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電介質(zhì)極化的概念、極化的種類和電介質(zhì)的相對介電常數(shù)
閱讀：4076發(fā)布時間：2024-4-2
一,、電介質(zhì)極化的概念
電氣設備的絕緣對保證設備及整個電力系統(tǒng)的安全運行起著至關重要的作用,。絕緣的作用是將不同電位的導體分隔開，使導體間沒有電氣連接,，從而可以保持不同的電位,。具有絕緣作用的材料稱為電介質(zhì)。
電介質(zhì)在電場作用下所發(fā)生的束縛電荷的彈性位移和極性分子的轉向現(xiàn)象,，稱為電介質(zhì)的極化,。通俗的理解就是：在電場的作用下，電介質(zhì)由中性轉化為對外顯現(xiàn)電性的過程,。極化的結果是：在電介質(zhì)沿電場方向的兩端出現(xiàn)等量異號電荷形成電矩,。與正極板相對的一端出現(xiàn)負電荷，與負極板相對的一端出現(xiàn)正電荷,。
二,、電介質(zhì)極化的種類
根據(jù)電介質(zhì)的物質(zhì)結構,，極化有以下四種基本形式,。
1.電子式極化
在外電場的作用下，物質(zhì)原子里的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移,，從而產(chǎn)生感應電矩的過程稱為電子式極化,。
電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，其特點是極化過程所需的時間極短,，約10-15～10-14s,，極化程度取決于電場強度，與電源頻率無關,，溫度對電子式極化的影響不大,。另外，電子式極化屬彈性極化,，去掉外電場,，正、負電荷間的吸引力使得正,、負電荷作用中心重合,，所以這種極化沒有能量損耗。
2.離子式極化
離子式結構的電介質(zhì)在無外電場作用時,，每個分子的正,、負離子的作用中心是重合的。在外電場的作用下，電場力使得正,、負離子發(fā)生相對位移,，整個分子呈現(xiàn)極性。這種極化形式稱為離子式極化,。
離子式極化存在于離子結構的電介質(zhì)中,，其特點是極化過程所需的時間極短。約10-13～10-12s,，故極化程度與電源頻率無關,。離子式極化也屬彈性極化，無能量損耗,。隨著溫度的升高,，由于離子間的結合力降低，離子式極化的程度略有增加,。
3.偶極子式極化
極性電介質(zhì)是由偶極分子組成的,。偶極子是一種特殊的分子，其正,、負電荷的作用中心不重合,，形成偶極矩，即單個偶極子呈現(xiàn)極性,。無外電場作用時,，由于偶極子處于雜亂無章的熱運動狀態(tài)，所以整個電介質(zhì)對外并不呈現(xiàn)極性,。在外電場作用下,，原來混亂分布的偶極子轉向電場方向定向排列，呈現(xiàn)出極性,。這種極化方式稱為偶極子式極化,。
偶極子式極化存在于極性電介質(zhì)中，其特點是極化過程所需時間較長,，約10-10～10-2s,，所以極化程度與電源頻率有關，頻率較高時偶極子來不及轉動,，因而極化率減小,。由于偶極子在轉向時需要克服分子間的作用力，即需要消耗電場能量,，消耗的能量在復原時不能收回,，所以偶極子式極化屬非彈性極化。
溫度對偶極子式極化的影響較大,。當溫度升高時分子間的聯(lián)系力減弱,，使極化1 程度加強：但當溫度達到一定值時,，由于分子的熱運動加劇，妨礙偶極子沿電場方營享工 向轉向,，使極化程度降低,。所以，隨溫度增加極化程度先增加后降低,。
上述三種極化是由帶電質(zhì)點的彈性位移或轉向形成的,，均發(fā)生在單一電介質(zhì)中，是極化最基本的形式,。
4.夾層式極化
實際電氣設備的絕緣通常采用多層電介質(zhì)的絕緣結構,，因而在不同介質(zhì)的交界面處會發(fā)生由帶電質(zhì)點的移動所形成的夾層式極化。
下面以簡單的雙層電介質(zhì)為例分析夾層式極化的物理過程,。
如圖TYBZ01401001-1 所示,，C1、C2為各層介質(zhì)的電容,，G1,、G2為各層介質(zhì)的電導， U1,、U2為各層介質(zhì)上的電壓,。在開關S剛合閘的瞬間，介質(zhì)上的電壓按電容分配,，即t＝0
時,，U1/U2=C2/C1；到達穩(wěn)態(tài)時,，介質(zhì)上的電壓按電導分配,，即t→∞時，U1/U2=G2/G1,。
由于兩層電介質(zhì)的特性不同，一般情況下C2/C1≠G2/G1,，所以初始電壓分布與穩(wěn)態(tài)電壓分布通常不相同,，即合閘后兩層介質(zhì)上的電荷需要重新分配。
假設C1＞C2,、G1＜G2,，則t→0時，U1＜U2,；t→∞時,，U1＞U2。因U1+U2=U, 則在過渡過程中C1要通過G2從電源再多充一部分電荷(稱為吸收電荷),，而C2要通過G2放掉一部分電荷,，于是在分界面處將積聚起一些電荷,。這種使夾層電介質(zhì)的交界面處積聚電荷的過程，稱為夾層式極化,。電荷積聚過程所形成的電流稱為吸收電流,。由于夾層極化中有吸收電荷，故夾層式極化相當于增大了整個電介質(zhì)的等值電容,。
夾層式極化存在于不均勻夾層介質(zhì)中,。這種極化因涉及電荷的移動和積聚，所以必然伴隨有能量損耗,。由于電荷的積聚是通過介質(zhì)的電導進行的,，而介質(zhì)的電導一般很小，所以極化過程較慢,，一般需要數(shù)秒到數(shù)分鐘,，所以這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來。
三,、電介質(zhì)的相對介電常數(shù)
1.定義
電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr 用來表征電介質(zhì)在電場作用下極化現(xiàn)象的強弱,，其物理意義表示極板間放入電介質(zhì)后電容量或電荷量比極板間為真空時增大的倍數(shù)。εr值由電介質(zhì)的材料決定,，并且隨溫度,、頻率而變化。其計算式為
εr=ε/ε0=C/C0 (TYBZ01401001-1)
式中 ε0——真空的介電常數(shù),，1/36Π×10-9F/m,；
ε——介質(zhì)的介電常數(shù)；
C0——平行平板電容器在真空中的電容量,，F(xiàn),；
C——平行平板電容器極板間插入固體介質(zhì)后的電容量，F(xiàn),。
2. 氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)
由于氣體電介質(zhì)的密度很小,，所以氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)都很小，在工程應用中一切氣體電介質(zhì)的εr都可看作1,。
3.液體電介質(zhì)的介電常數(shù)
(1)中性液體電介質(zhì),。中性液體電介質(zhì)(如變壓器油、苯,、硅有機油等)的相對介電常數(shù)εr在1.8～2.8范圍內(nèi),。相對介電常數(shù)εr具有不大的負溫度系數(shù)。
(2)極性液體電介質(zhì),。這類電介質(zhì)的相對介電常數(shù)較大,，其值在3～80，用作絕緣介質(zhì)的εr 值一般在3～6,。若用作電容器的浸漬劑,，可使電容器的比電容增大,。但此類液體電介質(zhì)在交變電場中的損耗較大，故高壓絕緣中很少應用,。
極性電介質(zhì)的εr與溫度有關,，εr在溫度較低時先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動較強烈時,，εr又隨溫度上升而減小,。
極性電介質(zhì)的εr與電源頻率有較大的關系，頻率較低時,，偶極分子能夠跟隨交變電場充分轉向,，εr較大且其值與頻率大小無關。當頻率很高時偶極分子轉向跟不上電場方向的改變,，極化率減小,，因而εr減小。
4.固體電介質(zhì)的介電常數(shù)
(1)中性和弱極性固體電介質(zhì),。這類電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化,，相對介電常數(shù)較小，一般為2.0～2.7,。相對介電常數(shù)隨溫度的升高略有下降,。
石蠟、石棉,、聚乙烯,、聚丙烯、無機玻璃等屬于此類電介質(zhì),。
(2)極性固體電介質(zhì),。這類電介質(zhì)的相對介電常數(shù)較大，一般為3～6,。εr與溫度,、頻率的關系和極性液體介質(zhì)的相似。
樹脂,、纖維,、橡膠、有機玻璃,、聚氯乙烯等屬于極性固體電介質(zhì)。
(3)離子性電介質(zhì),。固體無機化合物多數(shù)屬于離子式結構電介質(zhì),，如云母、陶瓷等,，εr一般具有正的溫度系數(shù),，其值約在5～8,。
四、電介質(zhì)極化在工程實際中的意義
(1)選擇絕緣材料,。如對電容器應選擇εr較大的電介質(zhì)作為絕緣材料,，這樣可以減小電容器單位容量的體積和重量。對于其他電氣設備如電纜,，應選擇εr較小的電介質(zhì),，這樣可以減少電纜工作時的由容電流。
(2)多層介質(zhì)的合理配合,。幾種電介質(zhì)組合使用時,，由于在交流電壓及沖擊電壓作用下，各層介質(zhì)中的電場強度分布與εr成反比,，所以要注意選擇各介質(zhì)的εr值,，使各層介質(zhì)中的電場分布較均勻。
(3)介質(zhì)損耗與介質(zhì)的極化類型有關,，而介質(zhì)損耗對絕緣老化和熱擊穿有很大的影響,。
(4)在絕緣預防性試驗中，可用夾層式極化來判斷絕緣受潮情況,。
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