1.電介質(zhì)的電導(dǎo)

1.1 吸收現(xiàn)象

如圖1-8(a)所示，當(dāng)S2處于斷開(kāi)狀態(tài)，合上S1直流電壓U加在固體電介質(zhì)時(shí)，通過(guò)介質(zhì)中的電流將隨時(shí)間而衰減，最終達(dá)到某一穩(wěn)定值，其電流隨時(shí)間的變化曲線如圖1-8(b)所示，這種現(xiàn)象稱為吸收現(xiàn)象。

吸收現(xiàn)象是由電介質(zhì)的極化所引起，無(wú)損極化產(chǎn)生電流i_c，有損極化產(chǎn)生電流i_a，如圖1-8(b)所示。顯然，無(wú)損極化迅速完成，所以i_c即刻衰減到零；而有損極化完成的時(shí)間較長(zhǎng)，所以i_a較為緩慢地衰減到零，這部分電流稱為吸收電流。不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定電流I_g稱為電介質(zhì)的電導(dǎo)電流或泄漏電流。因此，通過(guò)電介質(zhì)的電流由三部分組成，即

                       i=i_c+i_a+I_g                            (1-7)

尚須指出，吸收電流是可逆的，即在圖1-8(a)的電路中，如斷開(kāi)S1，除去外加電壓，并將S2閉合上，使電介質(zhì)兩側(cè)的極板短路，這時(shí)會(huì)有與吸收電流變化規(guī)律相同的電流一i反向流過(guò)，如圖1-8(b)所示。

根據(jù)上述分析，可畫出電介質(zhì)的三支路并聯(lián)等效電路，如圖1-9所示。圖中含有電阻R的支路代表電導(dǎo)電流支路，含有電容C的支路代表無(wú)圍極化引起的瞬時(shí)充電電流支路，而電阻r和電容?C串聯(lián)的支路則代表有損極化引起的吸收電流支路。

吸收現(xiàn)象在絕緣試驗(yàn)中對(duì)判斷絕緣介質(zhì)是否受潮很有用。因?yàn)楫?dāng)絕緣受潮時(shí)，其電導(dǎo)大大增加，電導(dǎo)電流I_g也大大增加，而吸收電流i_a的變化相對(duì)較小，且通過(guò)r很快衰減。據(jù)此，工程上通過(guò)測(cè)量加上直流電壓后t=15s和==60s時(shí)流過(guò)絕緣介質(zhì)的電流I之比來(lái)反映吸收現(xiàn)象的強(qiáng)弱，此比值即為介質(zhì)的吸收比 K，其表達(dá)式為

                                         (1-8)

對(duì)良好的絕緣，一般K≥1.3，當(dāng)絕緣受潮或劣化時(shí)K值變小。此外，在對(duì)吸收現(xiàn)象較顯著的絕緣試驗(yàn)中，如電纜、電容器等設(shè)備，要特別注意出吸收電流聚積起來(lái)的所謂“吸收電荷"對(duì)人身和設(shè)備安全的威脅。

1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)率

理想的絕緣應(yīng)該是不導(dǎo)電的，但實(shí)際上絕對(duì)不導(dǎo)電的介質(zhì)是不存在的。所有的絕緣材料都存在極弱的導(dǎo)電性，表示電導(dǎo)特性的物理量是電導(dǎo)率γ，它的倒數(shù)是電阻率ρ。電工絕緣材料的ρ一般為10⁸～10²⁰Ω·m；導(dǎo)體的ρ為10^-8～10^-4Ω·m；介乎二者之間的為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的ρ為10^-3～10⁷Ω·m。可見(jiàn)絕緣與導(dǎo)體只是相對(duì)而言，二者之間并無(wú)確切的界線。而是人為的劃分。幾種常用介質(zhì)的電阻率列于表1-1。

需要指出，電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有著本質(zhì)的區(qū)別。氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)是由于游離出來(lái)的電子、正離子和負(fù)離子等在電場(chǎng)作用下移動(dòng)而造成的；液體和固體電介質(zhì)的電導(dǎo)是由于這些介質(zhì)中所含雜質(zhì)分子的化學(xué)分解或熱離解形成的帶電質(zhì)點(diǎn)(主要是正、負(fù)離子)沿電場(chǎng)方向移動(dòng)而造成的。因此，電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是離子式電導(dǎo)。金屬的電導(dǎo)是金屬導(dǎo)體中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向流動(dòng)所造成。所以，金屬的電導(dǎo)是電子式電導(dǎo)。此外，電介質(zhì)的電導(dǎo)隨溫度的升高近似于指數(shù)規(guī)律增加，或者說(shuō)其電阻率隨溫度的上升而下降，這恰恰與金屬導(dǎo)電的情況相反。這是因?yàn)椋?dāng)溫度升高時(shí)，電介質(zhì)中導(dǎo)電的離子數(shù)將因熱離解而增加；同時(shí)，溫度升高，分子間的相互作用力減小及離子的熱運(yùn)動(dòng)改變了原有受束縛的狀態(tài)，從而有利于離子的遷移，所以使電介質(zhì)的電導(dǎo)率增加。電介質(zhì)的電導(dǎo)率γ與溫度T之間的關(guān)系式為

                                                         (1-9)

式中：A、B為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

在實(shí)際測(cè)試絕緣的電導(dǎo)特性時(shí)，通常用電阻來(lái)表示，稱為絕緣電阻。由于介質(zhì)中的吸收現(xiàn)象，在外加直流電壓U作用下，介質(zhì)中流過(guò)的電流i是隨時(shí)間而衰減的，因此，介質(zhì)的電阻則隨時(shí)間增加，最后達(dá)到某一穩(wěn)定值。人們將電流達(dá)到穩(wěn)定的泄漏電流I_g時(shí)的電阻值作為電介質(zhì)的絕緣電阻。一般情況下，加在絕緣上的直流電壓大約經(jīng)過(guò)60s，泄漏電流即可達(dá)到穩(wěn)定值，因此常用R_60s的值作為穩(wěn)態(tài)絕緣電阻值R_∞。固體電介質(zhì)的泄漏電流，除了通過(guò)介質(zhì)本身體積的泄漏電流I_v外，還包含有沿金質(zhì)表面的泄漏電流I_s，即I=I_v+I_s。因此，所測(cè)介質(zhì)的絕緣電阻R實(shí)際上是體積電阻R_v和表面電阻R_s相并聯(lián)的等效電阻，即

                                     (1-10)

由于介質(zhì)的表面電阻取決于表面吸附的水分和臟污，受外界條件的影響較大，因此，為消除或減小介質(zhì)表面狀況對(duì)所測(cè)絕緣電阻的影響，一般應(yīng)在測(cè)試之前首先對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行清潔處理，并在測(cè)量接線上采取一定的措施(將在5.2節(jié)中具體介紹)，以減小表面泄漏電流對(duì)測(cè)量的影響。

電介質(zhì)的電導(dǎo)在工程實(shí)際中的意義：

(1)在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)巾，通過(guò)測(cè)量絕緣電阻和泄漏電流來(lái)反映絕緣的電導(dǎo)特性，以判斷絕緣是否受潮或存在其他劣化現(xiàn)象。在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)消除或減小表面電導(dǎo)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)還要注意測(cè)量時(shí)的溫度。

(2)對(duì)于串聯(lián)的多層電介質(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，在直流電壓下的穩(wěn)態(tài)電壓分布與各層介質(zhì)的電導(dǎo)成反比。因此設(shè)計(jì)用于直流的設(shè)備絕緣時(shí)，要注意所用電介質(zhì)的電導(dǎo)率的合理搭配，達(dá)到均衡電壓分布的效果，以便盡可能使材料得到合理使用。同時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)隨溫度的升高而增加，這對(duì)正確使用和分析絕緣狀況有指導(dǎo)意義。

(3)表面電阻對(duì)絕緣電阻的影響使人們注意到如何合理地利用表面電阻。如果要減小表面泄漏電流，應(yīng)設(shè)法提高表面電阻，如對(duì)表面進(jìn)行清潔、干燥處理或涂敷憎水性涂料等；如果要減小某部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，則需減小表面電阻，如在高壓套管法蘭附近涂半導(dǎo)體釉，高壓電機(jī)定子繞組露出槽口的部分涂半導(dǎo)體漆等，都是為了減小該處的電場(chǎng)強(qiáng)度，以消除電暈。