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講述液體、固體絕緣材料電阻率及擊穿電壓性能測試
閱讀：1000發(fā)布時間：2024-2-21
液體及固體介質(zhì)的電氣性能
絕緣材料(常稱為電介質(zhì)),，具有很高的電阻率(通常為106～109Ω·m)是電工中應用廣泛的一類材料,。除了氣體外，還應用固體,、液體材料,。固體材料除了做絕緣外，還可用做載流導體的支承,，或作為極間屏障,，以提高氣體或液體間隙的絕緣強度。液體絕緣材料,，還常作為載流導體或磁導體(鐵芯)的冷卻劑,，在某些開關電器中可用它做滅弧材料,。因此,，對液體、固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及它們在電場作用下新發(fā)生的物理現(xiàn)象的研究,，能使我們了解并確定它們的電,、熱、機械,、化學,、物理等方面的性能。木章主要講述液體,、固體電介質(zhì)的電氣性能及影響其擊穿電壓的因素,，從而了解判斷其絕緣老化或損壞程度,，合理地選擇和使用絕緣材料。研究絕緣材料在電場作用下的物理現(xiàn)象是高壓電氣設備絕緣預防性試驗的基礎知識,。
第一節(jié) 電介質(zhì)的極化
由大小相等,，符號相反、彼此相距為d的兩電荷(+q,、-q）所組成的系統(tǒng)稱為偶極子,。偶極子極性的大小和方向用偶極矩來表示，偶極矩的大小為正電荷(或負電倚)的電量q與正,、負電荷間距離d的乘積,，方向由負電荷指向電荷。
電介質(zhì)內(nèi)分子問的結(jié)合力稱為分子鍵,，分子內(nèi)相鄰原子間的結(jié)合力稱為化學鍵,，根據(jù)原子結(jié)合成分子的方式的不同，比介質(zhì)分子的化學鍵分為離子鍵和共價鍵兩類,，分子的化學鍵類型取決于構(gòu)成分子的原子間電負性差異的大小,。原子的電負性是指原子獲得電子的能力。當電負性相差很大的原子相遇時,，電負性小的原子（金屬元素)的價電子將被電負性大的原子(非金屬元素)所奪去,，得到電子的原子形成離子，失去電子的原子形成正離子,，正,、負離子通過靜電引力結(jié)合成分子，這種化學鍵稱為離子冠,，當電負性相等或相差不大的兩個或多個原子相互作用時,，原子間則通過共用電子對結(jié)合成分子，這種化學健稱為共價鍵
化學鍵的極性可用鍵矩(即化學鍵的極矩)來表示,，離子鏈中正,、負離子形成一個很大的鍵矩，因此它是一種強極性鍵,，共價鍵中,，電負性相同的原子組成的共價鍵為非極性共價鍵，電負性不同的原子組成的共價鍵為極性共價鍵：由非極性共價鍵構(gòu)成的分子是非極性分子,。由極性共價鍵構(gòu)成的分子,，如果分子由一個極性共價鍵組成，則為極性分子,；如果分子由兩個或多個極性共價鍵組成,，結(jié)構(gòu)對稱者為非極性分子，結(jié)構(gòu)不對稱為極性分子
分子由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)稱為離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì),。分子由共價鍵構(gòu)成,，且分子為非極性分子的電介質(zhì)稱為非極性電介質(zhì),，分子為極性分子的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。
如圖2-1所示,，先將平行板電容器放在密封容器內(nèi),，并將極板間抽成真空，在極板上施加直流電壓U,，這時極板上分別出現(xiàn)正,、負電荷，其電荷量為Q0,，如圖2-1(a)所示,，然后把一塊固體介質(zhì)(厚度與極間距離d相同)放于極間，施加同樣電壓,，就可發(fā)現(xiàn)極板上的電荷增加到Q0+Q’如圖2-1(b)所示,。這是因為在外加電場作用下，使介質(zhì)中彼此中和的正,、負電荷產(chǎn)生位移,，形成電矩，在極板上另外吸住了一部分電荷Q’,，所以極板上電荷增加了,，此現(xiàn)象為極化引起。極間真空時的電容可用下式表示
氣體的εr接近于1,，而常用的液體,、固體絕緣的εr則各不相同，一般為2～6,。各種介質(zhì)的εr與溫度,、電源頻率的關系也不一致，且與報化形式有關,。
極化種類較多,，基本形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種,。
一,、電子式極化
物質(zhì)是由分子或離子構(gòu)成，構(gòu)成分子的原子則為具有帶正電的核與帶負電的電子所組成,，其電荷量彼此相等,。無外電場作用時(E=0)正負電荷的作用中心重合,，原子對外部呈中性,，如圖2-2(a)所示。
當有外電場時(E≠0),，如圖2-2(b)所示,。此時電子軌道對原子核發(fā)生位移,，其作用中心與原子核的正電荷不再重合：正負電荷作用中心分開，對外呈現(xiàn)出一偶極子的形態(tài),，其極化強度(即正負電荷作用中心拉開的距離)隨外電場的增加而增加,。這種極化的特點為：
(1)極化過程極快(因電子質(zhì)量極小)，約為10-15s,。所以這種極化在各種頻率范圍均能產(chǎn)生,，即其εr不隨頻率而變化。
(2)具有彈性,，外電場除去后,，依靠正負電荷的吸引力，其作用中心又會重合而呈現(xiàn)中性,，所以這種極化沒有損耗,。
溫度對電子式極化的影響不大。當溫度升高時,，電子與原子核的結(jié)合力減弱,，使極化略有加強；但溫度升高時,，介質(zhì)膨脹,，單位體積內(nèi)質(zhì)點減少，又使極化減弱,。在這兩種相反的作用中,，后者略占優(yōu)勢，所以εr具有很小的負溫度系數(shù),，即溫度升高時εr略有下降,，其變化不大，工程上可予以忽略,。
電子式極化存在于一切氣體,、液體、固體介質(zhì)中,。
二,、離子式極化
固體無機化合物多屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母,、陶瓷材料等,。無外電場時，正負離子作用的中心是重合的,，故不呈現(xiàn)極性,，在外電場作用下，正負離子向相應電極編移,，使整個分子呈現(xiàn)極性（圖2-3),。離子式極化也屬彈性極化,，幾乎沒有損耗；極化過程也很快,，不超過
10-13s,，所以在使用的頻率范圍內(nèi)可認為εr與頻率無關。
溫度對離子式極化的影響,，也存在相反的兩種因素,，即離子間結(jié)合力隨溫度升高面降低，使極化程度增加,；但離子的密度隨溫度升高而減小,，可使極化程度降低，其中以第一種因素影響較大,，所以εr具有正溫度系數(shù),。
三、偶極子極化
某些物質(zhì)是由偶極分子組成,。偶極分子是一種特殊的分子,，它的電子的作用中心和原子核不相重合，好像分子的一端帶正電荷,，而另一端帶負電荷,，因而形成一個偶極矩如圖2-4(a)所示。具有偶極子的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)：例如蓖麻油,、氯化聯(lián)苯,、橡膠、膠木和纖維素等均是常用的極性絕緣材料,。
單個的偶極子雖然具有極性,，但無外電場作用時，偶極子處在不停的熱運動中,，分布異?；靵y，對外的作用互相抵消,，所以整個介質(zhì)是不呈現(xiàn)極性的,。在電場作用下，原來混亂分布的極性分子順電場方向轉(zhuǎn)動,，作較有規(guī)律的排列,，如圖2-4(b)，因而呈現(xiàn)極性,。
偶極子式極化是非彈性的,，極化時消耗的電場能量在復原時不可能全部收回(因極性分子旋轉(zhuǎn)時要克服分子間的吸引力，可想象為分子在一種黏性媒質(zhì)中旋轉(zhuǎn)時阻力很大一樣)，極化所需的時間也較長,，約10-10～10-2s,。因此,，極性介質(zhì)的εr與電源頻率有較大的關系,。頻率很高時偶極子來不及跟隨外電場轉(zhuǎn)動。因而其εr減小,。圖2-5給出極性液體—蘇伏油(氯化聯(lián)苯)的相對介電系數(shù)與溫度,，圖中頻率f1＜f2＜f3的關系。
溫度對極性電介質(zhì)的εr有很大的影響,。溫度升高時,，分子間聯(lián)系減弱，使極化加強,；但同時分子熱運動加劇,， 妨礙它們有規(guī)則的運動，這又使極化減弱,。所以極性電介質(zhì)的εr最初隨溫度的升高而增加,；以后，當熱運動變得較強烈時,，εr又隨溫度上升而減小,。
綜上所述可知：
(1)氣體介質(zhì)由于密度很小，也即單位體積內(nèi)所含分子的數(shù)目很少,，所以不論是非極性氣體還是極性氣體,，其εr均很小，在工程上可近似地認為其等于1,，
(2)液體介質(zhì)可分為非極性,、極性與強極性三種。非極性(或弱極性)液體的εr在1.8～2.5,，變壓器油等礦物油即屬此類,。極性液體的εr在3～6，如蓖麻油,、氯化聯(lián)苯即屬此類,。強極性液體如酒精、水等,，其εr很大(e.＞10),，但此種液體介質(zhì)的電導也很大，所以不能用作絕緣材料,。
(3)固體介質(zhì)的情況較復雜,，用作高壓設備絕緣材料的極性介質(zhì)（如酚醛樹脂，聚氯乙烯等)，非極性介質(zhì)(聚乙烯,，聚苯乙烯等),，以及離子性固體介質(zhì)(如云母、陶瓷等),，其εr約在2～10,。還有一些εr很大的固體介質(zhì)，如鈦酸鋇等εr＞1000,，不能用作高壓絕緣材料,。
四、夾層式極化
高壓設各的絕緣花往由幾種不同的材料組成,，這時會產(chǎn)生“夾層介質(zhì)極化"現(xiàn)象,。這種極化的過程特別緩慢，而且伴隨有介質(zhì)損耗,。
為了分析的簡便,，以平行電極間的雙層介質(zhì)為例，如圖2-6所示：在圖中右面是它的等值電路,。外施電壓為直流,，在合閘瞬間，兩層介質(zhì)之間的電壓與各層電容成反比(突然合閘瞬間相當于很高的頻率),，即
所以合閘后,，兩層介質(zhì)之間有一個電壓重新分配的過程，也即C1,、C2上的電荷要重新分配,。
設C1＞C2而g1＜g2，則t=0時,，U2＞U1,；t→∞時，U1＞U2,。 即t=0以后,，U2逐漸下降而U1逐漸增大(因為U1+ U2= U是常數(shù))。 也即U2上的一部分電荷要通過g2放掉,，而C1則要從電源再吸收一都分電荷—稱吸收電荷,， 所以夾層的存在使整個介質(zhì)的等值電容增大，因而稱為夾層介質(zhì)極化,。
五,、電介質(zhì)極化在工程實際中的應用
(1)選擇電容器的絕緣材料時，一方面要注意電氣強度,，另外則希望εr大,。這樣，電容器單位容量的體積和重量便可減小，但其他絕緣結(jié)構(gòu)則往往希望材料的εr要小些,。例如電纜的絕緣材料,，其εr小時可使工作時充電電流減小。
(2)一般在高壓設備中常是幾種絕緣材料組合使用,，這種情況下更要注意各材料εr值的配合,。
當數(shù)種絕緣材料合用時，不同成分材料的介電系數(shù)的比值關系,，常影響整個絕緣系統(tǒng)中電壓分布,，使外加電壓的大部分常為介電系數(shù)小的材料所負擔,，因而降低了整個設備的絕緣能力,。如圖2-7所示，設有厚度為d1,、d2的兩種材料1,、2，并用它們來負擔兩電極間的絕緣,。這兩種材料的介電系數(shù)分別為ε1,、ε2，電容量分別為C1,、C2,。當施以交流電壓U后，若略去材料的電導不計,，s則有
假設ε?＜ε?,，則E?＞E?,即在介電系數(shù)小的材料中承受較大的電場強度；反之,，在介電系數(shù)大的材料中承受較小的電場強度,。如果有氣泡存在于材料中，氣體的介電系數(shù)小,，可以使其先行游離,，使整個材料的絕緣能力降低。
(3)材料的介質(zhì)損耗與極化形式有關,，而介質(zhì)損耗是影響絕緣老化和熱擊穿的一個重要因素
(4)夾層介質(zhì)極化現(xiàn)象在絕緣預防性試驗中,，可用來判斷絕緣受潮的情況。在使用電容器等電容量很大的設備時,，必須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅,。s
第二節(jié) 電介質(zhì)的電導(或絕緣電阻)
任何電介質(zhì)總有一些聯(lián)系弱的帶電質(zhì)點存在，在電場作用下,，它們可作有方向的運動構(gòu)成電流,，因而任何電介質(zhì)都具有一定的電導。在加直流電壓U于介質(zhì)時，初瞬間由于各種極化過程的存在,，流過介質(zhì)中的電流是隨時間變化的,，在一定時間后，極化過程結(jié)束,，流過介質(zhì)的電流趨于一定值I(泄漏電流),，與此對應的電阻稱電介質(zhì)的絕緣電阻(R∞)，可用下式求得
對固體介質(zhì),，它應包括絕緣的體積絕緣電阻與表面絕緣電阻兩部分,。
如果要把絕緣的體積泄漏與表面泄漏分開，應在測量回路中加輔助電極,，使表面造游不通過測量表計,。
介質(zhì)的絕緣電阻決定著介質(zhì)中的泄漏電流，它將引起介質(zhì)發(fā)熱,，加速絕緣老化,。
介質(zhì)電導(絕緣電阻之倒數(shù))與金屬電導不同，它比金屬的電導小得多,，且為離子性的（金屬的電導是電子電導),，故與溫度有關。溫度越高,，參與漏導的離子(介質(zhì)本身或雜質(zhì)的)越多,，即電導電流越大，所以介質(zhì)電阻具有負的溫度系數(shù)(金屬電器的溫度系數(shù)是正值),。
圖2-8給出了直流電壓作用下流過介質(zhì)的電流變化情況,。i1為電容電流分量，它是由加壓初瞬電極間的幾何電容,，以及介質(zhì)中的電子式或離子式極化過程所引起的電流,，i1存在時間很短，可認為瞬間完成的,。i2為吸收電流分量,，是由偶極式極化或夾層極化所引起，其存在時間較長,，約為幾分至數(shù)十分鐘,，有損耗。i2與時間軸所夾的面積,，即為吸收電荷,。一般地說吸收現(xiàn)象主要是由不均勻介質(zhì)的夾層極化所引起的。I是泄漏電流(或稱傳導電流),，它與絕緣電阻值相對應,，不隨時間變化,。于是介質(zhì)中流過的總電流為
由此可畫出圖2-9的等值電路。其中C0代表無損極化與電極間幾何電容的純電容分支,，C0中流過的電流為i1,；ra、Ca代表有損耗極化電流分支,，其中流過的電流為i2,，即吸收電流；r∞代表泄漏電流分支,，r∞中流過的電流為i∞=I,。
氣體介質(zhì)的電導；在其伏安特性(圖1-1)上,，0a段可視為常數(shù),，此后就不再是常數(shù)了，通常氣體絕緣工作在ab段,。故只要工作在場強低于其擊穿值時,，可不必考慮,。
液體介質(zhì)電導：構(gòu)成液體介質(zhì)電導的因素主要有兩種,。一種是由液體本身的分子和雜質(zhì)的分子離解為離子；另一種是液體中的膠體質(zhì)點(如變壓器油中懸浮的小水滴),，吸附電荷后變成帶電質(zhì)點,。
中性液體的離子電導：主要是由雜質(zhì)離子構(gòu)成(雜質(zhì)電導)，極性液體除雜質(zhì)形成外還有本身分子形成的離子,，故電導率較高,，如前所述，水與精等強極性液體,，本身電導已很大,，不能作為絕緣材料，但在工程中,，介質(zhì)總不免含有一些水分,，它在介質(zhì)中起非常有害的影響。
影響液體介質(zhì)電導的因素主要是雜質(zhì)與溫度,，
固體介質(zhì)的電導分體積電導與表面電導,。體積電導由本身離子和雜質(zhì)離子構(gòu)成，其本身離子電導很小,，故一般在溫度不太高時,，雜質(zhì)電導起主要作用。雜質(zhì)的形成可以是人為的為一定目的而加入的某種成分,，有些是外界侵入的(水分),，故對多孔性材料,，要進行防止水分侵入的處理
因體介質(zhì)的表面，在干燥,、清潔時,，其電導很小。故其表面電導主要是附著于介質(zhì)表面的水分與其他污物引起,。此外也與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關,，對中性、弱極性介質(zhì),、水分在其上不能形成連續(xù)的水珠,，故表面電阻率較高（硅有機物、石蠟等)：有的介質(zhì)部分溶于水,，其電阻率較小(大部分玻璃屬此類),，且與溫度有關。對多孔性介質(zhì),，其表面電阻,、體積電阻均小(纖維材料即屬此類)。
對一些防潮性差的介質(zhì),，要采取表面處理,，以增大其表面電阻，如絕緣子表面涂硅有機物等,。
絕緣電阻在工程實際中的意義：
(1)在預防性試驗中,，以絕緣電阻值判斷絕緣的優(yōu)劣或是否受潮。
(2)多層介質(zhì)在直流電壓下,，電壓分布與電導成反比,，故設計用于直流的設備要注意所用介質(zhì)的電導，應使材料使用合理,。
(3)設計時要考慮絕緣的使用環(huán)境,，特別是濕度。
(4)并非所有情況下均要求絕緣電阻值高,。如高壓套管法蘭附近上半導體釉,，是為改善電壓分布。
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