液体及固体材料的电气击穿电压性能

液体及固体介质的电气性能

绝缘材料(常称为电介质)，具有很高的电阻率(通常为10⁶～10⁹Ω·m)是电工中应用广泛的一类材料。除了气体外，还应用固体、液体材料。固体材料除了做绝缘外，还可用做载流导体的支承，或作为极间屏障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。液体绝缘材料，还常作为载流导体或磁导体(铁芯)的冷却剂，在某些开关电器中可用它做灭弧材料。因此，对液体、固体物质结构以及它们在电场作用下新发生的物理现象的研究，能使我们了解并确定它们的电、热、机械、化学、物理等方面的性能。木章主要讲述液体、固体电介质的电气性能及影响其击穿电压的因素，从而了解判断其绝缘老化或损坏程度，合理地选择和使用绝缘材料。研究绝缘材料在电场作用下的物理现象是高压电气设备绝缘预防性试验的基础知识。

第一节  电介质的极化

由大小相等，符号相反、彼此相距为d的两电荷(+q、-q）所组成的系统称为偶极子。偶极子极性的大小和方向用偶极矩来表示，偶极矩的大小为正电荷(或负电倚)的电量q与正、负电荷间距离d的乘积，方向由负电荷指向电荷。

电介质内分子问的结合力称为分子键，分子内相邻原子间的结合力称为化学键，根据原子结合成分子的方式的不同，比介质分子的化学键分为离子键和共价键两类，分子的化学键类型取决于构成分子的原子间电负性差异的大小。原子的电负性是指原子获得电子的能力。当电负性相差很大的原子相遇时，电负性小的原子（金属元素)的价电子将被电负性大的原子(非金属元素)所夺去，得到电子的原子形成离子，失去电子的原子形成正离子，正、负离子通过静电引力结合成分子，这种化学键称为离子冠，当电负性相等或相差不大的两个或多个原子相互作用时，原子间则通过共用电子对结合成分子，这种化学健称为共价键

化学键的极性可用键矩(即化学键的极矩)来表示，离子链中正、负离子形成一个很大的键矩，因此它是一种强极性键，共价键中，电负性相同的原子组成的共价键为非极性共价键，电负性不同的原子组成的共价键为极性共价键：由非极性共价键构成的分子是非极性分子。由极性共价键构成的分子，如果分子由一个极性共价键组成，则为极性分子；如果分子由两个或多个极性共价键组成，结构对称者为非极性分子，结构不对称为极性分子

分子由离子键构成的电介质称为离子结构的电介质。分子由共价键构成，且分子为非极性分子的电介质称为非极性电介质，分子为极性分子的电介质称为极性电介质。

如图2-1所示，先将平行板电容器放在密封容器内，并将极板间抽成真空，在极板上施加直流电压U，这时极板上分别出现正、负电荷，其电荷量为Q₀，如图2-1(a)所示，然后把一块固体介质(厚度与极间距离d相同)放于极间，施加同样电压，就可发现极板上的电荷增加到Q₀+Q’如图2-1(b)所示。这是因为在外加电场作用下，使介质中彼此中和的正、负电荷产生位移，形成电矩，在极板上另外吸住了一部分电荷Q’，所以极板上电荷增加了，此现象为极化引起。极间真空时的电容可用下式表示

     (2-1)

式中：A为极板面积(m²)；d为极间距离(m）；ε₀为真空介电系数，ε₀=1/36Π×10⁹F/m。

极间引入固体介质后

   (2-2)

由式(2-1)、式(2-2)可得介质的相对介电系数ε_r，即

   (2-3)

气体的ε_r接近于1，而常用的液体、固体绝缘的ε_r则各不相同，一般为2～6。各种介质的ε_r与温度、电源频率的关系也不一致，且与报化形式有关。

极化种类较多，基本形式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化三种。

一、电子式极化

物质是由分子或离子构成，构成分子的原子则为具有带正电的核与带负电的电子所组成，其电荷量彼此相等。无外电场作用时(E=0)正负电荷的作用中心重合，原子对外部呈中性，如图2-2(a)所示。

当有外电场时(E≠0)，如图2-2(b)所示。此时电子轨道对原子核发生位移，其作用中心与原子核的正电荷不再重合：正负电荷作用中心分开，对外呈现出一偶极子的形态，其极化强度(即正负电荷作用中心拉开的距离)随外电场的增加而增加。这种极化的特点为：

(1)极化过程极快(因电子质量极小)，约为10^-15s。所以这种极化在各种频率范围均能产生，即其ε_r不随频率而变化。

(2)具有弹性，外电场除去后，依靠正负电荷的吸引力，其作用中心又会重合而呈现中性，所以这种极化没有损耗。

温度对电子式极化的影响不大。当温度升高时，电子与原子核的结合力减弱，使极化略有加强；但温度升高时，介质膨胀，单位体积内质点减少，又使极化减弱。在这两种相反的作用中，后者略占优势，所以ε_r具有很小的负温度系数，即温度升高时ε_r略有下降，其变化不大，工程上可予以忽略。

电子式极化存在于一切气体、液体、固体介质中。

二、离子式极化

固体无机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电场时，正负离子作用的中心是重合的，故不呈现极性，在外电场作用下，正负离子向相应电极编移，使整个分子呈现极性（图2-3)。离子式极化也属弹性极化，几乎没有损耗；极化过程也很快，不超过

10^-13s，所以在使用的频率范围内可认为ε_r与频率无关。

温度对离子式极化的影响，也存在相反的两种因素，即离子间结合力随温度升高面降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，可使极化程度降低，其中以第一种因素影响较大，所以ε_r具有正温度系数。

三、偶极子极化

某些物质是由偶极分子组成。偶极分子是一种特殊的分子，它的电子的作用中心和原子核不相重合，好像分子的一端带正电荷，而另一端带负电荷，因而形成一个久性的偶极矩如图2-4(a)所示。具有偶极子的电介质称为极性电介质：例如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木和纤维素等均是常用的极性绝缘材料。

单个的偶极子虽然具有极性，但无外电场作用时，偶极子处在不停的热运动中，分布异常混乱，对外的作用互相抵消，所以整个介质是不呈现极性的。在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场方向转动，作较有规律的排列，如图2-4(b)，因而呈现极性。

偶极子式极化是非弹性的，极化时消耗的电场能量在复原时不可能全部收回(因极性分子旋转时要克服分子间的吸引力，可想象为分子在一种黏性媒质中旋转时阻力很大一样)，极化所需的时间也较长，约10^-10～10^-2s。因此，极性介质的ε_r与电源频率有较大的关系。频率很高时偶极子来不及跟随外电场转动。因而其ε_r减小。图2-5给出极性液体—苏伏油(氯化联苯)的相对介电系数与温度，图中频率f₁＜f₂＜f₃的关系。

温度对极性电介质的ε_r有很大的影响。温度升高时，分子间联系减弱，使极化加强；但同时分子热运动加剧， 妨碍它们有规则的运动，这又使极化减弱。所以极性电介质的ε_r最初随温度的升高而增加；以后，当热运动变得较强烈时，ε_r又随温度上升而减小。

综上所述可知： 

(1)气体介质由于密度很小，也即单位体积内所含分子的数目很少，所以不论是非极性气体还是极性气体，其ε_r均很小，在工程上可近似地认为其等于1，

(2)液体介质可分为非极性、极性与强极性三种。非极性(或弱极性)液体的ε_r在1.8～2.5，变压器油等矿物油即属此类。极性液体的ε_r在3～6，如蓖麻油、氯化联苯即属此类。强极性液体如酒精、水等，其ε_r很大(e.＞10)，但此种液体介质的电导也很大，所以不能用作绝缘材料。

(3)固体介质的情况较复杂，用作高压设备绝缘材料的极性介质（如酚醛树脂，聚氯乙烯等)，非极性介质(聚乙烯，聚苯乙烯等)，以及离子性固体介质(如云母、陶瓷等)，其ε_r约在2～10。还有一些ε_r很大的固体介质，如钛酸钡等ε_r＞1000，不能用作高压绝缘材料。

四、夹层式极化

高压设各的绝缘花往由几种不同的材料组成，这时会产生“夹层介质极化"现象。这种极化的过程特别缓慢，而且伴随有介质损耗。

为了分析的简便，以平行电极间的双层介质为例，如图2-6所示：在图中右面是它的等值电路。外施电压为直流，在合闸瞬间，两层介质之间的电压与各层电容成反比(突然合闸瞬间相当于很高的频率)，即

到达稳态的情况，只有电导电流，层间电压与各层电阻成正比，也就是说和电导成反比，即

若介质是均匀的，则C₁/C₂=g₁/g₂。

因为                          

所以                          

式中: γ₁、γ₂为介质1、2的电导率(s/m)；A为平板电极面积(m²)：d为各层介质的厚度(m)。

当ε₁=ε₂，γ₁=γ₂时，C₁/ g₁= C₂/ g₂。这样可得

也即，如介质均匀，则合闸后两层之间不会发生电荷至新分配的过程。

如介质不均匀，则。

所以合闸后，两层介质之间有一个电压重新分配的过程，也即C₁、C₂上的电荷要重新分配。

设C₁＞C₂而g₁＜g₂，则t=0时，U₂＞U₁；t→∞时，U₁＞U₂。 即t=0以后，U₂逐渐下降而U₁逐渐增大(因为U₁+ U₂= U是常数)。 也即U₂上的一部分电荷要通过g₂放掉，而C₁则要从电源再吸收一都分电荷—称吸收电荷， 所以夹层的存在使整个介质的等值电容增大，因而称为夹层介质极化。

五、电介质极化在工程实际中的应用

(1)选择电容器的绝缘材料时，一方面要注意电气强度，另外则希望ε_r大。这样，电容器单位容量的体积和重量便可减小，但其他绝缘结构则往往希望材料的ε_r要小些。例如电缆的绝缘材料，其ε_r小时可使工作时充电电流减小。

(2)一般在高压设备中常是几种绝缘材料组合使用，这种情况下更要注意各材料ε_r值的配合。

当数种绝缘材料合用时，不同成分材料的介电系数的比值关系，常影响整个绝缘系统中电压分布，使外加电压的大部分常为介电系数小的材料所负担，因而降低了整个设备的绝缘能力。如图2-7所示，设有厚度为d₁、d₂的两种材料1、2，并用它们来负担两电极间的绝缘。这两种材料的介电系数分别为ε₁、ε₂，电容量分别为C₁、C₂。当施以交流电压U后，若略去材料的电导不计，s则有

假设ε₁＜ε₂，则E₁＞E₂,即在介电系数小的材料中承受较大的电场强度；反之，在介电系数大的材料中承受较小的电场强度。如果有气泡存在于材料中，气体的介电系数小，可以使其先行游离，使整个材料的绝缘能力降低。

(3)材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘老化和热击穿的一个重要因素

(4)夹层介质极化现象在绝缘预防性试验中，可用来判断绝缘受潮的情况。在使用电容器等电容量很大的设备时，必须特别注意吸收电荷对人身安全的威胁。