3.1液體電介質的極化與損耗

一切電介質在電場的作用下都會出現(xiàn)極化、損耗等問題,，本小節(jié)對液體電介質的極化與損耗問題進行闡述,。

3.1.1液體電介質的極化

1.極化的定義

電介質中正、負電荷在電場的作用下沿電方向作有限位移,，形成電矩（即偶極矩）的現(xiàn)象叫做介質的極化,，如圖3-1所示。

2.電介質的介電常數(shù)

電介質極化的強弱可用介電常數(shù)的大小來表示,，它與該電介質分子的極性強弱有關,，還受溫度、外加電場頻率等因素的影響,。具有極性分子的電介質稱為極性電介質,，即使沒有外電場的作用，分子本身也具有電矩,。由中性分子構成的電介質則稱為中性電介質,。

根據(jù)之前所學可知，平行板電容器的電容量C與平板電極的面積A成正比,，與平板電極間的距離d成反比,，其比例常數(shù)取決于介質的特性。

以圖3-1為例,，如果極間為真空(見圖3-1a),，其電容量為

式中ε0——真空中的介電常數(shù)，其值為2.886×10-16F/cm,；

A——極板面積(cm2),；

d——極間距離(cm)。

當平板間放入介質后(見圖3-1b),，電容量將增大為

式中 ε——介質的介電常數(shù),。

可以看出，在相同直流電壓的作用下,，由于介質的極化,，使得介質表面出現(xiàn)了與極板電荷異號的束縛電荷，電荷量為Q',，相應地要從電源吸取等量的異性電荷到極板上,，極板上的電荷量為Q，則有

對于同一平板電容器,，放入介質不同,，介質極化程度也不同，表現(xiàn)為極板上的電荷量Q不同,，則Q/Q0可以反映在相同條件下不同介質極化現(xiàn)象的強弱,，于是便有

εr稱為電介質的相對介電常數(shù)，可用來表征電介質在電場作用下極化現(xiàn)象的強弱,，其值由電介質本身材料決定,。表3-1中列出部分液體電介質在20℃時工頻電壓下εr的值，對于液體介質,，εr通常在2~6之間,。

表3-1     部分常用液體電介質εr的值

3.液體電介質介電常數(shù)

1)中性,、弱極性液體電介質：中性,、弱極性液體電介質的介電常數(shù)不大，其值在1.8～2.8的范圍內(nèi),，介電常數(shù)與溫度的關系與單位體積分子數(shù)與溫度的關系接近一致,。石油、苯,、四氯化碳,、硅油等均為中性液體介質。

2)極性液體電介質：這類介質通常具有較大的介電常數(shù),，如果作為電容器的浸漬劑,，可使電容器的比電容增大。但這類電介質通常都伴隨一個缺點,，就是在交變電場中的介質損耗較大,，故在高電壓絕緣中很少應用，只有蓖麻油和幾種合成液體介質在某些場合有應用,。

4.極化的基本形式

(1)電子位移極化

在外電場的作用下,，介質原子中的電子運動軌跡將相對于原子核發(fā)生彈性位移，如圖3-2所示,。這樣,，正、負電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應偶極矩,，其值為 (矢量的方向由-q指向+q),。這種極化方式稱為電子位移極化。

電子位移極化特點：

1)存在于一切電介質中,；

2)完成極化時間極短,，約10-15s,，其εr不受外電場頻率影響；

3)極化程度取決于電場強度E,，由于溫度不足以引起質子內(nèi)部電子能量狀態(tài)變化,，所以溫度對該種極化影響極小,；

4)極化是彈性的,，去掉外加電場，極化可立即恢復,，極化時消耗的能量可以忽略不計,，因此也稱為“無損極化”。

(2)離子位移極化

在由離子結合成的電介質中,，在外電場的作用下使得正,、負離子產(chǎn)生有限的位移，平均地具有了電場方向的偶極矩,，這種極化稱為離子位移極化,，如圖3-3所示。

離子位移極化特點：

1)只存在于離子結構的電介質中,；

2)極化建立所需時間極短,，約10-13～10-12s，因此εr不受外電場頻率影響,；

3) εr具有正溫度系數(shù),，溫度上升，離子間距增大,，一方面使得離子間結合力減弱,，極化程度增加，另一方面使得離子密度減小,，極化程度降低,，而前者影響大于后者，所以這種極化隨溫度升高而增強,。

4)該極化也是彈性的,，無能量損失。

(3)偶極子極化

有些電介質的分子很特別,，具有固有的電矩,，即正、負電荷作用中心不重合,，這種分子稱為極性分子,，這種電介質稱為極性電介質，例如，蓖麻油,、氯化聯(lián)苯等,。

每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩,，但當不存在電場時,，這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列，如圖3-4a所示,，宏觀電矩等于0,。因而整個介質對外不表現(xiàn)出極性,。外加電場后,，原先無序排列的偶極子將沿電場方向轉動，做較有規(guī)則的排列,，如圖3-4b所示(實際上,，由于熱運動和分子間束縛電場存在，不是所有的偶極子都能轉到與電場方向一致),，因而顯示出極性,，這種極化方式稱為偶極子極化或轉向極化。

偶極子極化特點：

1)存在于偶極性電介質中,；

2)極化建立時間較長,，約10-6～10-2s，因此這種極化與頻率有著較大關系,。頻率較高時,，偶極子極化跟不上電場變化，從而使極化減弱,，如圖3-5所示,，εr隨頻率增加而減小,；

3)溫度對偶極子極化影響大,。溫度高時，分子熱運動加劇,，妨礙偶極子沿著電場方向轉向,，極化減弱；溫度很低時,，分子間聯(lián)系緊密,，偶極子難以轉向，不易極化,，所以隨著溫度增加,，極化程度先增加后降低，如圖3-6所示。

4)偶極子極化為非彈性的,，偶極子在轉向時需要克服分子間的吸引力和摩擦力而消耗能量,，因此也稱其為“有損極化”。

(4)夾層極化

上述三種極化都是由帶電質點的彈性位移或轉向形成的,，而夾層極化的機理與上述不同,，它是由帶電質點的位移形成的。

在實際的電氣設備中,，常采用多層電介質絕緣結構,，如電纜、電機和變壓器繞組等,，在兩層介質之間常夾有油層,、膠層等，形成多層介質結構,。凡是由不同介電常數(shù)和電導率的多種電介質組成的絕緣結構,，在外加電場后，各層電壓將從開始時按介電常數(shù)分布逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時按電導率分布,。在電壓重新分配的過程中,，夾層界面上會集聚起一些電荷，使整個介質的等值電容增大,，這種極化方式稱為夾層介質界面極化,，簡稱夾層極化。

以簡單的平行平板電極間的雙層電介質為例對其進行說明,。如圖3-7所示,，以ε1、γ1,、 C1,、G1、d1和U1分別表示第一層電介質的介電常數(shù),、電導率,、等效電容、等效電導,、厚度和分配到的電壓,；而第二層對應參數(shù)為ε2、γ2,、 C2,、G2、d2和U2,。兩層面積相同,，外加直流電壓為U,。

設在t=0瞬間合上開關，兩層電介質上的電壓分配將與電容成反比,，即

這時兩層介質的分界面上沒有多余的整空間電荷或負空間電荷,。到達穩(wěn)態(tài)后，電壓分配將與電導成反比,，即

在一般情況下,，，可見有一個電壓重新分配的過程,，即C1,、C2上的電荷要重新分配。

設C1<C2,、而G1＞G2,，則：

t=0時，U1>U2

t→∞時,，U1<U2

夾層極化特點：

1)這種極化存在于不均勻夾層介質中,，極化過程有能量損耗,，屬于“有損極化”,；

2)極化建立時間很長，一般為幾分鐘到幾十分鐘,，有的甚至長達幾小時,，因此，這種極化只適用于低頻情況,。

將上述各種極化總結見表3-2,。

表 3-2       電介質極化種類及比較

5.極化在工程實際中的應用

1)選擇絕緣。在選擇高電壓設備的絕緣材料時,，除了要考慮材料絕緣強度外,，還應該考慮相對電介質常數(shù)εr。例如,，在制造電容時,，要選擇εr大的材料作為極板間的絕緣介質，以使電容器單位容量的體積和質量減??；在制造電纜時，則要選擇εr小的絕緣材料作為纜芯與外皮間的絕緣介質,，以減小充電電流,。其他絕緣情況也往往希望選用εr小的絕緣材料。

2)多層介質的合理配合,。一般高電壓電氣設備中的絕緣常常是由幾種電介質組合而成的,。在交流及沖擊電壓下，串聯(lián)電介質中的電場強度是按與εr成反比分布的，這樣使得外加電壓的大部分常常為εr小的材料負擔,，從而降低了整體的絕緣強度,。因此，要注意選擇εr,，使各層電介質的電場分布較為均勻,。

3)介質損耗與極化類型有關，而介質損耗是絕緣老化與熱擊穿的一個重要影響因素,。

4)在絕緣預防性試驗中,，夾層極化現(xiàn)象可用來判斷絕緣狀況。

3.1.2液體電介質的損耗

1. 電介質損耗基本概念

在電場作用下,，實際電介質總有一定的能量損耗,，包括由電導引起的某些損耗和某些有損極化(偶極子極化、夾層極化等)引起的損耗,，稱為介質損耗,。

在直流電壓的作用下，電介質中沒有周期性的極化過程,，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數(shù)值,，介質損耗將僅由電導引起,，所以用電導率和表面電導率兩個物理量足以說明問題,，不必再引入介質損耗概念。

在交流電壓下,，流過電介質的電流包含有功分量和無功分量,，即

圖3-8為此時電壓、電流相量圖,，由此可以看出介質功率損耗為

式中 ω——電源角頻率,；

φ——功率因數(shù)角；

δ——介質損耗角,。

介質損耗角δ為功率因數(shù)角φ的余角,，其正切值tanδ稱為介質損耗因數(shù)，常用百分數(shù)(%)表示,。

可以看出,，介質損耗P值的大小與所加電壓U、試品電容量C,、電源頻率等一系列因素都有關系,，因此并不適合用來比較各種絕緣材料損耗特性的優(yōu)劣。而tanδ是一個僅取決于材料損耗特性的值,，與其他的因素無關,，所以通?？梢杂?/span>介質損耗正切tanδ作為綜合反映電介質損耗特性優(yōu)劣的一個指標，因此tanδ也稱為介質損耗因數(shù),，在測量和監(jiān)控各種電力設備絕緣特性時,，tanδ的測量已經(jīng)是電力系統(tǒng)絕緣預防性試驗的最重要項目之一。

有損介質更細致的等效電路如圖3-9a所示,，圖中,，C1代表介質的無損極化(電子式和離子式極化)，C2和R2代表各種有損極化,，而R3則代表電導損耗,。在這個等效電路加上直流電壓時，電介質中流過的將是電容電流i1,、吸收電流i2和傳導電流i3,。電容電流在加壓瞬間數(shù)值很大，但迅速下降到零,，是一極短暫的充電電流,；吸收電流i2則隨加電壓時間增長而逐漸減小，比充電電流的下降要慢得多,，約經(jīng)數(shù)十分鐘才衰減到零,，具體時間長短取決于絕緣的種類、不均勻程度和結構,；傳導電流i3是長期存在的電流分量,。這三個電流分量加在一起,，即得出圖3-10中的總電流i,，它表示在直流電壓作用下，流過絕緣的總電流隨時間而變化的曲線,，稱為吸收曲線,。

如果施加的是交流電壓，那么純電容電流,、反映吸收現(xiàn)象的電流和電導電流,，都將長期存在，而總電流等于三者的相量和,。

反映有損極化或吸收現(xiàn)象的電流又可以分解為有功分量和無功分量,，如圖3-9b所示。

上述三支路等效電路可進一步簡化為電阻,、電容的并聯(lián)等效電路或串聯(lián)等效電路,。若介質損耗主要由電導所引起，常采用并聯(lián)等效電路,；如果介質損耗主要由極化所引起,，則常采用串聯(lián)等效電路?，F(xiàn)分述如下：

(1)并聯(lián)等效電路

如果把圖3-9中的電流歸并成由有功電流和無功電流兩部分組成，即可得圖3-8b所示的并聯(lián)等效電路,，圖中,，Cp代表無功電流的等效電容、R則代表有功電流的等效電阻,。其中

介質損耗因數(shù)tanδ等于有功電流與無功電流的比值,，即

此時電路的功率損耗為

可見與式(3-7)所得到的功率損耗相同。

(2)串聯(lián)等效電路

上述有損電介質也可用一只理想的無損耗電容CS和一個電阻r相串聯(lián)的等效電路來代替,，如圖3-11a所示,。

由圖3-11b的相量圖可得

由，可得電路功率損耗：

因為介質損耗角δ的值一般很小,，則cosδ≈1,，可得

用兩種等效電路所得出的tanδ和P理應相同，所以只要把式(3-11)與式(3-14)加以比較,，即可得Cs≈Cp,，說明兩種等效電路中的電容值幾乎相同，可以用同一電容C來表示,。另外,，由式(3-10)和式(3-12)可得r/R≈tan2δ，可見r<<R(因為tanδ<<1),，所以串聯(lián)等效電路中的電阻r要比并聯(lián)等效電路中的電阻R小得多,。

2.液體電介質損耗

(1)非極性和弱極性液體電介質損耗

非極性和弱極性液體介質(如變壓器油)的極化損耗很小，其損耗主要由電導引起,，介質損耗角正切值(介質損耗因數(shù))為

一般非極性和弱極性液體介質的電導率γ很小,。低頻下這類液體介質的ε、P,、tanδ與頻率ω的關系如圖3-12所示,，而在高頻下，由于極性雜質等因素影響,，可能使tanδ顯著增大,。

(2)極性液體電介質損耗

極性液體介質(如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等)除了電導損耗外,，還存在極化損耗,。它們的tanδ與溫度的關系要復雜一些，如圖3-13所示,。圖中的曲線變化可以這樣來解釋：在低溫時,，極化損耗和電導損耗都較小,；隨著溫度的升高,，液體的粘度減小,，偶極子轉向極化增強，電導損耗也在增大,，所以總的tanδ也上升,，并在t=t1時達到極大值；在t1<t<t2的范圍內(nèi),，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列,，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導損耗的增加,，所以總的tanδ曲線隨t的升高而下降,，并在t=t2時達到極小值。在t>t2以后,，由于電導損耗隨溫度急劇上升,，極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而tanδ就將隨t的上升而持續(xù)增大了,。

極性液體介質的ε和tanδ與電源角頻率ω的關系如圖3-14所示,。當ω較小時，偶極子的轉向極化能跟上電場的交變,，極化得以充分發(fā)展,，此時的ε也最大。但此時偶極子單位時間的轉向次數(shù)不多,，因而極化損耗很小,，tanδ也小，且主要由電導損耗引起,。如ω減至很小時,，tanδ反而又稍有增大，這是因為電容電流減小的結果,。隨著ω的增大,，當轉向極化逐漸跟不上電場的交變時，ε開始下降,，但由于轉向頻率增大仍會使極化損耗增加、tanδ增大,。一旦ω大到偶極子來不及轉向時,，ε值變得最小而趨于某一定值，tanδ也變得很小,，因為這時只存在電子式極化了,。在這樣的變化過程中，一定有一個tanδ的極大值,，其對應的角頻率為ω0,。

油紙電力電纜用礦物油和松香的粘性復合浸潰劑,，是一種極性液體介質。其中,，礦物油是稀釋劑,，故油的成分增加時，復合劑的黏度減小,，對應于一定頻率下出現(xiàn)tanδ 最大值的溫度就向低溫移動,，而恒溫下出現(xiàn)的tanδ最大值的頻率就向高頻移動。圖3-15所示為工頻下松香復合劑的tanδ與溫度關系圖,。

3.tanδ在工程實際中的應用

1)選擇絕緣,。設計絕緣結構時，必須注意絕緣材料的tanδ,，tanδ過大會引起嚴重發(fā)熱,，容易使材料劣化，甚至導致熱擊穿,。

2)在絕緣預防性試驗中判斷絕緣狀況,。當絕緣受潮或劣化時，tanδ將急劇上升,，絕緣內(nèi)部是否存在局部放電,，也可以通過tanδ與U的關系曲線加以判斷。

3)介質損耗引起的發(fā)熱有時也可以利用,。例如,，電瓷生產(chǎn)中對泥坯加熱即是在泥坯兩端加上交流電壓，利用介質損耗發(fā)熱加速泥坯的干燥過程,。由于這種方法是利用材料本身介質損耗的發(fā)熱,，所以加熱非常均勻。