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液體及固體材料的電氣擊穿電壓性能
閱讀：715發(fā)布時(shí)間：2024-3-20
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(yīng)用廣泛的一類材料。除了氣體外,，還應(yīng)用固體,、液體材料,。固體材料除了做絕緣外，還可用做載流導(dǎo)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(qiáng)度。液體絕緣材料,，還常作為載流導(dǎo)體或磁導(dǎo)體(鐵芯)的冷卻劑,，在某些開關(guān)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(jī)械、化學(xué),、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(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(fù)電倚)的電量q與正,、負(fù)電荷間距離d的乘積，方向由負(fù)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(xué)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(xué)鍵分為離子鍵和共價(jià)鍵兩類,，分子的化學(xué)鍵類型取決于構(gòu)成分子的原子間電負(fù)性差異的大小。原子的電負(fù)性是指原子獲得電子的能力,。當(dāng)電負(fù)性相差很大的原子相遇時(shí),，電負(fù)性小的原子（金屬元素)的價(jià)電子將被電負(fù)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(fù)離子通過靜電引力結(jié)合成分子，這種化學(xué)鍵稱為離子冠,，當(dāng)電負(fù)性相等或相差不大的兩個(gè)或多個(gè)原子相互作用時(shí),，原子間則通過共用電子對結(jié)合成分子，這種化學(xué)健稱為共價(jià)鍵
化學(xué)鍵的極性可用鍵矩(即化學(xué)鍵的極矩)來表示,，離子鏈中正,、負(fù)離子形成一個(gè)很大的鍵矩，因此它是一種強(qiáng)極性鍵,，共價(jià)鍵中,，電負(fù)性相同的原子組成的共價(jià)鍵為非極性共價(jià)鍵，電負(fù)性不同的原子組成的共價(jià)鍵為極性共價(jià)鍵：由非極性共價(jià)鍵構(gòu)成的分子是非極性分子,。由極性共價(jià)鍵構(gòu)成的分子,，如果分子由一個(gè)極性共價(jià)鍵組成，則為極性分子,；如果分子由兩個(gè)或多個(gè)極性共價(jià)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(jià)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(shí)極板上分別出現(xiàn)正、負(fù)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?yàn)樵谕饧与妶鲎饔孟?，使介質(zhì)中彼此中和的正,、負(fù)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(shí)的電容可用下式表示
(2-1)
式中：A為極板面積(m2),；d為極間距離(m）,；ε0為真空介電系數(shù)，ε0=1/36Π×109F/m,。
極間引入固體介質(zhì)后
(2-2)
由式(2-1),、式(2-2)可得介質(zhì)的相對介電系數(shù)εr，即
(2-3)
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(guān)系也不一致，且與報(bào)化形式有關(guān),。
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(fù)電的電子所組成,，其電荷量彼此相等,。無外電場作用時(shí)(E=0)正負(fù)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(dāng)有外電場時(shí)(E≠0),，如圖2-2(b)所示,。此時(shí)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(fù)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(qiáng)度(即正負(fù)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(diǎn)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(fù)電荷的吸引力,，其作用中心又會(huì)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(dāng)溫度升高時(shí),，電子與原子核的結(jié)合力減弱,，使極化略有加強(qiáng)；但溫度升高時(shí),，介質(zhì)膨脹,，單位體積內(nèi)質(zhì)點(diǎn)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(fù)溫度系數(shù),，即溫度升高時(shí)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(jī)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(shí)，正負(fù)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(fù)離子向相應(yīng)電極編移,，使整個(gè)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(rèn)為εr與頻率無關(guān),。
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(fù)電荷,，因而形成一個(gè)久性的偶極矩如圖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(gè)的偶極子雖然具有極性,，但無外電場作用時(shí)，偶極子處在不停的熱運(yùn)動(dòng)中,，分布異?；靵y，對外的作用互相抵消,，所以整個(gè)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(dòng),，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(shí)消耗的電場能量在復(fù)原時(shí)不可能全部收回(因極性分子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)阻力很大一樣),，極化所需的時(shí)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(guān)系。頻率很高時(shí)偶極子來不及跟隨外電場轉(zhuǎn)動(dòng),。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(guān)系,。
溫度對極性電介質(zhì)的εr有很大的影響,。溫度升高時(shí)，分子間聯(lián)系減弱,，使極化加強(qiáng),；但同時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇， 妨礙它們有規(guī)則的運(yùn)動(dòng),，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(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí),，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(rèn)為其等于1,，
(2)液體介質(zhì)可分為非極性,、極性與強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)也很大，所以不能用作絕緣材料,。
(3)固體介質(zhì)的情況較復(fù)雜,，用作高壓設(shè)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(shè)各的絕緣花往由幾種不同的材料組成,，這時(shí)會(huì)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(dāng)于很高的頻率),，即
到達(dá)穩(wěn)態(tài)的情況,，只有電導(dǎo)電流，層間電壓與各層電阻成正比,，也就是說和電導(dǎo)成反比,，即
若介質(zhì)是均勻的，則C1/C2=g1/g2,。
因?yàn)?/span> 
所以 
式中: γ?,、γ?為介質(zhì)1、2的電導(dǎo)率(s/m),；A為平板電極面積(m2)：d為各層介質(zhì)的厚度(m),。
當(dāng)ε?=ε?，γ?=γ?時(shí),，C1/ g1= C2/ g2,。這樣可得
也即，如介質(zhì)均勻,，則合閘后兩層之間不會(huì)發(fā)生電荷至新分配的過程,。
如介質(zhì)不均勻，則
,。
所以合閘后,，兩層介質(zhì)之間有一個(gè)電壓重新分配的過程，也即C1,、C2上的電荷要重新分配,。
設(shè)C1＞C2而g1＜g2，則t=0時(shí),，U2＞U1,；t→∞時(shí)，U1＞U2,。 即t=0以后,，U2逐漸下降而U1逐漸增大(因?yàn)閁1+ 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(gè)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(shí)際中的應(yīng)用
(1)選擇電容器的絕緣材料時(shí)，一方面要注意電氣強(qiáng)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(shí)可使工作時(shí)充電電流減小,。
(2)一般在高壓設(shè)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(dāng)數(shù)種絕緣材料合用時(shí),，不同成分材料的介電系數(shù)的比值關(guān)系,，常影響整個(gè)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(fù)擔(dān),，因而降低了整個(gè)設(shè)備的絕緣能力,。如圖2-7所示，設(shè)有厚度為d1,、d2的兩種材料1,、2，并用它們來負(fù)擔(dān)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(dāng)施以交流電壓U后，若略去材料的電導(dǎo)不計(jì),，s則有
假設(shè)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(qiáng)度；反之,，在介電系數(shù)大的材料中承受較小的電場強(qiáng)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(gè)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(guān),，而介質(zhì)損耗是影響絕緣老化和熱擊穿的一個(gè)重要因素
(4)夾層介質(zhì)極化現(xiàn)象在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)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(shè)備時(shí),，必須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅,。
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