介電常數(shù)、電阻率、介質(zhì)損耗角正切、擊穿電壓等電氣性能介紹

1、電介質(zhì)的基本概念
具備無(wú)傳導(dǎo)電子絕緣體的物理特性，在電場(chǎng)中可發(fā)生極化的固體、液體和氣體，總稱(chēng)為電介質(zhì)。作為材料，電介質(zhì)與導(dǎo)體、半導(dǎo)體和磁性材料一樣，在電氣電子學(xué)科領(lǐng)域占有重要的地位。電介質(zhì)不僅包括絕緣材料，還包括各種功能材料，如壓電、熱釋電、光電和鐵電材料等。工程上，高絕緣電阻作為電介質(zhì)的主要特性，被廣泛應(yīng)用于電氣絕緣材料領(lǐng)域，高介電常數(shù)則主要用于儲(chǔ)能領(lǐng)域。因而電介質(zhì)的知識(shí)主要包括電介質(zhì)基礎(chǔ)理論、絕緣材料、絕緣測(cè)試和絕緣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)、工藝問(wèn)題。
物質(zhì)的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，為掌握電介質(zhì)在電場(chǎng)中的現(xiàn)象和本質(zhì)，必須了解其微觀結(jié)構(gòu)。
2、形成分子和聚集態(tài)的各種鍵
分子由原子或離子組成；氣體、液體和固體三種聚集態(tài)由原子、離子或分子組成。鍵代表質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合方式，分子及三種聚集態(tài)的性質(zhì)與鍵的形式密切相關(guān)。分子內(nèi)相鄰原子間的結(jié)合力稱(chēng)為化學(xué)鍵，化學(xué)鍵有離子鍵和共價(jià)鍵兩大類(lèi)。分子與分子間的結(jié)合力稱(chēng)為分子鍵。下面從電介質(zhì)的角度分別討論各類(lèi)鍵的性質(zhì)。
（1）離子鍵
電負(fù)性相差很大的原子相遇，原子間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，電負(fù)性小的原子要失去電子而成為正離子，電負(fù)性大的原子要獲得電子而成為負(fù)離子。正、負(fù)離子由靜電庫(kù)侖力結(jié)合成分子，即為離子鍵。離子鍵的鍵能很高，很多正、負(fù)離子通過(guò)離子鍵結(jié)合起來(lái)，形成離子性固體，如NaCl晶體。大多數(shù)無(wú)機(jī)電介質(zhì)都是靠離子鍵結(jié)合起來(lái)的，如玻璃、云母等。排列不規(guī)則的稱(chēng)為無(wú)定形體，排列規(guī)則的稱(chēng)為晶體。
（2）共價(jià)鍵
由電負(fù)性相等或相差不大的兩個(gè)或幾個(gè)原子通過(guò)共有電子對(duì)結(jié)合起來(lái)，達(dá)到穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為共價(jià)鍵。共價(jià)鍵分非極性鍵和極性鍵。
非極性鍵的電子對(duì)稱(chēng)分布，分子正、負(fù)電荷中心重合。非極性鍵構(gòu)成非極性分子，如H2、CCl4CH4等。極性鍵的電子分布不對(duì)稱(chēng)，分子的正、負(fù)電荷中心不重合。有機(jī)電介質(zhì)都是由共價(jià)鍵結(jié)合而成，某些無(wú)機(jī)晶體如金剛石也是共價(jià)鍵。
（3）分子鍵
分子以相互間的吸引力結(jié)合在一起，稱(chēng)為分子鍵。
3．電介質(zhì)的分類(lèi)
根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)可將電介質(zhì)分為3類(lèi)。
（1）非極性及弱極性電介質(zhì)
分子由共價(jià)鍵結(jié)合，由非極性分子組成的電介質(zhì)稱(chēng)為非極性電介質(zhì)，如氮?dú)狻⒕鬯姆蚁┑取Ｓ行╇娊橘|(zhì)由于存在分子異構(gòu)或支鏈，多少有些極性，稱(chēng)為弱極性電介質(zhì)，如聚苯乙烯等。
（2）極性電介質(zhì)
極性電介質(zhì)是由極性分子組成的電介質(zhì)，如聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、蓖麻油、膠木、纖維素等。
（3）離子性電介質(zhì)
離子性電介質(zhì)只有固體形式，它沒(méi)有個(gè)別的分子，總體上分為晶體和無(wú)定形體兩大類(lèi)。晶體的排列規(guī)則，強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)都較高；無(wú)定形體的排列不規(guī)則，彈性、塑性較好。云母是晶體結(jié)構(gòu)；石英是無(wú)定形體結(jié)構(gòu)；電瓷的結(jié)構(gòu)既有晶體，又有無(wú)定形體。
一般無(wú)機(jī)材料以離子鍵結(jié)合；有機(jī)材料以分子鍵結(jié)合，分子內(nèi)部以共價(jià)鍵結(jié)合。

3、電介質(zhì)電氣性能的劃分
電介質(zhì)在電氣、電子工程上多用作絕緣材料。絕緣材料必定是絕緣體。作為電工設(shè)備，其中的導(dǎo)體必須要考慮絕緣，即在有一定電位差的兩導(dǎo)體間進(jìn)行隔離，使電流按一定電路流動(dòng)，以確保安全運(yùn)行。因此，絕緣材料是電工設(shè)備中的材料。
根據(jù)使用目的和使用條件，要求電介質(zhì)具備電氣、熱、機(jī)械等多方面的性能。從電工絕緣物理性能來(lái)看，其基本電氣性能可概括成如下4個(gè)方面：
（1）介電特性（dielectric property）：指電介質(zhì)的極化及其損耗特性；
（2）電氣傳導(dǎo)特性（electrical conduction property）：如載流子移動(dòng)、高場(chǎng)強(qiáng)下的電氣傳導(dǎo)等；
（3）電氣擊穿特性（electrical breakdown property）：包括劣化、擊穿、伏秒特性等；
（4）二次效應(yīng)（secondary effect）：如空間電荷、陷阱、局域態(tài)中心、界面、化學(xué)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、雜質(zhì)、環(huán)境因素等對(duì)上述特性的影響。
絕緣材料的應(yīng)用，需要正確理解電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下這些性能的物理本質(zhì)、電氣性能與微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系以及與周?chē)h(huán)境各種變化因素的關(guān)系。工程上通常把電介質(zhì)的介電常數(shù)e、電導(dǎo)、電介質(zhì)損耗角正切（也稱(chēng)電介質(zhì)損耗因數(shù)）tano和擊穿電壓（或電氣強(qiáng)度）作為電介質(zhì)絕緣材料的主要電氣性能參數(shù)并加以利用。

4、常見(jiàn)液體和固體電介質(zhì)的電氣性能參數(shù)

液體、固體電介質(zhì)電氣性能受到電壓波形和溫度等因素的影響,進(jìn)行電介質(zhì)電氣性能測(cè)試時(shí)應(yīng)記錄試驗(yàn)電壓類(lèi)型、頻率和溫度等,一般測(cè)量是在20℃、1atm下完成的。表4-1和表4-2分別給出常見(jiàn)的液體和固體電介質(zhì)的電氣性能參數(shù)。

表1常見(jiàn)液體電介質(zhì)的電氣性能參數(shù)

注:擊穿電壓的間隙距離為2.5mm。未作說(shuō)明的參數(shù)為20℃、工頻電壓下的測(cè)量結(jié)果。

表2常見(jiàn)固體電介質(zhì)的電氣性能參數(shù)

注：未作說(shuō)明的參數(shù)為常溫、工頻電壓下的測(cè)量結(jié)果。電氣強(qiáng)度與試品厚度密切相關(guān)，表中電氣強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)自不同厚度。工頻電氣強(qiáng)度均為有效值。
＊注：硅橡膠本身是弱極性材料，這里給出的是作為內(nèi)絕緣用的硅橡膠制品的參數(shù)。

4.1 液體、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗
4.1.1 電介質(zhì)的極化及相對(duì)介電常數(shù)
1．極化的基本概念
電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，正、負(fù)電荷作微小位移而在電場(chǎng)方向上產(chǎn)生偶極矩，或在電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)束縛電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)極化。
2．極化的基本類(lèi)型
一個(gè)平行平板電容器在真空中的電容量為，如果在平行平板間插入一種固體電介質(zhì)，則此電容器的電容量將變?yōu)?/span>E,Co,Er，為此電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，也稱(chēng)電容率，其值大于1。電容量增大的原因在于電介質(zhì)的極化現(xiàn)象。
電介質(zhì)的極化有5種基本形式：電子位移極化、離子位移極化、轉(zhuǎn)向極化、空間電荷極化和夾層電介質(zhì)界面極化。
（1）電子位移極化
電介質(zhì)中的原子、分子或離子中的電子在外電場(chǎng)的作用下電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移，從而在電場(chǎng)方向產(chǎn)生偶極矩的過(guò)程稱(chēng)為電子位移極化。
此種極化的特點(diǎn)是存在于一切電介質(zhì)之中。由于電子質(zhì)量很小，所以建立極化時(shí)間極短，為10^-15~10^-14s。極化程度取決于電場(chǎng)強(qiáng)度E，與電源頻率f無(wú)關(guān)，與溫度的關(guān)系也不大，因?yàn)闇囟炔蛔阋砸鹳|(zhì)點(diǎn)內(nèi)部電子能量狀態(tài)的變化。此種極化是彈性的，無(wú)能量損耗，去掉外電場(chǎng)，極化現(xiàn)象可立即消失。
（2）離子位移極化
在由離子結(jié)合成的電介質(zhì)內(nèi)，外電場(chǎng)的作用使正、負(fù)離子產(chǎn)生微小位移，平均地具有了電場(chǎng)方向的偶極矩，這種極化形式稱(chēng)為離子位移極化。
這種極化形式存在于離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中。建立此種極化的時(shí)間極短，為10^-13~10^-12s，極化程度與電源頻率f無(wú)關(guān)。但隨溫度升高，離子位移極化略有增加，即εr一般有正的溫度系數(shù)。由于離子間距離增加、離子間作用力減少，因而離子較易極化。離子位移極化也是彈性的，無(wú)能量損失。去掉外電場(chǎng)，極化現(xiàn)象也可立即消失。

（3）轉(zhuǎn)向極化

轉(zhuǎn)向極化又稱(chēng)偶極弛豫極化。在極性電介質(zhì)中，分子中正、負(fù)電荷作用中心不重合，就單個(gè)分子而言，就已具有偶極矩，稱(chēng)為極性分子。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，極性分子處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)外平均不具有偶極矩。在外電場(chǎng)作用下極性分子在電場(chǎng)方向的取向概率增加，對(duì)外平均具有了電場(chǎng)方向的偶極矩，稱(chēng)此種極化方式為轉(zhuǎn)向極化。
轉(zhuǎn)向極化存在于極性電介質(zhì)中。偶極子轉(zhuǎn)向極化是非彈性的，轉(zhuǎn)向需克服相互間的作用而做功，消耗的能量在復(fù)原時(shí)不可能收回。極化需時(shí)較長(zhǎng)，為10-6~10-2s；極化程度和電源頻率f有關(guān)，在頻率較高時(shí)極性分子來(lái)不及隨電場(chǎng)的變化而轉(zhuǎn)向，從而使極化程度減小。
轉(zhuǎn)向極化與溫度的關(guān)系復(fù)雜，隨溫度增加轉(zhuǎn)向極化程度先增加后降低。在低溫段固體與液體電介質(zhì)的分子間聯(lián)系緊，難以轉(zhuǎn)向，不易極化。溫度提高，極化程度增加。但在溫度較高時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，妨礙偶極子沿電場(chǎng)方向取向，使極化程度又降低。
在結(jié)構(gòu)不緊密的離子性電介質(zhì)中存在離子弛豫極化，這種極化的特性和偶極弛豫極化相似，可歸為轉(zhuǎn)向極化一類(lèi)。
（4）空間電荷極化
上述三種極化是帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移或轉(zhuǎn)向形成的，而空間電荷極化則與上述三種極化不同，它是由帶電質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)形成的。
電介質(zhì)內(nèi)的自由正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)，改變分布狀況，在電極附近或電介質(zhì)內(nèi)部形成空間電荷，因而稱(chēng)這種極化形式為空間電荷極化。
這種極化形式存在于不均勻電介質(zhì)中，伴隨有能量損失，高壓絕緣電介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，極化建立需時(shí)很長(zhǎng)，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才可能發(fā)生。
（5）夾層電介質(zhì)界面極化
在實(shí)際電氣設(shè)備中有不少都是多層電介質(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)以雙層電介質(zhì)模型來(lái)分析電介質(zhì)界面極化。圖4-1中，在合閘瞬間兩層電介質(zhì)的初始電壓比由電容決定，穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓比由電導(dǎo)決定：t=0時(shí)，U1/U2=C2/C1;t→時(shí)，U1/U2=G2/G1。

圖1 雙層電介質(zhì)極化模型

如果C2/C1=G2/G1，則雙層電介質(zhì)的表面電荷不重新分配，初始電壓比等于穩(wěn)態(tài)電壓比。但實(shí)際上很難滿足上述條件，電荷要重新分配，這樣在兩層電介質(zhì)的交界面處會(huì)積累電荷，故稱(chēng)為夾層電介質(zhì)界面極化。夾層界面上電荷的堆積是通過(guò)電介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，它的特性和空間電荷極化相似。
3．電介質(zhì)的介電常數(shù)
在真空中，有關(guān)系式

D=ε0E

式中，E為電場(chǎng)矢量，V/mm；D為電通密度矢量，C/㎡。D與E是同方向的，比例常數(shù)ε0為真空的介電常數(shù)，其值約為8．854x10^-12F/m在電介質(zhì)中，則有關(guān)系式

D=εE
03'3=3

式中，D與E仍是同方向的，比例常數(shù)ε為電介質(zhì)的介電常數(shù)，εr為相對(duì)介電常數(shù)。

應(yīng)該說(shuō)電介質(zhì)的ε并不是常數(shù)，ε不僅隨溫度、頻率而變化，在深入研究時(shí)ε甚至分實(shí)數(shù)與虛數(shù)兩部分，但在通常情況下，僅用ε的實(shí)數(shù)部分，所以在電工術(shù)語(yǔ)上稱(chēng)ε為介電常數(shù)；實(shí)數(shù)部分的εr稱(chēng)為相對(duì)介電常數(shù)，該常數(shù)大于1，沒(méi)有量綱和單位。

（1）氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)

氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化程度很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近1，表1列出了幾種氣體的相對(duì)介電常數(shù)值。

表1部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（20℃，1atm時(shí)）

注：1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）＝1.01325x105Pa。

氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小。

（2）液體電介質(zhì)的介電常數(shù)

①非極性和弱極性電介質(zhì)。屬于這類(lèi)的液體電介質(zhì)有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它們的相對(duì)介電常數(shù)都不大，其值不超過(guò)2.8。相對(duì)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系和單位體積中的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相似。

②極性電介質(zhì)。這類(lèi)電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，其值在3～80之間，能用作絕緣電介質(zhì)的εr值為3～6。此類(lèi)液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大，蓖麻油和幾種合成液體電介質(zhì)有實(shí)際應(yīng)用。相對(duì)介電常數(shù)與溫度及頻率的關(guān)系如圖1所示。

θ/℃

圖1氯化聯(lián)苯的相對(duì)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系

（頻率

（3）固體電介質(zhì)的介電常數(shù)

①非極性和弱極性固體電介質(zhì)。此類(lèi)固體電介質(zhì)的種類(lèi)很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、云母、石蠟、石棉、硫磺、無(wú)機(jī)玻璃等都屬此類(lèi)。其中云母、石棉等是晶體型離子結(jié)構(gòu)；無(wú)機(jī)玻璃則是無(wú)定形離子結(jié)構(gòu)。這類(lèi)電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化，介電常數(shù)不大，通常為2.0～2.7。相對(duì)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系也與單位體積內(nèi)的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相近。

②極性固體電介質(zhì)。屬于此類(lèi)的固體電介質(zhì)有樹(shù)脂、纖維、橡膠、蟲(chóng)膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等。這類(lèi)電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，一般為3～6，還可能更大。相對(duì)介電常數(shù)與溫度及頻率的關(guān)系類(lèi)似于極性液體電介質(zhì)。

根據(jù)轉(zhuǎn)向極化的特點(diǎn)，可對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻率變化的趨勢(shì)作出解釋。

③離子性電介質(zhì)。此類(lèi)固體電介質(zhì)有陶瓷、云母等，其相對(duì)介電常數(shù)εr一般為5～8。

5．討論極化的意義

（1）選擇絕緣

在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除應(yīng)考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)εr。對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇ε，較大的電介質(zhì)。對(duì)于電纜，為減少電容電流，要選擇ε較小的電介質(zhì)。

（2）多層電介質(zhì)的合理配合

對(duì)于多層電介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其ε，成反比，要注意選擇使各層電介質(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻。

（3）研究電介質(zhì)損耗的理論依據(jù)

電介質(zhì)損耗和極化形式有關(guān)，要掌握不同極化類(lèi)型對(duì)電介質(zhì)損耗的影響。

（4）絕緣試驗(yàn)的理論依據(jù)

為確立電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目提供理論根據(jù)。

6、電介質(zhì)的電導(dǎo)、電阻及電導(dǎo)率、電阻率

1．電介質(zhì)中的漏導(dǎo)電流和位移電流

按照電阻率，物質(zhì)可劃分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（電介質(zhì)），如圖4-3所示。

圖1物質(zhì)常溫、常壓下電阻率值與導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（電介質(zhì)）的劃分

漏導(dǎo)電流是由電介質(zhì)中自由的或聯(lián)系弱的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)造成的。電介質(zhì)電導(dǎo)主要由離子造成，電阻率ρ在范圍內(nèi)。隨溫度升高，電阻率下降。

金屬電導(dǎo)主要由電子造成，電阻率ρ在范圍內(nèi)。隨溫度升高，金屬的電阻率增加。電阻率ρ在二者之間的屬半導(dǎo)體范疇。

電介質(zhì)中除了漏導(dǎo)電流外，還存在位移電流。位移電流是指由電介質(zhì)極化造成的吸收電流。理論上，漏導(dǎo)電流構(gòu)成電介質(zhì)的電導(dǎo)，位移電流則是極化引起的過(guò)渡過(guò)程電流。下面用試驗(yàn)曲線來(lái)說(shuō)明位移電流和漏導(dǎo)電流的區(qū)別和聯(lián)系。

把厚度為h的電介質(zhì)試樣放在圖4-4所示的三電極結(jié)構(gòu)間。圖中3是被試電介質(zhì)；1和4分別表示上下電極，它們?yōu)閳A形電極，上電極外徑為d1；2是輔助電極，它為環(huán)形電極，內(nèi)徑為d2。再接成如圖4-5所示的測(cè)量體積電流的電路，加輔助電極是為了將流過(guò)電介質(zhì)

表面的電流與電介質(zhì)內(nèi)部的電流分開(kāi)，使得高靈敏度電流表A測(cè)得的僅是流過(guò)電介質(zhì)內(nèi)部的電流。

S1合閘后流過(guò)電介質(zhì)內(nèi)部的電流隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖4-6上半部曲線所示。圖中i。部分是由快速極化造成的位移電流；ia是由前述空間電荷極化等緩慢極化所造成，又稱(chēng)為吸收電流。代表漏導(dǎo)電流，又稱(chēng)泄漏電流。為避免S1剛合閘時(shí)電極間的瞬時(shí)充電電流igi。損壞電流表，可先用S3將電流表短接，經(jīng)很短的時(shí)間又將S₃打開(kāi)。

圖1固體電介質(zhì)中的電流與時(shí)間的關(guān)系

吸收電流衰減至一恒定電流值ig往往需要數(shù)分鐘乃至更長(zhǎng)的時(shí)間，如聚乙烯在溫度為20℃時(shí)，在其電流與時(shí)間的對(duì)數(shù)坐標(biāo)中隨時(shí)間增加電流呈直線下降的趨勢(shì)，電流很難趨向漏導(dǎo)電流值。因此，通常測(cè)絕緣電阻是以施加電壓1min或10min（如大型電機(jī)）后的電流來(lái)求出的，不是物理意義上的漏導(dǎo)電阻。

在圖1中施加電壓后斷開(kāi)，再合上，則流過(guò)電流表A的電流如圖4-6下部曲線所示。有隨時(shí)間的變化正好與吸收電流ia相反形狀的電流（注意避開(kāi)瞬時(shí)放電電流i），也稱(chēng)為吸收電流。

氣體中無(wú)吸收電流，液體中極化發(fā)展快，吸收電流衰減快，固體電介質(zhì)的比較明顯，尤其當(dāng)結(jié)構(gòu)不均勻時(shí)。

7．體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)

GB／T1410-2006規(guī)定了表面電阻率與體積電阻率的測(cè)量方法。體積電阻率測(cè)量原理如圖4-4和圖4-5所示。被測(cè)電介質(zhì)的體積電阻率pv為

式中，A為測(cè)量電極的面積；h為電介質(zhì)厚度；體積電阻R、由電流及電壓U決定，。

電介質(zhì)的體積電導(dǎo)率γ、和電阻率pv互為倒數(shù)關(guān)系：

只要改變一下圖1所示電路的接線，設(shè)法測(cè)量上電極與輔助電極間的表面電流，屏蔽上下電極間的體積電流，就可以用圖4-4的三電極結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的表面電阻率或表面電導(dǎo)率，如圖4-7所示。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的電極尺寸中，d1與d2比較接近，即兩電極間距離g很小，電介質(zhì)的表面電阻率ps為

電介質(zhì)的表面電阻率γs為

8．氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)

由外電離因素造成的氣體中離子的濃度為500-1000，在外電場(chǎng)作用下，這些帶電）～1000對(duì)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)構(gòu)成氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)。氣體電介質(zhì)的電流與電壓的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1-3，在電場(chǎng)強(qiáng)度很小時(shí)，電流隨U的增加而增加，如圖OA段所示；當(dāng)U進(jìn)一步增大，外界因素造成的電離接近全部趨向電極時(shí)，i趨向飽和，如圖AB段所示。在該兩段內(nèi)氣體的電導(dǎo)是極微小的，電阻率約1022Ω·cm量級(jí)。A點(diǎn)和B點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值分別為當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)，氣體電介質(zhì)將發(fā)生碰撞電離，從而使氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)急劇增大。

9．液體電介質(zhì)的電導(dǎo)

構(gòu)成液體電介質(zhì)電導(dǎo)的因素主要有離子電導(dǎo)和電泳電導(dǎo)。離子電導(dǎo)由液體本身或雜質(zhì)的分子解離的離子所決定。電泳電導(dǎo)是由固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成的膠體質(zhì)點(diǎn)吸附離子而帶電造成的。例如變壓器油中懸浮的小水滴就構(gòu)成電泳電導(dǎo)。極純凈液體電介質(zhì)的電流與電壓的關(guān)系曲線與氣體電介質(zhì)相似（圖1-3）。工程用液體電介質(zhì)的電流與電壓關(guān)系曲線則更接近于圖2。

離子電導(dǎo)的大小和分子極性及液體的純凈程度有關(guān)，如表4-1所示。通常情況下，純凈的非極性液體電介質(zhì)的電阻率可達(dá)，弱極性電介質(zhì)ρ可達(dá)。對(duì)于極性液體，極性越大，分子的解離度越大，為。在高頻下實(shí)際上不使用極性液體電介質(zhì)，因?yàn)閾p耗太大。強(qiáng)極性液體如水、乙醇等實(shí)際上已是離子性導(dǎo)電液了，不能用作絕緣材料。

離子電導(dǎo)隨溫度的升高而增加，因?yàn)闇囟壬撸环矫娣肿拥慕怆x度加大；另一方面離子也較易克服周?chē)粔径蔀樽杂呻x子，從而造成液體的電導(dǎo)率迅速增加。

液體電介質(zhì)電導(dǎo)率γ與溫度的關(guān)系為

式中，A、B為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

雜質(zhì)和水分對(duì)液體電介質(zhì)的絕緣有很大危害，電氣設(shè)備在運(yùn)行中一定要注意防潮，可以采用過(guò)濾、吸附、干燥等措施除去液體電介質(zhì)中的水分和雜質(zhì)。

10．固體電介質(zhì)的電導(dǎo)

固體電介質(zhì)產(chǎn)生電導(dǎo)的機(jī)理和規(guī)律與工程液體電介質(zhì)類(lèi)似（見(jiàn)圖2），只是固體電介質(zhì)沒(méi)有電泳電導(dǎo)。

對(duì)于離子型電介質(zhì)，電導(dǎo)的大小和離子本身的性質(zhì)有關(guān)，單價(jià)小離子束縛弱，易形成電流，因而含單價(jià)小離子的固體電介質(zhì)的電導(dǎo)較大。例如在石英玻璃中若加入堿金屬氧化物，則電導(dǎo)率增加較大，若加入堿土金屬氧化物，則電導(dǎo)率增加很小。結(jié)構(gòu)緊密、潔凈的離子性電介質(zhì)，電阻率為；結(jié)構(gòu)不緊密且含單價(jià)小離子的離子性電介質(zhì)的電阻率僅達(dá)

對(duì)于非極性或弱極性電介質(zhì)，電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子引起的。純凈電介質(zhì)的電阻率ρ可達(dá)

對(duì)于極性電介質(zhì)，因本身能解離，此外還有雜質(zhì)離子共同決定電導(dǎo)，故電阻率較小，較佳者可達(dá)

固體電介質(zhì)的電導(dǎo)除和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還和材料的宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。纖維性材料或多孔性材料因易吸水，一般電阻率較小。

溫度對(duì)固體介質(zhì)電導(dǎo)率的影響與對(duì)液體電介質(zhì)電導(dǎo)率的影響相似，式（4-8）也同樣適用于固體電介質(zhì)。需要注意的是聚合物的電阻率與溫度的關(guān)系，往往只能在不大的溫度范圍內(nèi)符合式（4-8）的變化規(guī)律，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)隨溫度的變化較大，從而導(dǎo)致離子電導(dǎo)勢(shì)壘發(fā)生變化。

11．固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)

固體電介質(zhì)除了體積電導(dǎo)以外，還存在表面電導(dǎo)。干燥清潔的固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)很小，表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引起。電介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以電介質(zhì)的表面電導(dǎo)也是電介質(zhì)本身固有的性質(zhì)。

固體電介質(zhì)可按水滴在電介質(zhì)表面的浸潤(rùn)情況分為憎水性和親水性兩大類(lèi)，如圖3所示。如果水滴的內(nèi)聚力大于水和電介質(zhì)的表面親和力，則表現(xiàn)為水滴的接觸角大于90°，即該固體材料為憎水性在Ω數(shù)量級(jí)，且表面電導(dǎo)受環(huán)境濕度的影響較小。非極性和弱極性電介質(zhì)材料如石蠟、硅橡膠、

氟塑料、硅樹(shù)脂等都屬于憎水性材料。如果水滴的內(nèi)聚力小于水和電介質(zhì)表面的親和力，則表現(xiàn)為水滴的接觸角小于90°，即該固體材料為親水性材料。親水性電介質(zhì)的表面電導(dǎo)大，且受濕度的影響大，表面電阻率在量級(jí)。極性和離子性電介質(zhì)材料都屬于親水性材料。

采取使電介質(zhì)表面潔凈、干燥或涂敷石蠟、有機(jī)硅、絕緣漆等措施，可以降低電介質(zhì)表面電導(dǎo)。

12．討論電導(dǎo)的意義

（1）絕緣試驗(yàn)的理論依據(jù)

電導(dǎo)是絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的理論依據(jù)，在做預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，可利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設(shè)備的絕緣狀況。

（2）直流電壓下分層絕緣設(shè)計(jì)的依據(jù)

直流電壓作用下，分層絕緣時(shí)，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率，可實(shí)現(xiàn)各層之間的合理分壓。

（3）防水處理的依據(jù)

注意環(huán)境濕度對(duì)固體電介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理。

12.1電介質(zhì)中的能量損耗及電介質(zhì)損耗角正切

1．電介質(zhì)損耗角正切

在直流電壓作用下電介質(zhì)的損耗僅有漏導(dǎo)損耗，可用或來(lái)表征。

在交流電壓作用下電介質(zhì)的損耗除漏導(dǎo)損耗外，還有極化損耗，僅有或就不夠了，需要另外的特征量來(lái)表示電介質(zhì)在交流電壓作用下的能量損耗。

3．氣體電介質(zhì)的損耗

氣體電介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)εr接近1，極化程度極小，氣體電介質(zhì)的損耗就是電導(dǎo)損耗。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于使氣體分子電離所需值時(shí)，氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)也是極小的，所以氣體電介質(zhì)的損耗也是極小的。正因?yàn)槿绱耍Ｓ脷怏w電介質(zhì)的電容器作標(biāo)準(zhǔn)電容器。

在強(qiáng)電場(chǎng)下氣體易電離，如不均勻電場(chǎng)中出現(xiàn)局部放電時(shí)，氣體的電介質(zhì)損耗將明顯增加。若固體電介質(zhì)中含有氣泡，氣泡內(nèi)的局部放電也會(huì)使電介質(zhì)損耗增加。

4．液體和固體電介質(zhì)的損耗

非極性或弱極性的液體或固體，以及結(jié)構(gòu)較緊密的離子性電介質(zhì)，它們的極化形式主要是電子位移極化和離子位移極化，它們沒(méi)有能量損耗，這類(lèi)電介質(zhì)的損耗主要由漏導(dǎo)決定。電介質(zhì)損耗和溫度以及電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的關(guān)系也就取決于電導(dǎo)和這些因素的關(guān)系。這類(lèi)電介質(zhì)的tanδ是較小的，約10^-4數(shù)量級(jí)。聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡膠、云母等都屬這類(lèi)電介質(zhì)，是優(yōu)良的絕緣材料，可用于高頻或精密的設(shè)備中。

極性固體和液體電介質(zhì)以及結(jié)構(gòu)不緊密的離子性固體電介質(zhì)除具有漏導(dǎo)損耗外，還有極化損耗。這類(lèi)電介質(zhì)的損耗和溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系。

圖4-13所示為松香油的tanδ與溫度的關(guān)系，在溫度較低時(shí)電導(dǎo)損耗和極化損耗都很小，隨溫度的升高因偶極子轉(zhuǎn)向容易，從而使極化損耗顯著增加，電導(dǎo)損耗略有增加。在某一溫度下總的電介質(zhì)損耗達(dá)到極大值。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)妨礙偶極子在電場(chǎng)作用下作規(guī)則排列，極化損耗減小。在此階段雖然電導(dǎo)損耗仍是增加的，但增加的程度比極化損耗減少的程度小，所以總的效果是減小的。隨著溫度進(jìn)一步升高電導(dǎo)損耗急劇增大，總的損耗此時(shí)以電導(dǎo)損耗為主，也隨之急劇增大。此種情況tanδ隨溫度的變化趨勢(shì)和電介質(zhì)損失率p隨溫度的變化趨勢(shì)是一致的。

圖4-14顯示了極性電介質(zhì)中損耗和頻率的關(guān)系。低頻下單位時(shí)間內(nèi)偶極子轉(zhuǎn)向次數(shù)少，極化過(guò)程中克服阻力造成的電介質(zhì)損耗率p也小，隨頻率增加p增加。當(dāng)頻率很高時(shí)，偶極子轉(zhuǎn)向已跟不上頻率變化，電介質(zhì)損耗率趨于恒定。

圖4-13松香油的tanδ與溫度的關(guān)系圖4-14極性液體電介質(zhì)中的損耗與頻率的關(guān)系

在低頻時(shí)弛豫極化得以充分發(fā)展，介電常數(shù)ε數(shù)值較大；當(dāng)頻率很高時(shí)弛豫極化跟不上電場(chǎng)變化，ε僅由位移極化決定，所以數(shù)值較小。

tano相當(dāng)電場(chǎng)變動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)的能量損失，即

由式（4-17）可得tanδ與p及f的關(guān)系，在頻率極低時(shí)雖然p很小，但由于f極小，所以tanδ較大，但此時(shí)tanδ大并不意味電介質(zhì)損耗大；以后隨f的增加p急劇增加，p的增加比f(wàn)的增加來(lái)得顯著，所以tanδ是增加的；頻率進(jìn)一步增加，由于弛豫極化不易發(fā)展，p趨于恒定，由式（4-17）可看出，tanδ隨f增加而下降。

5．討論tanδ的意義

（1）選擇絕緣材料

tanδ過(guò)大會(huì)引起絕緣電介質(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，甚至導(dǎo)致熱擊穿。例如用蓖麻油制造的電容器就因?yàn)閠anδ大，而僅限于直流或脈沖電壓下使用，不能用于交流電壓下。

（2）在預(yù)防性試驗(yàn)中判斷絕緣狀況

如果絕緣材料受潮或劣化，tanδ將急劇上升，在預(yù)防性試驗(yàn)中可通過(guò)tanδ與U的關(guān)系曲線來(lái)判斷是否發(fā)生局部放電。

（3）均勻加熱

當(dāng)tanδ大的材料需加熱時(shí)，可對(duì)材料加交流（工頻或高頻）電壓，利用材料本身電介質(zhì)功率損耗的發(fā)熱，這種方法加熱非常均勻，如電瓷生產(chǎn)中對(duì)泥坯加熱即用這種方法。