1 固體電介質(zhì)的極化與損耗

1.1固體電介質(zhì)的極化

1.介電常數(shù)的定義

電介質(zhì)的介電常數(shù)也稱(chēng)為電容率，是描述電介質(zhì)極化的宏觀(guān)參數(shù)。電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱可用介電常數(shù)的大小來(lái)表示，它與該介質(zhì)分子的極性強(qiáng)弱有關(guān)，還受到溫度、外加電場(chǎng)頻率等因素的影響。電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為

式中 D、E——電介質(zhì)中電通量密度、宏觀(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度。

下面以平板電容器為例，進(jìn)一步說(shuō)明介電常數(shù)的物理意義。設(shè)一真空平板電容器的極板面積為S，極板間距為d，且d遠(yuǎn)小于極板的尺寸，因此極板的邊緣效應(yīng)可以忽略，極板上的電荷分布和極板間的電場(chǎng)分布可以認(rèn)為是均勻的。如圖2-1a所示，在外施恒定電壓U的作用下，設(shè)極板上所充的電荷面密度為σ0，根據(jù)靜電場(chǎng)的高斯(Gauss)定理，極板間真空中的電場(chǎng)強(qiáng)度為

而真空電容器的電容量為

當(dāng)極板間充以均勻各向同性的電介質(zhì)時(shí)(見(jiàn)圖2-1b)，電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化，介質(zhì)表面出現(xiàn)與極板自由電荷極性相反的束縛電荷，抵消了極板自由電荷產(chǎn)生的部分電場(chǎng)。由于外施電壓保持不變，極板間距也不變，所以極板間介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)E(E=U/d)維持不變。這時(shí)只有從電源再補(bǔ)充一些電荷到極板，才能補(bǔ)償介質(zhì)表面束縛電荷的作用。設(shè)介質(zhì)表面束縛電荷面密度為σ'，則極板上自由電荷面密度應(yīng)增加為

而充以電介質(zhì)后電容器的電容量為

顯然，極板間充以電介質(zhì)后，由于電介質(zhì)的極化使電容器的電容量比真空時(shí)增加了，且電容增加量與束縛電荷面密度成正比。電介質(zhì)的極化越強(qiáng)，表面束縛電荷面密度也越大。因此，可以用充以電介質(zhì)后電容量的變化來(lái)描述電介質(zhì)極化的性能。

定義一電容器充以某電介質(zhì)時(shí)的電容量C與真空時(shí)電容量C0的比值為該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，即

將式(2-3)、式(2-5)代入上式，得

式(2-7)表明，εr在數(shù)值上也等于充以介質(zhì)后極板上自由電荷面密度與真空時(shí)極板上自由電荷面密度之比。可見(jiàn)，εr是一個(gè)相對(duì)的量，叫做相對(duì)介電常數(shù)，是大于1的常數(shù)；而電介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)ε=ε0εr，，單位為F/m。在工程中，材料通常用相對(duì)介電常數(shù)εr來(lái)描述，而為了便于敘述，“相對(duì)"兩字有時(shí)省略，簡(jiǎn)稱(chēng)為介電常數(shù)。由于絕對(duì)介電常數(shù)總包含10的負(fù)冪次方而相對(duì)介電常數(shù)為大于1的常數(shù)，故不會(huì)引起混淆。

εr是綜合反映電介質(zhì)極化特性的一個(gè)物理量。在表2-1中列出常用固體電介質(zhì)在20℃時(shí)工頻電壓下εr值。

表 2-1        常用固體電介質(zhì)的εr值

用于電容器的絕緣材料，顯然希望選用εr大的電介質(zhì)，因?yàn)檫@樣可使單位電容的體積減小和重量減輕。但其他電氣設(shè)備中往往希望選用εr較小的電介質(zhì)，這是因?yàn)檩^大的εr往往和較大的電導(dǎo)率相聯(lián)系，因而介質(zhì)損耗也比較大，采用εr小的絕緣材料還可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓等。

在高壓電氣設(shè)備中常常將幾種絕緣材料組合在一起使用，這時(shí)應(yīng)注意各種材料的εr值之間的配合，因?yàn)樵诠ゎl交流電壓和沖擊電壓下，串聯(lián)的多層電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與各層電介質(zhì)的εr成反比。

2.極化的基本形式

根據(jù)電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，固體電介質(zhì)極化具有以下4種基本類(lèi)型：電子式極化、離子式極化、偶極子極化、夾層極化，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下：

(1)電子式極化

在電場(chǎng)作用下，介質(zhì)原子中的電子運(yùn)動(dòng)軌道將相對(duì)于原子核發(fā)生彈性位移，如圖2-2所示。這樣一來(lái)，正、負(fù)電荷作用中心不再重合而出現(xiàn)感應(yīng)偶極矩，極化其值為(矢量的方向?yàn)?/span>由-q指向+q)。這種稱(chēng)為電子式極化或電子位移極化。

電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，它有兩個(gè)特點(diǎn)：①完成極化所需的時(shí)間極短，約10-15s，故其εr值不受外電場(chǎng)頻率的影響；②它是一種彈性位移，一旦外電場(chǎng)消失，正、負(fù)電荷作用中心立即重合，整體恢復(fù)中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會(huì)使電介質(zhì)發(fā)熱。溫度對(duì)這種極化影響不大，只是溫度升高時(shí)，電介質(zhì)略有膨脹，單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少，引起相對(duì)介電常數(shù)εr的變化。

(2)離子式極化

固體無(wú)機(jī)化合物大多屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷等。無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，晶體的正、負(fù)離子對(duì)稱(chēng)排列，各個(gè)離子對(duì)的偶極矩互相抵消，故平均偶極矩為零。在出現(xiàn)外電場(chǎng)后，正、負(fù)離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質(zhì)呈現(xiàn)極化，如圖2-3所示。這就是離子式極化(離子位移極化)。在離子間束縛較強(qiáng)的情況下，離子的相對(duì)位移是很有限的，沒(méi)有離開(kāi)晶格，外電場(chǎng)消失后即恢復(fù)原狀，所以它也屬于彈性位移極化，幾乎不引起損耗。所需時(shí)間也很短，約10-13，所以其εr也幾乎與外電場(chǎng)的頻率無(wú)關(guān)。

溫度對(duì)離子式極化有兩種相反的影響，即離子間的結(jié)合力會(huì)隨溫度的升高而減小，從而使極化程度增強(qiáng)；另一方面，離子的密度將隨溫度的升高而減小，使極化程度減弱。通常前一種影響較大一些，所以其εr一般具有正的溫度系數(shù)。

(3)偶極子式極化

有些電介質(zhì)的分子很特別，具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中心不重合這種分子稱(chēng)為極性分子，這種電介質(zhì)稱(chēng)為極性電介質(zhì)，例如，膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。

每個(gè)極性分子都是偶極子，具有一定電矩，但當(dāng)不存在外電場(chǎng)時(shí)，這些偶極子因熱運(yùn)動(dòng)而雜亂無(wú)序地排列著，如圖2-4a所示，宏觀(guān)電矩等于零，因而整個(gè)介質(zhì)對(duì)外并不表現(xiàn)出極性。出現(xiàn)外電場(chǎng)后，原先排列雜亂的偶極子將沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有規(guī)則的排列，如圖2-4b所示(實(shí)際上，由于熱運(yùn)動(dòng)和分子間束縛電場(chǎng)的存在，不是所有的偶極子都能轉(zhuǎn)到與電場(chǎng)方向一致)，因而顯示出極性。這種極化稱(chēng)為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化，它是非彈性的，極化過(guò)程要消耗一定的能量(極性分子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要克服分子間的作用力，可想象為類(lèi)似于物體在一種粘性媒質(zhì)中轉(zhuǎn)動(dòng)需克服阻力)，極化所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，在10-10～10-2s的范圍內(nèi)。由此可知，極性電介質(zhì)的εr值與電源頻率有較大的關(guān)系，頻率太高時(shí)，偶極子將來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其εr值變小，如圖2-5所示。其中，εr0相當(dāng)于直流電場(chǎng)下的相對(duì)介電常數(shù)，f＞f1以后，偶極子將越來(lái)越跟不上電場(chǎng)的交變，εr值不斷下降；當(dāng)f=f2時(shí)，偶極子已不跟著電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)了，這時(shí)只存在電子式極化，εr減小到ε∞。在常溫下，極性液體電介質(zhì)的εr≈3～6。

溫度對(duì)極性電介質(zhì)的εr值有很大的影響。溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱，所以通常極性氣體介質(zhì)均具有負(fù)的溫度系數(shù)。但對(duì)極性液體和固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，關(guān)系比較復(fù)雜：當(dāng)溫度很低時(shí)，由于分子間的聯(lián)系緊密（例如，液體介質(zhì)的粘度很大)，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)比較困難，所εr也很小。可見(jiàn)液體、固體介質(zhì)的εr在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí)，εr又開(kāi)始隨溫度的上升而減小，如圖2-6所示。 

(4)夾層極化

高壓電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)往往不是采用某種單一的絕緣材料，而是使用若干種不同電介質(zhì)構(gòu)成組合絕緣。此外，即使只用一種電介質(zhì)，它也不可能均勻和同質(zhì)，例如，內(nèi)部含有雜質(zhì)等等。凡是由不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結(jié)構(gòu)，在加上外電場(chǎng)后，各層電壓將從開(kāi)始時(shí)按介電常數(shù)分布逐漸過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)按電導(dǎo)率分布。在電壓重新分配的過(guò)程中，夾層界面上會(huì)積聚起一些電荷，使整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這種極化稱(chēng)為夾層介質(zhì)界面極化，或簡(jiǎn)稱(chēng)夾層極化。

下面以簡(jiǎn)單的平行平板電極間的雙層電介質(zhì)為例對(duì)這種極化做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖2-7所示，ε1、γ1、C1、R1、d1和U1分別表示第一層電介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、等效電容、等效電阻、厚度和分配到的電壓；而第二層的相應(yīng)參數(shù)ε2、γ2、C2、R2、d2和U2。兩層的面積相同，外加直流電壓為U。

設(shè)在t=0瞬間合上開(kāi)關(guān)，兩層電介質(zhì)上的電壓分配將與電容成反比，即

這時(shí)兩層介質(zhì)的分界面上沒(méi)有多余的正空間電荷或負(fù)空間電荷。

到達(dá)穩(wěn)態(tài)后(設(shè)t→∞)，電壓分配將與電阻成正比，即

在一般情況下，C2/C1≠R1/R2，可見(jiàn)有個(gè)電壓重新分配的過(guò)程，也即C1、C2上的電荷要重新分配。

設(shè)C1<C2，而R1<R2，則

t=0時(shí)，U1>U2

t→∞時(shí)，U1<U2

可見(jiàn)隨著時(shí)間t的增加，U1下降而、增高，總的電壓U保持不變。這意味著C1要通過(guò)R1放掉一部分電荷，而C2要通過(guò)R2從電源再補(bǔ)充一部分電荷，于是分界面上將積聚起一批多余的空間電荷，這就是夾層極化所引起的吸收電荷，電荷積聚過(guò)程所形成的電流稱(chēng)為吸收電流。由于這種極化涉及電荷的移動(dòng)和積聚，所以必然伴隨能量損耗，而且過(guò)程較慢一般需要幾分之一秒、幾秒、幾分鐘、甚至幾小時(shí)，所以這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來(lái)。

為了方便比較，將上述各種極化列成表2-2。

表 2-2      固體電介質(zhì)極化種類(lèi)及比較

根據(jù)電介質(zhì)極化強(qiáng)度P的定義，當(dāng)電介質(zhì)中每個(gè)分子在電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩為μ時(shí)，則有

式中 N——電介質(zhì)單位體積中的分子數(shù)。

若作用于分子的有效電場(chǎng)強(qiáng)度為Ei，則分子的感應(yīng)偶極矩可以認(rèn)為與Ei成正比，即

式中 α——分子極化率，在SI單位制中的單位為F·m2。

于是根據(jù)式(2-10)和式(2-11)，可得電介質(zhì)極化的宏、微觀(guān)參數(shù)的關(guān)系為

也可以寫(xiě)成

式(2-13)建立了電介質(zhì)極化的宏觀(guān)參數(shù)εr與分子微觀(guān)參數(shù)(N，α，E)的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，作用于分子上的電場(chǎng)強(qiáng)度Ei不等于介質(zhì)中的宏觀(guān)平均電場(chǎng)強(qiáng)度E，稱(chēng)Ei為電介質(zhì)的有效電場(chǎng)或內(nèi)電場(chǎng)。式(2-13)又被稱(chēng)為克勞修斯方程。

克勞修斯方程表明，要由電介質(zhì)的微觀(guān)參數(shù)(N，α)求得宏觀(guān)參數(shù)——介電常數(shù)εr，必須先求得電介質(zhì)的有效電場(chǎng)強(qiáng)度Ei。一般來(lái)說(shuō)，除了壓力不太大的氣體電介質(zhì)，有效電場(chǎng)強(qiáng)度Ei和宏觀(guān)平均電場(chǎng)強(qiáng)度E是不相等的。

從物理意義上來(lái)看，電介質(zhì)中某一點(diǎn)的宏觀(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度E，是指極板上的自由電荷以及電介質(zhì)中所有極化分子形成的偶極矩共同在該點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于充以電介質(zhì)的平板電容器，如果介質(zhì)是連續(xù)均勻線(xiàn)性的，則可運(yùn)用電場(chǎng)疊加原理。電介質(zhì)中所有極化分子形成的偶極矩的作用，可以通過(guò)電介質(zhì)表面的束縛電荷的作用來(lái)表達(dá)。這樣，電介質(zhì)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，便等于極板上自由電荷面密度在該點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)σ/ε0與束縛電荷面密度σ'在該點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)-α'/ε0之和，即

而電介質(zhì)中的有效電場(chǎng)Ei，是指極板上的自由電荷以及除某極化分子以外其他極化分子形成的偶極矩共同在該點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。由于偶極矩間的庫(kù)侖作用力是長(zhǎng)程的，使有效電場(chǎng)強(qiáng)度Ei的計(jì)算很復(fù)雜。洛倫茲(Lorentz)首先對(duì)有效電場(chǎng)作了近似計(jì)算。

3.固體電介質(zhì)的極化

根據(jù)正、負(fù)電荷在分子中的分布特性，固體電介質(zhì)可分為非極性和極性?xún)煞N。

1)非極性固體電介質(zhì)。這類(lèi)介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，按其物質(zhì)結(jié)構(gòu)只能發(fā)生電子位移極化，其極化率為αe。它包括原子晶體(例如，金剛石)、不含極性基團(tuán)的分子晶體(例如，晶體萘、硫等)、非極性高分子聚合物(例如，聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等)。

如果不考慮聚合物微觀(guān)結(jié)構(gòu)的不均勻性(高分子聚合物中晶態(tài)和非晶態(tài)并存)和晶體介質(zhì)介電常數(shù)的各向異性，非極性固體電介質(zhì)的有效電場(chǎng)Ei=(ε+2)E/3(莫索締有效電場(chǎng))、介電常數(shù)與極化率的關(guān)系符合克莫方程。

2)極性固體電介質(zhì)。極性固體電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，除了發(fā)生電子位移極化外，還有極性分子的轉(zhuǎn)向極化。由于轉(zhuǎn)向極化的貢獻(xiàn)，使介電常數(shù)明顯地與溫度有關(guān)。

一些低分子極性化合物(HCI、HBr、CH3NO2、H2S等)在低溫下形成極性晶體，在這些晶體中，除了電子位移極化外，還可能觀(guān)察到彈性偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。當(dāng)極性液體凝固時(shí)，由于分子失去轉(zhuǎn)動(dòng)定向能力而往往能觀(guān)察到介電常數(shù)在熔點(diǎn)溫度急劇地下降。

又有一些低分子極性化合物，在凝固后極性分子仍有旋轉(zhuǎn)的自由度，如冰、氧化乙烯等，最典型的是冰。這一類(lèi)低分子極性晶體，雖然轉(zhuǎn)向極化可能貢獻(xiàn)較大的介電常數(shù)，但由于其ε對(duì)溫度的不穩(wěn)定性，介質(zhì)損耗角正切值大以及某些物理、化學(xué)性能不良等，很少被用作電介質(zhì)。

對(duì)于極性高分子聚合物，如聚氯乙烯、纖維、某些樹(shù)脂等，由于它們含有極性基團(tuán)，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)而具有極性。由于極性高聚物的極性基團(tuán)在電場(chǎng)作用下能夠旋轉(zhuǎn)，所以極性高聚物的介電常數(shù)是由電子位移極化和轉(zhuǎn)向極化所貢獻(xiàn)的。但在固體電介質(zhì)中，由于每個(gè)分子鏈相互緊密固定，旋轉(zhuǎn)很困難，因此，極性高聚物的極化與其玻璃化溫度密切相關(guān)。

2.1.2固體電介質(zhì)的損耗

1.電介質(zhì)損耗的基本概念

在電場(chǎng)的作用下沒(méi)有能量損耗的理想介質(zhì)是不存在的，實(shí)際電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱(chēng)為介質(zhì)損耗。

在直流電壓的作用下，電介質(zhì)中沒(méi)有周期性的極化過(guò)程，只要外加電壓還沒(méi)有達(dá)到引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將僅由電導(dǎo)所引起，所以用體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率兩個(gè)物理量就已經(jīng)能充分說(shuō)明問(wèn)題，不必再引入介質(zhì)損耗的概念了。

在交流電壓下，流過(guò)電介質(zhì)的電流包含有功分量和無(wú)功分量，即。

圖2-8中繪制了此時(shí)的電壓、電流相量圖，可以看出，此時(shí)的介質(zhì)功率損耗為

式中  ω——電源角頻率；

φ——功率因數(shù)角；

δ——介質(zhì)損耗角。

介質(zhì)損耗角δ為功率因數(shù)角φ的余角，其正切tanδ又可稱(chēng)為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用(%)來(lái)表示。

采用介質(zhì)損耗P作為比較各種絕緣材料損耗特性?xún)?yōu)劣的指標(biāo)顯然是不合適的，因為P值的大小與所加電壓U、試品電容量Cp、電源頻率ω等一系列因素都有關(guān)系，而式中的tanδ卻是一個(gè)僅僅取決于材料損耗特性，而與上述種種因素?zé)o關(guān)的物理量。正由于此，通常采用介質(zhì)損耗角的正切tanδ作為綜合反映電介質(zhì)損耗特性?xún)?yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)，測(cè)量和監(jiān)控各種電力設(shè)備絕緣的tanδ值已成為電力系統(tǒng)中絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的最重要項(xiàng)目之一。

有損介質(zhì)更細(xì)致的等效電路如圖2-9a所示，圖中C1代表介質(zhì)的無(wú)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(dǎo)損耗。在這個(gè)等效電路加上直流電壓時(shí)，電介質(zhì)中流過(guò)的將是電容電流i1、吸收電流i2和傳導(dǎo)電流i3。電容電流i3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(shí)問(wèn)增長(zhǎng)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(shí)間長(zhǎng)短取決于絕緣的種類(lèi)、不均勻程度和結(jié)構(gòu)；傳導(dǎo)電流i3是長(zhǎng)期存在的電流分量。這三個(gè)電流分量加在一起，即得出圖2-10中的總電流i，它表示在直流電壓作用下，流過(guò)絕緣的總電流隨時(shí)間而變化的曲線(xiàn)，稱(chēng)為吸收曲線(xiàn)。

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(dǎo)電流都將長(zhǎng)期存在，則總電流等于三者的相量和。

反映有損極化或吸收現(xiàn)象的電流又可分解為有功分量和無(wú)功分量，如圖2-9b所示。上述三支路等效電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)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(zhì)損耗主要由電導(dǎo)所引起，常采用并聯(lián)等效電路；如果介質(zhì)損耗主要由極化所引起，則常采用串聯(lián)等效電路。現(xiàn)分述如下：

1)并聯(lián)等效電路。如果把圖2-9中的電流歸并成由有功電流和無(wú)功電流兩部分組成，即可得圖2-8b所示的并聯(lián)等效電路，圖中CP代表無(wú)功電流IC的等效電容、R則代表有功電流IR的等效電阻。其中

介質(zhì)損耗角正切tanδ 等于有功電流和無(wú)功電流的比值，即

此時(shí)電路的功率損耗為

可見(jiàn)與式(2-15)所得介質(zhì)損耗相同。

2)申聯(lián)等效電路。上述有損電介質(zhì)也可用一只理想的無(wú)損耗電容CS和一個(gè)電阻r相串聯(lián)的等效電路來(lái)代替，如圖2-11a所示。

由圖2-11b的相量圖可得

由于，所以電路的功率損耗P=I2r= U2ωCStanδ·cos2δ

因?yàn)?/span>介質(zhì)損耗角δ值一般很小，cosδ≈1，所以

用兩種等效電路所得的tanδ和P理應(yīng)相同，所以把式(2-17)與式(2-19)加以比較，即可得，Cp≈Cs，說(shuō)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(lái)表示。另外，由式(2-16)和式(2-18)可得，可見(jiàn)r=R(因為tanδ=1)，所以串聯(lián)等效電路的r要比并聯(lián)等效電路中的電阻R小得多。

2.固體無(wú)機(jī)電介質(zhì)

在電氣設(shè)備中常用的固體無(wú)機(jī)電介質(zhì)這一類(lèi)材料中有云母、陶瓷、玻璃等，它們都是離子式的晶體材料，但又可分為結(jié)晶態(tài)(云母、陶瓷等)和無(wú)定形態(tài)(玻璃等)兩大類(lèi)。

(1)無(wú)機(jī)晶體

云母是一種優(yōu)良的絕緣材料，結(jié)構(gòu)緊密，不含雜質(zhì)時(shí)沒(méi)有顯著的極化過(guò)程，所以在各種頻率下的損耗均主要因電導(dǎo)而引起，tanδ與直流電導(dǎo)率γ的關(guān)系為×

而它的電導(dǎo)率又很小(20℃時(shí)為10-15～10-16S/cm)，即使在高溫下也不大(180℃時(shí)約為10-13～10-14S/cm)。云母的介質(zhì)損耗小、耐高溫性能好，所以是理想的電機(jī)絕緣材料。云母的缺點(diǎn)是機(jī)械性能差，所以一定要先用粘合劑和增強(qiáng)材料加工成云母制品，然后才能付諸實(shí)用。

(2)無(wú)機(jī)玻璃

玻璃具有電導(dǎo)損耗和極化損耗，一般簡(jiǎn)單純玻璃的損耗都是很小的，這是因?yàn)楹?jiǎn)單玻璃的結(jié)構(gòu)緊密；在純玻璃中加入堿金屬氧化物(Na2O、K2O)后，介質(zhì)損耗大大增加，tanδ為9×10-4～6×10-4，并且損耗隨堿性氧化物濃度的增大按指數(shù)增大。加入重金屬氧化物(PbO、BaO)后玻璃的損耗下降，tanδ可降低到4×10-4。

(3)陶瓷介質(zhì)

電工陶瓷既有電導(dǎo)損耗又有極化損耗。常溫下它的電導(dǎo)很小(20℃時(shí)為10-14～10-15s/cm)；20℃和50Hz下的陶瓷的tanδ=2%～5%。陶瓷可分為含有玻璃相或幾乎不含玻璃相兩類(lèi)，第一類(lèi)陶瓷是含有大量玻璃相或少量玻璃相和少量微晶的結(jié)構(gòu)，tanδ很大，第二類(lèi)是由大量的微晶晶粒所組成的，僅含有極少量的或不含玻璃相，通常結(jié)晶晶相結(jié)構(gòu)緊密，tanδ比第一類(lèi)陶瓷小得多。

3.固體有機(jī)電介質(zhì)

非極性有機(jī)電介質(zhì)，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和天然的石蠟、地蠟等。它們既沒(méi)有弱聯(lián)系離子，也不含極性基團(tuán)，因此在外電場(chǎng)作用下只有電子位移極化，其介質(zhì)損耗主要由雜質(zhì)電導(dǎo)引起，tanδ可由式(2-20)來(lái)確定。這類(lèi)介質(zhì)的電導(dǎo)率一般很小，所以相應(yīng)的tanδ值也很小，被廣泛用作工頻和高頻絕緣材料。

極性有機(jī)電介質(zhì)，如含有極性基的有機(jī)電介質(zhì)(聚氯乙烯、酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂以及天然纖維等)，它們的分子量一般較大，分子間相互聯(lián)系的阻礙作用較強(qiáng)，因此除非在高溫之下，整個(gè)極性分子的轉(zhuǎn)向難以建立，轉(zhuǎn)向極化只可能由極性基團(tuán)的定向所引起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極性介質(zhì)在結(jié)晶狀態(tài)時(shí)的ε較大，而在無(wú)定形狀態(tài)時(shí)反而減小。這說(shuō)明極性基團(tuán)在分子組成晶體點(diǎn)陣時(shí)受到的阻礙作用較小，轉(zhuǎn)向極化在結(jié)晶相中得以充分建立，當(dāng)處于無(wú)定形態(tài)時(shí)，分子問(wèn)聯(lián)系減弱且相互排列不太規(guī)則，極性基團(tuán)受到的阻礙作用增強(qiáng)而難以轉(zhuǎn)動(dòng)，所以ε減小，故這些電介質(zhì)在軟化范圍內(nèi)ε不隨溫度升高而增大，反而是減小，同時(shí)出現(xiàn)tanδ最大值。