材料。在電氣設(shè)備中常用的這一類(lèi)材料有云母、陶瓷、玻璃等，它們都是離子式結(jié)構(gòu)晶體材料，但又可分為結(jié)晶態(tài)(云母、陶瓷等)和無(wú)定形態(tài)(玻璃等）兩大類(lèi)。

云母主要是電導(dǎo)引起的損耗，故介質(zhì)損耗值較小，絕緣性能優(yōu)良、耐高溫性能好，是理想的電機(jī)絕緣材料。其缺點(diǎn)是機(jī)械性能差，需先用黏合劑和增強(qiáng)材料加工成云母制品，然后才能付諸使用。

電工陶瓷(簡(jiǎn)稱(chēng)電瓷)既有電導(dǎo)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(jié)晶相為主的超高頻電瓷的tanδ很小。

玻璃也具有電導(dǎo)損耗和極化損耗，總的介質(zhì)損耗大小與玻璃的成分有關(guān)，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(jī)絕緣材料，它們又可分為非極性和極性?xún)纱箢?lèi)。

1)石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等都是非極性有機(jī)電介質(zhì)，其損耗主要由電導(dǎo)引起，而其電導(dǎo)極小，所以介質(zhì)損耗也較小，它們的“tanδ一溫度"特性由“電導(dǎo)率一溫度特性來(lái)決定，tanδ與頻率的關(guān)系很小，例如，在-80～+100℃的溫度范圍內(nèi)，聚乙烯的tanδ變化范圍只有0.01%～0.02%。這種優(yōu)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(xué)穩(wěn)定性，具有彈性、不吸潮、機(jī)械加工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，使它成為很好的固體介質(zhì)，可用來(lái)制造高頻電纜、海底電纜、高頻電容器等。聚乙烯的缺點(diǎn)是耐熱性能較差，溫度較高時(shí)會(huì)軟化變形。沖擊測(cè)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(shù)脂、有機(jī)玻璃、膠木、絕緣紙等均屬于極性有機(jī)電介質(zhì)，顯著的極化損耗使這一類(lèi)電介質(zhì)具有較大的介質(zhì)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(guān)系均與前面介紹過(guò)的極性液體介質(zhì)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(shù)量間的比例。在表TYBZ01403001-5中列出了某些常用固體電介質(zhì)在工頻電壓下20℃時(shí)的tanδ值。

表TYBZ01403001-5 工頻電壓下20℃時(shí)常用固體電介質(zhì)的tanδ值

【思考與練習(xí)】 

1.為什么強(qiáng)極性液體介質(zhì)不適合做絕緣材料？

2.電介質(zhì)的介電性能表現(xiàn)在哪些方面？反映什么物理特性？有什么實(shí)際意義？