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液體及固體材料的電氣擊穿電壓性能
閱讀：567發布時間：2024-3-20
液體及固體介質的電氣性能
絕緣材料(常稱為電介質)，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、固體物質結構以及它們在電場作用下新發生的物理現象的研究，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象是高壓電氣設備絕緣預防性試驗的基礎知識。
第一節 電介質的極化
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。
電介質內分子問的結合力稱為分子鍵，分子內相鄰原子間的結合力稱為化學鍵，根據原子結合成分子的方式的不同，比介質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：由非極性共價鍵構成的分子是非極性分子。由極性共價鍵構成的分子，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，結構對稱者為非極性分子，結構不對稱為極性分子
分子由離子鍵構成的電介質稱為離子結構的電介質。分子由共價鍵構成，且分子為非極性分子的電介質稱為非極性電介質，分子為極性分子的電介質稱為極性電介質。
如圖2-1所示，先將平行板電容器放在密封容器內，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(厚度與極間距離d相同)放于極間，施加同樣電壓，就可發現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，使介質中彼此中和的正、負電荷產生位移，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，此現象為極化引起。極間真空時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，ε0=1/36Π×109F/m。
極間引入固體介質后
(2-2)
由式(2-1)、式(2-2)可得介質的相對介電系數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
物質是由分子或離子構成，構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，對外呈現出一偶極子的形態，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(因電子質量極小)，約為10-15s。所以這種極化在各種頻率范圍均能產生，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，電子與原子核的結合力減弱，使極化略有加強；但溫度升高時，介質膨脹，單位體積內質點減少，又使極化減弱。在這兩種相反的作用中，后者略占優勢，所以εr具有很小的負溫度系數，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、固體介質中。
二、離子式極化
固體無機化合物多屬離子式結構，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。
三、偶極子極化
某些物質是由偶極分子組成。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，因而形成一個久性的偶極矩如圖2-4(a)所示。具有偶極子的電介質稱為極性電介質：例如蓖麻油、氯化聯苯、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，分布異常混亂，對外的作用互相抵消，所以整個介質是不呈現極性的。在電場作用下，原來混亂分布的極性分子順電場方向轉動，作較有規律的排列，如圖2-4(b)，因而呈現極性。
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(因極性分子旋轉時要克服分子間的吸引力，可想象為分子在一種黏性媒質中旋轉時阻力很大一樣)，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動。因而其εr減小。圖2-5給出極性液體—蘇伏油(氯化聯苯)的相對介電系數與溫度，圖中頻率f1＜f2＜f3的關系。
溫度對極性電介質的εr有很大的影響。溫度升高時，分子間聯系減弱，使極化加強；但同時分子熱運動加劇， 妨礙它們有規則的運動，這又使極化減弱。所以極性電介質的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)氣體介質由于密度很小，也即單位體積內所含分子的數目很少，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)，但此種液體介質的電導也很大，所以不能用作絕緣材料。
(3)固體介質的情況較復雜，用作高壓設備絕緣材料的極性介質（如酚醛樹脂，聚氯乙烯等)，非極性介質(聚乙烯，聚苯乙烯等)，以及離子性固體介質(如云母、陶瓷等)，其εr約在2～10。還有一些εr很大的固體介質，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，這時會產生“夾層介質極化"現象。這種極化的過程特別緩慢，而且伴隨有介質損耗。
為了分析的簡便，以平行電極間的雙層介質為例，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
到達穩態的情況，只有電導電流，層間電壓與各層電阻成正比，也就是說和電導成反比，即
若介質是均勻的，則C1/C2=g1/g2。
因為 
所以 
式中: γ?、γ?為介質1、2的電導率(s/m)；A為平板電極面積(m2)：d為各層介質的厚度(m)。
當ε?=ε?，γ?=γ?時，C1/ g1= C2/ g2。這樣可得
也即，如介質均勻，則合閘后兩層之間不會發生電荷至新分配的過程。
如介質不均勻，則
。
所以合閘后，兩層介質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)。 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的等值電容增大，因而稱為夾層介質極化。
五、電介質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，但其他絕緣結構則往往希望材料的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。
當數種絕緣材料合用時，不同成分材料的介電系數的比值關系，常影響整個絕緣系統中電壓分布，使外加電壓的大部分常為介電系數小的材料所負擔，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?,即在介電系數小的材料中承受較大的電場強度；反之，在介電系數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)材料的介質損耗與極化形式有關，而介質損耗是影響絕緣老化和熱擊穿的一個重要因素
(4)夾層介質極化現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。
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