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液體的介電常數和介質損耗
閱讀：851發布時間：2024-7-25
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極化、損耗等問題，本小節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）的現象叫做介質的極化，如圖3-1所示。
2.電介質的介電常數
電介質極化的強弱可用介電常數的大小來表示，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，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。
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象的強弱，于是便有
εr稱為電介質的相對介電常數，可用來表征電介質在電場作用下極化現象的強弱，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
材料屬性 | 名稱 | （工頻，20℃） |
弱極性 | 變壓器油 | 2.2 |
硅有機液體 | 2.2~2.8 | |
極性 | 蓖麻油 | 4.5 |
氯化聯苯 | 4.6~5.2 | |
強極性 | 酒精 | 33 |
水 | 81 |
3.液體電介質介電常數
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不大，其值在1.8～2.8的范圍內，介電常數與溫度的關系與單位體積分子數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，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部電子能量狀態變化，所以溫度對該種極化影響極?。?/span>
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，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分布逐漸過渡到穩態時按電導率分布。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、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。到達穩態后，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
極化種類 | 產生場合 | 所需時間 | 能量損耗 | 產生原因 |
電子位移極化 | 任何電介質 | 10-15s | 無 | 束縛電子運行軌道偏移 |
離子位移極化 | 離子結構電介質 | 10-13s | 幾乎沒有 | 離子的相對偏移 |
偶極子極化 | 極性電介質 | 10-15~10-2s | 有 | 偶極子的定向排列 |
夾層極化 | 多層介質交界面 | 10-1~數小時 | 有 | 自由電荷的移動 |
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——功率因數角；
δ——介質損耗角。
介質損耗角δ為功率因數角φ的余角，其正切值tanδ稱為介質損耗因數，常用百分數(%)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，所以通常可以用介質損耗正切tanδ作為綜合反映電介質損耗特性優劣的一個指標，因此tanδ也稱為介質損耗因數，在測量和監控各種電力設備絕緣特性時，tanδ的測量已經是電力系統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，約經數十分鐘才衰減到零，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、電容的并聯等效電路或串聯等效電路。若介質損耗主要由電導所引起，常采用并聯等效電路；如果介質損耗主要由極化所引起，則常采用串聯等效電路。現分述如下：
(1)并聯等效電路
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)，所以串聯等效電路中的電阻r要比并聯等效電路中的電阻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)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，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，極化得以充分發展，此時的ε也最大。但此時偶極子單位時間的轉向次數不多，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tanδ 最大值的溫度就向低溫移動，而恒溫下出現的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)介質損耗引起的發熱有時也可以利用。例如，電瓷生產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熱，所以加熱非常均勻。
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