液體和固體電介質(zhì)的相對介電系數(shù)與絕緣擊穿強度

電氣設(shè)備中，除了某些地方(如GIS設(shè)備)有采用氣體作為絕緣外，廣泛采用的是固體和液體電介質(zhì)。這是因為固體、液體電介質(zhì)的絕緣強度要比氣體大許多，用它們作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣可以縮小結(jié)構(gòu)尺寸；載流導體的支承需要固體電介質(zhì)；液體電介質(zhì)可兼作冷卻與滅弧介質(zhì)。然而，液體和固體電介質(zhì)的擊穿有各自的特點，與氣體的擊穿有很大的不同。本章討論液體和固體電介質(zhì)在電場強度較高時的擊穿特性，以及在電場強度相對不是很高時，電介質(zhì)中所發(fā)生的極化、電導和損耗物理過程，以及液體、固體電介質(zhì)的老化問題。

第一節(jié) 電介質(zhì)的極化

一、極化的概念與介質(zhì)的相對介電系數(shù)

極化是電介質(zhì)(氣體、液體、固體絕緣介質(zhì))在電場作用(加上電壓后)下發(fā)生物理過程的一種。雖此物理過程在介質(zhì)內(nèi)部進行，但我們可以通過此物理過程的外觀表現(xiàn)來證實極化過程的存在。圖2-1為兩個平板電容器，它們的結(jié)構(gòu)尺寸相同。圖2-1(a)中的電容器極板間為真空，而圖2-1(b)中的電容器極板間為固體電介質(zhì)。我們知道，由于極間介質(zhì)的不同，電容量是不同的，而且尺寸結(jié)構(gòu)相同電容器，真空電容器的電容量是最小的，所以圖2-1(b)電容器的電容量要大于圖2-1(a)電容器的電容量，為什么電容量大呢？這就是用于固體電介質(zhì)在電場作用下發(fā)生極化所致。

圖2-1(a)中，在極板上施加直流電壓U后，兩極板上分別充有電荷量Q=Q₀的正、負電荷。此時

式中ε₀——真空的介電系數(shù)；

A——金屬極板的面積；

d——極間距離；

C₀——極板間為真空時的電容量。

然后，在極間放入一塊厚度與極間距離相等的固體電介質(zhì)，就成為圖2-1(b)所示的電容器，此時電容器的電容量變?yōu)镃

式中 ε——固體電介質(zhì)的介電系數(shù)。

放入固體電介質(zhì)后，極板上的電荷量變成Q

Q=CU

由于C＞C₀，而U不變，所以Q＞Q₀。這表明放入固體電介質(zhì)后，極板上的電荷量有所增加。通過下面的分析可看出這是由于固體電介質(zhì)在極板之間的電場作用下發(fā)生了極化所導致。

電介質(zhì)放入極板間，就要受到電場的作用，介質(zhì)原子或分子結(jié)構(gòu)中的正、負電荷在電場力的作用下產(chǎn)生位移，向兩極分化，但仍束縛于原子或分子結(jié)構(gòu)中而不能成為自由電荷。結(jié)果，在介質(zhì)靠近極板的兩表面呈現(xiàn)出與極板上電荷相反的電的性來，即靠近正極板的表面呈現(xiàn)負的電極性，靠近負極板的表面呈現(xiàn)正的電極性，這些仍保持在電介質(zhì)內(nèi)部的電荷稱為束縛電荷。正由于靠近極板兩表面出現(xiàn)了束縛電荷，根據(jù)異極性電荷相吸的規(guī)律，要從電源再吸取等量異極性電荷Q?到極板上，這就導致了Q=Q₀+ Q?＞Q₀。現(xiàn)在可以對電介質(zhì)的極化下一定義：電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點在電場作用下沿電場方向作有限位移的現(xiàn)象稱為極化。

對于上述平板電容器，放入的電介質(zhì)不同，介質(zhì)極化的強弱程度也不同，極板上的電荷量Q也不同，因此Q/ Q₀就表征在相同情況下不同介質(zhì)極化的不同程度

ε_r稱為電介質(zhì)的相對介電系數(shù)，簡稱介電系數(shù)。它是表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度的物理量，其物理意義表示金屬極板間放入電介質(zhì)后電容量(或極板上的電荷量)比極板間為真空時的電容量(或極板上的電荷量)增大的倍數(shù)。

ε_r值山電介質(zhì)的材料所決定。氣體分子間的間距很大，密度很小，因此各種氣體的ε_r均接近于1。常用的液體、固體介質(zhì)的ε_r大多在2~6之間。不同電介質(zhì)的ε_r值隨溫度、電源頻率的變化規(guī)律一般是不同的。在工頻電壓下為20℃時，一些常用介質(zhì)的ε_r如表2-1所示。

表2-1                常用電介質(zhì)的介電系數(shù)和電導率

二、極化的基本形式

由于電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同，極化過程所表現(xiàn)的形式也不同，極化的基本形式有以下四種。

1.電子式極化

圖2-2為電子式化示意圖，其中圖2-2 (a)為極化前電介質(zhì)的中性原子(假設(shè)只有一個電子)，圖2-2(b)為極化后的原子，從圖中可看出電子的運動軌道發(fā)生了變形，并相對于正電荷的原子核產(chǎn)生了位移。這樣，負電荷的作用中心(橢圓的中心)與正出荷的作用中心不再重合，這種由電子位移所形成的極化就稱為電子式極化。

這種極化的特點為：

(1)極化所需的時間極短，約為10^-15～10^-14s，這是由于電子質(zhì)量極小的緣故。因此，這種極化在各種頻率的外電場作用下均能產(chǎn)生，也就是說ε_r不隨頻率的改變而變化。

(2)極化時沒有能量損耗，這種極化具有彈性，即在外電場去掉后，由于正、負電荷的相互吸引而自動恢復到原來的狀態(tài)，所以極化過程中無能量損耗。

(3)溫度對極化的影響極小。

2. 離子式極化

固體無機化合物(如云母、玻璃、陶瓷等)的分子結(jié)構(gòu)多數(shù)展于離子式結(jié)構(gòu)，其分子由正、負離子構(gòu)成。在無外電場作用時，每個分子中正離子的作用中心(將所有正離子集中于此點時作用效果相同)與負離子的作用中心是重合的，故每個分子不呈現(xiàn)電的極件，如圖2-3(a)所示。在外電場E作用下，正、負離子作有限的位移，使兩者的作用中心不再重合，如圖2-3(b)所示。這樣，每個分子呈現(xiàn)電的正負極性。這種由正、負離子相對位移所形成的極化就稱為離子式極化。

離子式極化的特點為：

(1)極化過程極短。約為10^-13~10^-12s，故極化(或ε_r值)不隨頻率的不同而變化。

(2)極化過程中無能量損耗，這是因這種極化也具有彈性性質(zhì)。

(33溫度對極化有影響。溫度升高時，離子間的結(jié)合力減弱，使極化程度增加；而離子的密度則隨溫度的升高而減小，使極化程度降低。綜合起來，前者影響大于后者，所以這種極化隨溫度升高而增強，即ε_r具有正的溫度系數(shù)(ε_r值隨溫度升高而增大)。

3.偶極子式極化

有些電介質(zhì)的分了，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯、松香、橡膠、膠木等等，在無外電場作用時，其正負電荷作用中心是不重合的，這些電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。組成這些極性介質(zhì)的每一個分子成為一個偶極子（兩個電荷極）。在沒有外電場作用時，由于極子不停的熱運動，拼列混亂，如圖2-4(a)所示，故介質(zhì)靠電極的兩表面不呈現(xiàn)電的極性。在外電場作用下，偶極子受到電場力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向，順電場方向作有規(guī)則的排列，如圖2-4(b)所示，靠電極兩表面呈現(xiàn)出電的極性。這種由于極性電介質(zhì)偶極子分子的轉(zhuǎn)向所形成的極化就稱為偶極子式極化。

偶極子式極化的特點為：

(1)極化所時間較長。約為10^-10~10^-2s，故極化與頻率有較大關(guān)系。頻率很高時，由于偶極子的轉(zhuǎn)向跟不上電場方向的改變，因而極化減弱。

(2)極化過程中有能量損耗。這種極化屬非彈性，偶極了在轉(zhuǎn)向時要克服分子間的吸引力和摩摩力而要消耗能量。

(3)溫度對偶極子極化的影很大。溫度高時，分子熱運動妨礙偶極子順電場方向排列的作用明顯，極化減弱；溫度很低時，分子間聯(lián)系緊密，偶極了轉(zhuǎn)向困難，極化也減弱。以氯化聯(lián)苯為例，其ε_r、f、t三者的關(guān)系如圖2-5所示。

4.空間電荷極化

在實際中，高壓電氣設(shè)備的絕緣采用幾種不同電介質(zhì)組成復合絕緣。即便是采用單一電介質(zhì)，由于不均勾，也可以看成是由幾種不同電介質(zhì)組成，所以討論這種夾層情況下的空間電荷極化更具現(xiàn)實意義。

下面以平行平板電極的雙層電介質(zhì)為例來說明夾層式極化的過程。如圖2-6(a)所示，當開關(guān)S合上，兩電介質(zhì)在電場作用下都要發(fā)生極化。根據(jù)電壓的極性，在兩電介質(zhì)交界面的介質(zhì)Ⅰ側(cè)，積聚正束縛電荷，交界面的介質(zhì)Ⅱ側(cè)積聚負束縛電荷。由于兩電介質(zhì)的不同，極化程度也不同，故交界面處積聚的異號電荷不相等，例如介質(zhì)Ⅰ下部邊緣處積聚的正電荷比介質(zhì)Ⅱ上部邊緣處積聚的負電荷多的話，則在兩介質(zhì)交界面處顯示出正的電極性來。我們將這種使夾層電介質(zhì)分界面上出現(xiàn)電荷積聚的過程稱為夾層式極化。夾層式極化過程是很緩慢的，也就是說經(jīng)過一緩慢過程后，夾層介質(zhì)的分界面上才呈現(xiàn)出某種電荷的極性來。

夾層式極化的具體過程可用圖2-6(b)所示的等值電路來解釋。在等值電路中，C₁、C₂、G₁、G₂分別為介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ的等值電容和電導，為了說明的簡便，全部參數(shù)只標數(shù)值，略去單位.設(shè)

C₁=1，C₂=2，G₁=2，G₂=1，U=3

開關(guān)S在t=0時合上，電壓突然從零升至U作用在兩電介質(zhì)上，這相當于施加一很高率的電壓，故此時兩電介質(zhì)上的電壓按電容成反比分配(由于容抗遠小于電阻)，即

由于u₁+u₂=U=3，所以

此時兩等值電容上電荷分別為

總等值電容為

這表明加壓瞬間，兩電介質(zhì)分界面上的正、負電荷相當，并不呈現(xiàn)電的極性。

之后，出現(xiàn)夾層極化過程。當夾層極化過程結(jié)束，即圖2-6(b)的等值電路合閘后達到穩(wěn)態(tài)(理論上為t→∞)，此時兩介質(zhì)上的電壓按電導反比分壓(由于電流全流過電導)，即

由于u₁+u₂=U=3，所以

此時兩等值電容上電荷分別為

總等值電容為

由此可見，由于夾層式極化，使兩電介質(zhì)分界面上的正、負電荷不相等(在此例中夾層分界面上呈現(xiàn)+3電的極性)以及等值電容的增大。

對于這個例子，夾層式極化過程就是C₁上電壓從2降至1，C₂上電壓從1升至2的過程。而這種電壓的升降都是通過G₁、G₂進行的。由于電介質(zhì)的電導非常小(電阻非常大)，則對應的時間常數(shù)(RC)非常大，這就是為什么夾層極化過程非常緩慢的緣故，一般為幾秒到幾十分鐘，甚至有長達幾小時的，因此這種極化只有在頻率不高時才有意義。顯然，夾層極化過程中有能量損耗。

既然分界面上電荷的積聚過程是緩慢的，那么此電荷的釋放過程也將是緩慢的，為此，具有夾層絕緣的設(shè)備斷開電源后，應短接進行放電以免危及人身安全，大容量電容器不加電壓時要短接即為此原因。

了解電介質(zhì)的極化，在工程上是很有意義的。例如，選擇電容器中的絕緣材料時，選ε_r大的材料，這樣電容器單位電容量的體積和質(zhì)量都可減小。而選擇其他電氣設(shè)備絕緣材料時，一般希望ε_r小一些，例加選用ε_r小一些的材料作交流電力電纜的絕緣可減小電纜工作時的充電電流以及因極化引起的發(fā)熱損耗。由于多種電介質(zhì)串聯(lián)時，各電介質(zhì)中的電場強度與它們的介電系數(shù)ε_r成反比，因此在幾種絕緣材料組合使用時，要注意各絕緣介員ε_r值的合理分配，以使各絕緣介質(zhì)層中的電場強度盡均勻分布。