在高電壓工程中所用的各種電介質(zhì)通常稱為絕緣介質(zhì)(或絕緣材料)。絕緣的作用是將不同電位的導(dǎo)體以及導(dǎo)體與地之間分隔開來，從而保持各自的電位。因此，絕緣是電氣設(shè)備的重要組成部分。電介質(zhì)就其形態(tài)而言，可分為氣體電介質(zhì)、固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)。在實(shí)際的電氣設(shè)備中，絕緣又往往是由各種不同的電介質(zhì)組合而成，不同的電介質(zhì)具有不同的電氣特性，其基本電氣特性可以概括為極化特性、電導(dǎo)特性、損耗特性和擊穿特性。表示這些電氣特性的基木參數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)ε_r、電導(dǎo)率γ、介質(zhì)損耗角正切tanδ和擊穿場(chǎng)強(qiáng)E_b。

1.1 電介質(zhì)的極化

1.1.1 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象和相對(duì)介電常數(shù)

在外加電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷將沿著電場(chǎng)方向做有限的位移或者轉(zhuǎn)向，形成電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。

如圖1-1(a)所示的平行板電容器，當(dāng)兩極板之間為真空時(shí)，在極板間施加直流電壓U，這時(shí)兩極板上則分別充有正、負(fù)荷，其電荷量為

                          Q₀=C₀U                        (1-1)

式中：C₀為真空電容器的電容量。

然后在此極板間填充上其他電介質(zhì)，這時(shí)在外加的直流電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷將沿電場(chǎng)方向做有限的位移或轉(zhuǎn)向，從而使電介質(zhì)表面出現(xiàn)與極板電荷相反極性的束縛電荷，即電介質(zhì)發(fā)生了極化，如圖1-1(b)所示。由于外施的直流電壓U不變，所以為保持極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度不變，這時(shí)必須再從電源轉(zhuǎn)移一部分電荷Q?到極板上，以平衡束縛電荷的作用。由此可見，由于極板間電介質(zhì)的加入，致使極板上的電荷量從Q₀增加到Q，即

Q=Q₀+Q?=CU

式中：C為加入電介質(zhì)后兩極板間的電容量。

顯然，這時(shí)的電容量C比兩極板間為真空時(shí)的電容量C₀增大了。C與C₀的比值稱為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r，，即

式中：ε為填充介質(zhì)的介電常數(shù)；ε₀為真空的介電常數(shù)，ε₀=8.85×10^-12F/m。

工程上一般采用相對(duì)介電常數(shù)，電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r越大，電介質(zhì)的極化特性越強(qiáng)，由其構(gòu)成的電容器的電容量也越大，所以ε_r是表示電介質(zhì)極化強(qiáng)度的一個(gè)物理參數(shù)。

真空的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)ε_r=1，各種氣體電介質(zhì)的ε_r都接近于1，而固體、液體電介質(zhì)的ε_r一般為2～10。幾種常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)列于表1-1。

表1-1                  常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電阻率

電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r在工程上具有重要的實(shí)用意義，舉例如下：

(1)在制造電容器時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾?/span>介質(zhì)。為了追求體積一定、電容量較大的電容器，應(yīng)選擇ε_r較大的電介質(zhì)。

(2)在設(shè)計(jì)某些絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，為了減小通過絕緣的電容電流及由極化引起的發(fā)熱損耗，這時(shí)則不宜選擇ε_r太大的電介質(zhì)。

(3)在交流和沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)電介質(zhì)中的電場(chǎng)分布與ε_r成反比。這是因?yàn)樵诙鄬哟?lián)介質(zhì)中，電位移連續(xù)D₁=D₂，即ε₀ε_r1E₁=ε₀ε_r2E₂，所以E₁/ E₂=ε_r2/ε_r1，即電場(chǎng)分布與ε_r成反比。因此，可利用不同ε_r的電介質(zhì)的組合來改善絕緣中的電場(chǎng)分布，使之盡可能趨于均勻，以充分利用電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)。比如，在電纜絕緣中，由于電場(chǎng)沿徑向分布不均勻，靠近電纜芯線處的電場(chǎng)強(qiáng)，遠(yuǎn)離芯線處的電場(chǎng)較弱，因此，應(yīng)使內(nèi)層絕緣的ε_r大于外層絕緣的ε_r，這樣就可以使電纜芯線周圍絕緣中的電場(chǎng)分布趨于均勻。

1.1.2極化的基本形式

電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，其極化形式亦不同。下面介紹電介質(zhì)極化的幾種基本形式。

1.電子式極化

組成一切電介質(zhì)的基本粒子不外乎是原子、分子或離子。而原子則是由帶正電荷的原子核和圍繞核旋轉(zhuǎn)的電子形成的所謂“電子云”構(gòu)成。當(dāng)不存在外加電場(chǎng)時(shí)，圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子云的負(fù)電荷作用中心與原了核所帶正電荷的作用中心相重合，如圖1-2所示。由于其正、負(fù)電荷量相等，故此時(shí)電偶極矩為零，對(duì)外不顯示電極性。當(dāng)外加一電場(chǎng)E，在電場(chǎng)力的作用下電子的軌道將相對(duì)于原子核產(chǎn)生位移，使原子中正、負(fù)電荷的作用中心不再重合，形成電偶極矩。這個(gè)過程主要是由電了在電場(chǎng)作用下的位移所造成，故稱為電子式極化。

電子式極化的特點(diǎn)：

(1)電子式極化存在于所有電介質(zhì)中。

(2)由于電子異常輕小，因此電子式極化所需時(shí)間極短，約為10^-15s，其極化響應(yīng)速度最快，通常相當(dāng)于紫外線的頻率范圍。這種極化在各種頻率的交變電場(chǎng)中均能發(fā)生，故ε_r不隨頻率而變化；同時(shí)溫度對(duì)其的影響也極小。

(3)電子式極化具有彈性。在去掉外電場(chǎng)作用時(shí)，依靠正負(fù)電荷之間的吸引力，其正、負(fù)電荷的作用中心即刻重合而恢復(fù)成中性。

(4)由于電子式極化消耗的能量可以忽略不計(jì)，因此稱為“無損極化”。

2.離子式極化

在離子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，無外加電場(chǎng)作用時(shí)，由于正、負(fù)離子雜亂無章的排列，正負(fù)電荷的作用相互抵消，對(duì)外不呈現(xiàn)電極性。當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，則除了促使各個(gè)離子內(nèi)部產(chǎn)生電子式極化之外，還將產(chǎn)生正、負(fù)離子的相對(duì)位移，使正、負(fù)離子按照電場(chǎng)的方向進(jìn)行有序排列，形成極化，這種極化稱為離子式極化，如圖1-3所示。

形成離子式極化的時(shí)間也很短，約為10^-13s，其極化響應(yīng)速度通常在紅外線頻率范圍，也可在所有頻率范圍內(nèi)發(fā)生；極化也是彈性的；消耗的能量亦可忽略不計(jì)，因此離子式極化也屬于無損極化。

3. 偶極子式極化

在極性分子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，即使沒有外加電場(chǎng)的作用，由于分子中正、負(fù)電荷的作用中心已不重合，就其單個(gè)分子而言，已具有偶極矩，因此這種極性分子也叫偶極子。但由于分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，使各極性分子偶極矩的排列沒有秩序，從宏觀而言，對(duì)外并不呈現(xiàn)電極性。當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子受到電場(chǎng)力的作用而轉(zhuǎn)向電場(chǎng)的方向，因此，這種極化被稱為偶極子式極化，或轉(zhuǎn)向極化，如圖1-4所示。

由于偶極子的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)較電子或離子大，當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)需要克服分子間的吸引力而消耗能量，因此偶極子式極化屬于有損極化；極化時(shí)間較長，為10^-6~10^-2s，通常認(rèn)為其極化響應(yīng)速度在微波范圍以下。所以，在頻率不高，甚至在工頻交變電場(chǎng)中，偶極子式極化的完成都有可能跟不上電場(chǎng)的變化，因此，極性電介質(zhì)的ε_r會(huì)隨電源的頻率而改變，頻率增加，ε_r減小，如圖1-5所示。

溫度對(duì)極性電介質(zhì)的ε_r也有很大影響，其關(guān)系較為復(fù)雜。如圖1-6所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，由于分子間的聯(lián)系力削弱，使極化加強(qiáng)；但同時(shí)由于分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，又不利于偶極子沿電場(chǎng)方向進(jìn)行有序排列，從而使極化減弱。所以極性電介質(zhì)的ε_r最初隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度的升高使分子的熱運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈時(shí)，ε_r又隨溫度的升高而減小。

順便指出，人們使用微波爐加熱食品就是通過食品中的水分子產(chǎn)生偶極子式極化吸收微波能量來實(shí)現(xiàn)的。

4.空間電荷極化

空間電荷極化一般進(jìn)行得比較緩慢，且需要消耗能量，屬于有損極化。在電場(chǎng)頻率較低的交變電場(chǎng)中容易發(fā)生這種極化；而在高頻電場(chǎng)中，由于帶電質(zhì)點(diǎn)來不及移動(dòng)，這種極化難以發(fā)生。

5. 夾層極化

夾層極化是在多層電介質(zhì)組成的復(fù)合絕緣中產(chǎn)生的一種特殊的空間電荷極化。在高電壓工程中，許多設(shè)備的絕緣都是采用這種復(fù)合絕緣，如電纜、電容器、電機(jī)和變壓器繞組等.在兩層介質(zhì)之間常夾有油層、膠層等形成多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于不均勻的或含有雜質(zhì)的介質(zhì)，或者受潮的介質(zhì)，事實(shí)上也可以等價(jià)為這種夾層介質(zhì)來看待。

夾層介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化稱為夾層極化。夾層極化的發(fā)生是由于各層電介質(zhì)的介電常數(shù)與其電導(dǎo)率比值的不同所致，當(dāng)加上直流電壓后各層間的電場(chǎng)分布，將會(huì)出現(xiàn)從加壓瞬時(shí)技介電常數(shù)成反比分布，逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)的按電導(dǎo)率成反比分布，由此在各層電介質(zhì)中出現(xiàn)了一個(gè)電壓重新分配的過程，最終導(dǎo)致在各層介質(zhì)的交界面上出現(xiàn)宏觀上的空間電荷堆積，形成所謂的夾層極化。其極化過程特別緩慢，所需時(shí)間由幾秒到幾十分鐘，甚至更長，且極化過程伴隨有較大的能量損耗，所以也屬于有損極化。

以雙層介質(zhì)為例，詳細(xì)說明夾層極化的形成過程。圖1-7(a)為雙層介質(zhì)的示意圖。圖1-7(b)為雙層介質(zhì)的等效電路，C₁、C₂分別為介質(zhì)Ⅰ和Ⅱ的電容，G₁、G₂分別為其電導(dǎo)。當(dāng)閉合開關(guān)S突然加上直流電壓U的初瞬(t→0時(shí))，電壓由零很快上升到U，電導(dǎo)幾乎相當(dāng)于開路，這時(shí)兩層介質(zhì)上的電壓按電容成反比分布，即

在t→∞時(shí)，電容相當(dāng)于開路，電流全部從電導(dǎo)中流過，這時(shí)兩層介質(zhì)上的電壓則按電導(dǎo)成反比分布，即

如果是均勻的單一介質(zhì)，即C₁=C₂，G₁=G₂，則會(huì)所以 也就是說，對(duì)均勻介質(zhì)來說，加上電壓后不存在電荷重新分配的過程。

一般來說，，所以，這就是說，在兩層介質(zhì)之間有一個(gè)電壓重新分配的過程。例如，設(shè)C₁＞C₂，G₁＜G₂，則在t→0時(shí)，U₁＜U₂；而在t→∞時(shí)，U₁＞U₂。這樣，在t＞0后，隨著時(shí)間t的增大，U₂逐漸下降，而U₁逐漸升高(因?yàn)閁₁+U₂=U，U為電源電壓，是一定值)。在這種電壓重新分配過程中，C₂上初瞬時(shí)獲得的部分電荷將通過電導(dǎo)G₂放掉。為了保持介質(zhì)上所加的電壓仍為電源電壓，所以C₁必須通過G₂從電源再吸收一部分電荷，這部分電荷稱為吸收電荷。這就是夾層介質(zhì)的分界面上電荷的重新分配過程，即夾層極化過程。應(yīng)該指出，多層介質(zhì)的吸收電荷的過程進(jìn)行得非常緩慢，其時(shí)間常數(shù)為

由于介質(zhì)的電導(dǎo)很小，所以時(shí)間常數(shù)τ很大。當(dāng)絕緣受潮或劣化時(shí)，電導(dǎo)增大，τ就會(huì)大大下降。利用這一特點(diǎn)，人們采用一種稱為吸收比測(cè)量的試驗(yàn)來檢驗(yàn)絕緣是否受潮或嚴(yán)重劣化(將在1.2節(jié)和5.1節(jié)中具體介紹)。

1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)

1.2.1 吸收現(xiàn)象

如圖1-8(a)所示，當(dāng)S2處于斷開狀態(tài)，合上S1直流電壓U加在固體電介質(zhì)時(shí)，通過介質(zhì)中的電流將隨時(shí)間而衰減，最終達(dá)到某一穩(wěn)定值，其電流隨時(shí)間的變化曲線如圖1-8(b)所示，這種現(xiàn)象稱為吸收現(xiàn)象。

吸收現(xiàn)象是由電介質(zhì)的極化所引起，無損極化產(chǎn)生電流i_c，有損極化產(chǎn)生電流i_a，如圖1-8(b)所示。顯然，無損極化迅速完成，所以i_c即刻衰減到零；而有損極化完成的時(shí)間較長，所以i_a較為緩慢地衰減到零，這部分電流稱為吸收電流。不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定電流I_g稱為電介質(zhì)的電導(dǎo)電流或泄漏電流。因此，通過電介質(zhì)的電流由三部分組成，即

                       i=i_c+i_a+I_g                            (1-7)

尚須指出，吸收電流是可逆的，即在圖1-8(a)的電路中，如斷開S1，除去外加電壓，并將S2閉合上，使電介質(zhì)兩側(cè)的極板短路，這時(shí)會(huì)有與吸收電流變化規(guī)律相同的電流一i反向流過，如圖1-8(b)所示。

根據(jù)上述分析，可畫出電介質(zhì)的三支路并聯(lián)等效電路，如圖1-9所示。圖中含有電阻R的支路代表電導(dǎo)電流支路，含有電容C的支路代表無圍極化引起的瞬時(shí)充電電流支路，而電阻r和電容?C串聯(lián)的支路則代表有損極化引起的吸收電流支路。

吸收現(xiàn)象在絕緣試驗(yàn)中對(duì)判斷絕緣介質(zhì)是否受潮很有用。因?yàn)楫?dāng)絕緣受潮時(shí)，其電導(dǎo)大大增加，電導(dǎo)電流I_g也大大增加，而吸收電流i_a的變化相對(duì)較小，且通過r很快衰減。據(jù)此，工程上通過測(cè)量加上直流電壓后t=15s和==60s時(shí)流過絕緣介質(zhì)的電流I之比來反映吸收現(xiàn)象的強(qiáng)弱，此比值即為介質(zhì)的吸收比 K，其表達(dá)式為

對(duì)良好的絕緣，一般K≥1.3，當(dāng)絕緣受潮或劣化時(shí)K值變小。此外，在對(duì)吸收現(xiàn)象較顯著的絕緣試驗(yàn)中，如電纜、電容器等設(shè)備，要特別注意出吸收電流聚積起來的所謂“吸收電荷”對(duì)人身和設(shè)備安全的威脅。

1.2.2 電介質(zhì)的電導(dǎo)率

理想的絕緣應(yīng)該是不導(dǎo)電的，但實(shí)際上絕對(duì)不導(dǎo)電的介質(zhì)是不存在的。所有的絕緣材料都存在極弱的導(dǎo)電性，表示電導(dǎo)特性的物理量是電導(dǎo)率γ，它的倒數(shù)是電阻率ρ。電工絕緣材料的ρ一般為10⁸～10²⁰Ω·m；導(dǎo)體的ρ為10^-8～10^-4Ω·m；介乎二者之間的為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的ρ為10^-3～10⁷Ω·m。可見絕緣與導(dǎo)體只是相對(duì)而言，二者之間并無確切的界線。而是人為的劃分。幾種常用介質(zhì)的電阻率列于表1-1。

需要指出，電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有著本質(zhì)的區(qū)別。氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)是由于游離出來的電子、正離子和負(fù)離子等在電場(chǎng)作用下移動(dòng)而造成的；液體和固體電介質(zhì)的電導(dǎo)是由于這些介質(zhì)中所含雜質(zhì)分子的化學(xué)分解或熱離解形成的帶電質(zhì)點(diǎn)(主要是正、負(fù)離子)沿電場(chǎng)方向移動(dòng)而造成的。因此，電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是離子式電導(dǎo)。金屬的電導(dǎo)是金屬導(dǎo)體中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向流動(dòng)所造成。所以，金屬的電導(dǎo)是電子式電導(dǎo)。此外，電介質(zhì)的電導(dǎo)隨溫度的升高近似于指數(shù)規(guī)律增加，或者說其電阻率隨溫度的上升而下降，這恰恰與金屬導(dǎo)電的情況相反。這是因?yàn)椋?dāng)溫度升高時(shí)，電介質(zhì)中導(dǎo)電的離子數(shù)將因熱離解而增加；同時(shí)，溫度升高，分子間的相互作用力減小及離子的熱運(yùn)動(dòng)改變了原有受束縛的狀態(tài)，從而有利于離子的遷移，所以使電介質(zhì)的電導(dǎo)率增加。電介質(zhì)的電導(dǎo)率γ與溫度T之間的關(guān)系式為

式中：A、B為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

在實(shí)際測(cè)試絕緣的電導(dǎo)特性時(shí)，通常用電阻來表示，稱為絕緣電阻。由于介質(zhì)中的吸收現(xiàn)象，在外加直流電壓U作用下，介質(zhì)中流過的電流i是隨時(shí)間而衰減的，因此，介質(zhì)的電阻則隨時(shí)間增加，最后達(dá)到某一穩(wěn)定值。人們將電流達(dá)到穩(wěn)定的泄漏電流I_g時(shí)的電阻值作為電介質(zhì)的絕緣電阻。一般情況下，加在絕緣上的直流電壓大約經(jīng)過60s，泄漏電流即可達(dá)到穩(wěn)定值，因此常用R_60s的值作為穩(wěn)態(tài)絕緣電阻值R_∞。固體電介質(zhì)的泄漏電流，除了通過介質(zhì)本身體積的泄漏電流I_v外，還包含有沿金質(zhì)表面的泄漏電流I_s，即I=I_v+I_s。因此，所測(cè)介質(zhì)的絕緣電阻R實(shí)際上是體積電阻R_v和表面電阻R_s相并聯(lián)的等效電阻，即

由于介質(zhì)的表面電阻取決于表面吸附的水分和臟污，受外界條件的影響較大，因此，為消除或減小介質(zhì)表面狀況對(duì)所測(cè)絕緣電阻的影響，一般應(yīng)在測(cè)試之前首先對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行清潔處理，并在測(cè)量接線上采取一定的措施(將在5.2節(jié)中具體介紹)，以減小表面泄漏電流對(duì)測(cè)量的影響。

電介質(zhì)的電導(dǎo)在工程實(shí)際中的意義：

(1)在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)巾，通過測(cè)量絕緣電阻和泄漏電流來反映絕緣的電導(dǎo)特性，以判斷絕緣是否受潮或存在其他劣化現(xiàn)象。在測(cè)試過程中應(yīng)消除或減小表面電導(dǎo)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)還要注意測(cè)量時(shí)的溫度。

(2)對(duì)于串聯(lián)的多層電介質(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，在直流電壓下的穩(wěn)態(tài)電壓分布與各層介質(zhì)的電導(dǎo)成反比。因此設(shè)計(jì)用于直流的設(shè)備絕緣時(shí)，要注意所用電介質(zhì)的電導(dǎo)率的合理搭配，達(dá)到均衡電壓分布的效果，以便盡可能使材料得到合理使用。同時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)隨溫度的升高而增加，這對(duì)正確使用和分析絕緣狀況有指導(dǎo)意義。

(3)表面電阻對(duì)絕緣電阻的影響使人們注意到如何合理地利用表面電阻。如果要減小表面泄漏電流，應(yīng)設(shè)法提高表面電阻，如對(duì)表面進(jìn)行清潔、干燥處理或涂敷憎水性涂料等；如果要減小某部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，則需減小表面電阻，如在高壓套管法蘭附近涂半導(dǎo)體釉，高壓電機(jī)定子繞組露出槽口的部分涂半導(dǎo)體漆等，都是為了減小該處的電場(chǎng)強(qiáng)度，以消除電暈。

1.3電介質(zhì)的損耗

1.3.1電介質(zhì)損耗的基本概念

任何電介質(zhì)在電壓作用下都會(huì)有能量損耗：一種是由電導(dǎo)引起的所謂電導(dǎo)損耗；另一種是由某種極化引起的所謂極化損耗。電介質(zhì)的能量損耗簡稱為介質(zhì)損耗。同一介質(zhì)在不同類型的電壓作用下，其損耗也不同。

在直流電壓下，由于介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，而一次性極化所損耗的能量可以忽略不計(jì)，所以電介質(zhì)中的損耗就只有電導(dǎo)引起的損耗，這時(shí)用電介質(zhì)的電導(dǎo)率即可表達(dá)其損耗特性。因此，在直流電壓下沒有介質(zhì)損耗這一說法。

在交流電壓下，除了電導(dǎo)損耗外，還存在由于周期性反復(fù)進(jìn)行的極化而引起的不可忽略的極化損耗，所以需要引入一個(gè)新的物理量來反映電介質(zhì)的能量損耗特性，即所謂電介質(zhì)損耗。電介質(zhì)損耗最終會(huì)引起電介質(zhì)的發(fā)熱，致使溫度升高，溫度升高又使介質(zhì)的電導(dǎo)增大，泄漏電流增加，損耗進(jìn)一步增大，如此形成惡性循壞。長期的高溫作用會(huì)加速絕緣的老化過程，直至損壞絕緣。因此，介質(zhì)的損耗特性對(duì)其絕緣性能影響極大。

由上述可見，絕緣在交流電壓下的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在直流電壓下的損耗，這也是絕緣在交流電壓下比在直流電壓下更容易劣化和損壞的重要原因之一。

1.3.2 介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)

圖1-9所示的電介質(zhì)三支路并聯(lián)等效電路可以代表任何實(shí)際介質(zhì)的等效電路，不但適用于直流電壓，也適用于交流電壓。電路中的電阻R及r是引起有功功率損耗的元件。R代表電導(dǎo)引起的損耗，r代表有損極化過程中引起的損耗。在交流電壓作用下，電介質(zhì)等效電路中的電流(或電壓)可以歸并為有功和無功兩個(gè)分量。因此，圖1-9可進(jìn)一步簡化為電阻和電容兩個(gè)元件并聯(lián)或串聯(lián)的等效電路，如圖1-10、圖1-11所示。

在等效電路所對(duì)應(yīng)的相量圖中，φ為通過介質(zhì)的電流與所加電壓間的相位角，即電路的功率因數(shù)角；δ為φ的余角，稱之為介質(zhì)損耗角。

需要指出，上述兩個(gè)等效電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)各不相同，但這并不影響電路中的電壓、電流及其相位關(guān)系，這是因?yàn)樗鼈兪歉鶕?jù)等效條件建立起來的。

對(duì)于圖1-10所示的并聯(lián)等效電路，有

電路中的功率損耗為

對(duì)于圖1-11所示的串聯(lián)等效電路，有

電路中的功率損耗為

因?yàn)樯鲜鰞煞N等效電路是描述同一介質(zhì)的不同等效電路，所以其功率損耗應(yīng)相等。比較式(1-12)和式(1-14)可得

此式說明，對(duì)同一介質(zhì)用不同的等效電路表示時(shí)，其等效電容是不相同的。所以，當(dāng)用高壓電橋測(cè)量絕緣的tanδ時(shí)，電容量的計(jì)算公式則與采用哪一種等效電路有關(guān)。由于絕緣的tanδ一般都很小，即1+tan²δ≈1，故C_p≈C_s，這時(shí)功率損耗在兩種等效電路中就可用同一公式表示為

由此可見，介質(zhì)損耗P與外加電壓U的平方成正比，與電源的角頻率ω成正比，且與電容量成正比。所以，為了控制絕緣的損耗功率，減少其發(fā)熱，延緩介質(zhì)的老化，應(yīng)避免絕緣長期在高于其額定電壓及高于額定頻率的電源下工作。通常，對(duì)于電氣設(shè)備而言，額定工作電壓及電源頻率均為定值，由于絕緣結(jié)構(gòu)一定，C也一定，因此P最后取決于tanδ，即P與tanδ成正比，所以tanδ的大小將直接反映介質(zhì)損耗功率的大小。因此，在高電壓工程中常將tanδ 作為衡量電介質(zhì)損耗特性的一個(gè)物理參數(shù)，稱之為介質(zhì)損耗因數(shù)或介質(zhì)損耗角正切。

需要說明，用tanδ表示電介質(zhì)的損耗特性要比直接用損耗功率P方便得多，這是因?yàn)椋?/span>

(1)P值與試驗(yàn)電壓、試品尺寸均密切相關(guān)，因此不能對(duì)不同尺寸的絕緣材料進(jìn)行比較。

(2) 是一個(gè)比值，無量綱，它與材料的幾何尺寸無關(guān)，只與材料的品質(zhì)特性有關(guān)。因此，可以直接根據(jù)tanδ的值對(duì)電介質(zhì)的損耗特性作出評(píng)價(jià)。

在表1-2中列出了一些常用液體和固體電介質(zhì)在工頻電壓下20℃的tanδ值。

表1-2               常用液體和固體電介質(zhì)在工頻電壓下20℃的tanδ值

1.3.3影響電介質(zhì)損耗的因素

(1)不同的電介質(zhì)，其損耗特性也不同。氣體電介質(zhì)的損耗僅由電導(dǎo)引起，損耗極小(tanδ＜10^-8)，所以常用氣體(空氣、N₂等)作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)。但當(dāng)外加電壓U超過氣體的起始放電電壓U₀時(shí)，將發(fā)生局部放電，這時(shí)氣體的損耗將急劇增加，這在高壓輸電線上是常見的，稱為電暈損耗。此外，當(dāng)固體電介質(zhì)中含有氣隙時(shí)，在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，氣隙中將產(chǎn)生局部放電，也會(huì)使損耗急劇增加，使固體絕緣逐漸劣化，因此常采用干燥、浸油或充膠等措施來消除氣隙。對(duì)固體電介質(zhì)和金屬電極接觸處的空氣隙，經(jīng)常采用短路的辦法，使氣隙內(nèi)電場(chǎng)為零。例如，在35kV純瓷套管的內(nèi)壁上涂半導(dǎo)體釉或噴鋁，并通過彈性銅片與導(dǎo)電桿相連。液體和固休電介質(zhì)的損耗特性比較復(fù)雜，因?yàn)椴煌奈镔|(zhì)結(jié)構(gòu)只有不同的極化特性，不同的極化特性自然會(huì)影響到介質(zhì)的損耗特性。

(2)中性或弱極性介質(zhì)的損耗主要山電導(dǎo)引起，tanδ較小。損耗與溫度的關(guān)系和電導(dǎo)與溫度的關(guān)系相似，即tanδ隨溫度的升高也是按指數(shù)規(guī)律增大。例如，變壓器油在20℃時(shí)的tanδ≤0.5%，70℃時(shí)tanδ ≤2.5%。

(3)對(duì)于極性液體介質(zhì)，由于偶極子轉(zhuǎn)向極化引起的極化損耗較大，所以tanδ較大，而且tanδ與溫度、頻率均有關(guān)，如圖1-12所示。以曲線1為例介紹，當(dāng)溫度t＜t₁；時(shí)，由于溫度較低，電導(dǎo)損耗和極化損耗都很小。隨著溫度的升高，材料的黏滯性減小，有利于偶極子的轉(zhuǎn)向極化，使極化損耗顯著增大，同時(shí)電導(dǎo)損耗也隨溫度的升高而有所增大，所以在這一范圍內(nèi)tanδ隨溫度的升高而增大。當(dāng)去t₁＜t＜t₂時(shí)，隨著溫度的升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)加快，從而又妨礙了偶極子在電場(chǎng)作用下進(jìn)行有規(guī)則的排列，因此極化損耗隨溫度升高而減小。由于這一溫度范圍內(nèi)極化損耗的減小要比電導(dǎo)損耗的增加更快，所以總的tanδ曲線隨溫度的升高而減小。當(dāng)t＞t₂時(shí)，由于電導(dǎo)損耗隨溫度的升高而急劇增加，極化損耗相對(duì)來說已不占主要部分，因此tanδ重新又隨溫度的升高而增大。

(4)對(duì)于油紙組合絕緣介質(zhì)，其tanδ值的大小與油紙的老化程度和溫度均有關(guān)。由于隨著油紙絕緣老化程度的加深，絕緣紙內(nèi)部含有的纖維素小分子鏈、水分、纖維素降解產(chǎn)物(低分子酸等)以及絕緣油老化生成的酸等弱極性或極性物質(zhì)會(huì)增多，導(dǎo)致油紙絕緣單位體積內(nèi)帶電粒子數(shù)目增多。因此，在交變電場(chǎng)的作用下，老化的油紙絕緣極化損耗會(huì)增大，使得油紙絕緣的tanδ值隨著老化程度的加深而增大，且其tanδ值與溫度、頻率的關(guān)系和極性液體相似，表現(xiàn)為tanδ先隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)又隨溫度的升高而減小，如圖1-13所示。

(5)從圖1-12還可以看出，當(dāng)f₂＞f₁，即電源頻率增高時(shí)，tanδ的極大值出現(xiàn)在較高的溫度。這是因?yàn)殡娫搭l率增高時(shí)，偶極子的轉(zhuǎn)向來不及充分進(jìn)行，要使極化進(jìn)行得充分，就必須減小黏滯性，也就是說要升高溫度，所以使整個(gè)曲線往右移。tanδ與溫度t的關(guān)系曲線在工程上具有重要實(shí)用意義。例如，配制絕緣材料時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選擇配方的比例，使所配制的絕緣材料在其工作溫度范圍之內(nèi)tanδ的值最小(如t₂點(diǎn))，而避開tanδ的最大值(如t₁點(diǎn))。

（6）電場(chǎng)對(duì)電介質(zhì)的tanδ有直接的影響。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，電介質(zhì)的損耗僅有電導(dǎo)損耗和一定的極化損耗，且處于某一較為穩(wěn)定的數(shù)值。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值后，會(huì)使電介質(zhì)中產(chǎn)生局部放電，損耗急劇增加。在不同電壓下測(cè)量絕緣的tanδ，作出的tanδ與電壓的關(guān)系曲線，如圖1-14所示。由圖可見，當(dāng)外加電壓U超過某一電壓U₀時(shí)tanδ急劇上升。U₀便是介質(zhì)產(chǎn)生局部放電的起始電壓。工程上常以此來判斷介質(zhì)中是否存在局部放電現(xiàn)象。

1.4 電介質(zhì)的擊穿

電介質(zhì)作為絕緣材料是針對(duì)一定的電壓而言的。在一定電壓下，當(dāng)介質(zhì)呈現(xiàn)出極微弱的導(dǎo)電性能，其絕緣電阻值很高，通過介質(zhì)的泄漏電流極小時(shí)，介質(zhì)是絕緣的。但是，隨著外施電壓的升高到某一臨界值后，電介質(zhì)的電導(dǎo)則顯著增大，泄漏電流急劇增加，發(fā)生放電現(xiàn)象，使電介質(zhì)喪失其原有的絕緣性能，將這種放電現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿，將發(fā)生擊穿時(shí)的電壓稱為擊穿電壓。顯而易見，電介質(zhì)的擊穿特性是電介質(zhì)作為絕緣介質(zhì)的一個(gè)極為重要的特性。通常用擊穿場(chǎng)強(qiáng)E_b (kV/cm)來表示，也稱為絕緣抗電強(qiáng)度或簡稱絕緣強(qiáng)度。

高電壓與絕緣既是對(duì)立的，又是統(tǒng)一的，二者的對(duì)立為高電壓技術(shù)工作者提供了非常豐富的研究內(nèi)容：一是要分析研究、合理利用各種絕緣材料的絕緣特性，研制各種高抗電強(qiáng)度的新材料等；二是要研究各種過電壓的產(chǎn)生機(jī)理，以及采用各種限制過電壓的方法和過電壓保護(hù)措施，使過電壓降低或被限制到絕緣的抗電強(qiáng)度以內(nèi)，最終求得高電壓與絕緣的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)優(yōu)的絕緣配合，以保證電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

為了提高電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，就必須分析和研究各種介質(zhì)在各種不同電壓作用下的擊穿機(jī)理和耐受電壓的規(guī)律。由于不同的介質(zhì)在不同的電壓作用下的擊穿機(jī)理各不相同，影響電介質(zhì)擊穿的因素又是多種多樣，隨機(jī)性強(qiáng)，因此使得對(duì)電介質(zhì)的擊穿特性的研究變得極為復(fù)雜，致使各種形態(tài)的電介質(zhì)的放電機(jī)理至今尚未被人們所揭示，絕緣理論還有待進(jìn)一步完善，許多實(shí)際的絕緣問題還必須通過高電壓試驗(yàn)來解決，比如，絕緣的抗電強(qiáng)度日前就只能用高電壓試驗(yàn)的方法才能予以確定，而這些正是以后各章具體分析和研究的內(nèi)容。

小 結(jié)

(1)電介質(zhì)的基本電氣特性表現(xiàn)為極化特性、電導(dǎo)特性、損耗特性和擊穿特性，相應(yīng)的物理參數(shù)為相對(duì)介電常數(shù)ε_r，電導(dǎo)率γ、介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ和擊穿場(chǎng)強(qiáng)E_b。電介質(zhì)的這些基本特性在高電壓工程中都具有重要的實(shí)際意義。

(2)電介質(zhì)的極化可分為無損極化和有損極化兩大類。無損極化包括電子式極化和離子式極化，有損極化包括偶極子式極化和空間電荷極化。夾層極化是空間電荷極化的一種特殊形式，在工程實(shí)踐中具有重要意義。多層介質(zhì)相串聯(lián)的絕緣結(jié)構(gòu)，再加上直流電壓的初瞬(t→0)，各層介質(zhì)中的電場(chǎng)分布與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)成反比；穩(wěn)態(tài)時(shí)(t→∞)的電場(chǎng)分布則與介質(zhì)的電導(dǎo)率成反比，在此過程中存在吸收現(xiàn)象..

(3)電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有著本質(zhì)的區(qū)別。電介質(zhì)電導(dǎo)屬于離子式電導(dǎo)，隨溫度的升高按指數(shù)規(guī)律增大；金屬電導(dǎo)屬于電子式電導(dǎo)，隨溫度的升高而減小。

(4)電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在損耗，其中氣體電介質(zhì)的損耗可以忽略不計(jì)。在直流電壓作用下電介質(zhì)的損耗僅為由電導(dǎo)引起的電導(dǎo)損耗，而交流電壓作用下電介質(zhì)的損耗既有電導(dǎo)損耗，又有極化損耗。因此，電介質(zhì)在交流電壓下的損耗遠(yuǎn)大于其直流電壓下的損耗。

習(xí) 題

1-1電介質(zhì)有哪些基本電氣特性？表示這些基本電氣特性的物理參數(shù)是什么？

1-2舉例說明介電常數(shù)在工程實(shí)際中有何意義。

1-3什么是吸收現(xiàn)象？研究吸收現(xiàn)象有何實(shí)際意義？