電介質(zhì)基本物理知識

第一章

電介質(zhì)基本物理知識

電介質(zhì)（或稱絕緣介質(zhì)）在電場作用下的物理現(xiàn)象主要有極化、電導(dǎo)、損

耗和擊穿。

在工程上所用的電介質(zhì)分為氣體、液體和固體三類。目前，對這些電介質(zhì)

物理過程的闡述，以氣體介質(zhì)居多，液體和固體介質(zhì)僅有一些基本理淪，還

有不少問題難以給出量的分析，這樣就在很大程度上要依靠試驗結(jié)果和工作

經(jīng)臉來進行解釋和判斷。

第一節(jié)電介質(zhì)的極化

一、極化的含義

電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)可分為中性、弱極性和極性的，但從宏觀來看都是不

呈現(xiàn)極性的。當把電介質(zhì)放在電場中，電介質(zhì)就要極化，其極化形式大體

可分為兩種類型：第一種類型的極化為立即瞬態(tài)過程，極化的建立及消失

都以熱能的形式在介質(zhì)中消耗而緩慢進行，這種方式稱為松弛極化。

電子和離子極化屬于第一種，為完全彈性方式，其余的屬于松弛極化型。

（一）電子極化

電子極化存在于一切氣體，液體和固體介質(zhì)中，形成極化所需的時間

極短，約為107，So它與頻率無關(guān)，受濕度影響小，具有彈性，這種極

化無能量損失。

（二）原子或離子的位移極化

當無電場作用時，中性分子的正、負電荷作用中心重合，將它放在電

場中時，其正負電荷作用中心就分離，形成帶有正負極性的偶極子。離

子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)（如玻璃、云母等），在電場作用下，其正負離子被拉

開，從而使正負電荷作用中心分離，使分子呈現(xiàn)極性，形成偶極子，形

成正負電荷距離。

原子中的電子和原子核之間，或正離子和負離子之間，彼此都是緊密

聯(lián)系的。因此在電場作用下，電子或離子所產(chǎn)生的位移是有限的，且隨

電場強度增強而增大，電場以清失，它們立即就像彈簧以樣很快復(fù)原，

所以通稱彈性極化，其特點是無能量損耗，極化時間約為10*s。

（三）偶極子轉(zhuǎn)向極化

電介質(zhì)含有固有的極性分子，它們本來就是帶有極性的偶極子，它

的正負電荷作用中心不重合。當無電場作用時，它們的分布是混亂的，

宏觀的看，電介質(zhì)不呈現(xiàn)極性。在電場作用下，這些偶極子順電場方向

扭轉(zhuǎn)（分子間聯(lián)系比較緊密的），或順電場排列（分子間聯(lián)系比較松散的）。

整個電介質(zhì)也形成了帶正電和帶負電的兩級。這類極化受分子熱運動的

影響也很大。偶極松弛極化的電介質(zhì)有膠木、橡膠、纖維素等，極化為

非彈性的，極化時間約為10塊一10?2s。

（四）空間電荷極化

介質(zhì)內(nèi)的正負自由離子在電場作用下，改變其分布狀況，在電極附

近形成空間電荷，稱為空間電荷極化，其極化過程緩慢。

（五）夾層介質(zhì)界面極化

由兩層或多層不同材料組成的不均勻電介質(zhì)，叫做夾層電介質(zhì)。由

于各層中的介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同，在電場作用之下，各層中的電位，

最初按介電常數(shù)分布（即按電容分布），以后逐漸過濾到電導(dǎo)率分布（即

按電阻分布）。此時，在各層電介質(zhì)的交界面上的電荷必然移動，以適應(yīng)

電位的重新分布，最后在交界面上積累起電荷。這種電荷移動和積累，

就是一個極化過程。

上述電介質(zhì)的五種極化形式，從施加電場開始，到極化完成為止，

都需要一定的時間，這個時間有長有短。屬于彈性極化的，極化建立所

需的世間都很短，不超過10/s。屬于松弛極化的，極化時間都較長，在

-10

10-104s以上。夾層極化則時間更長，在10?飛以上，甚至以小時計。

彈性極化在極化過程中不消耗能量，因此不產(chǎn)生損耗。而松弛極化則要

消耗能量，并產(chǎn)生損耗。

二、電介質(zhì)極化在工程實踐中的意義

（一）增大電容器的電容量

當電極中為真空時，在電場的作用下，極板上的電荷量為Q0,極板

間的電容C。二殷二典o其中C。：真空中的電容；Q0:真空中極板上

Ud

的電荷量；eO:真空中介電常數(shù)，^0=8.86*10-,4F/cm;S:極板面積；

d:極板距離。

當電極間放入電介質(zhì)后，在靠近電極的電介質(zhì)表面形成束縛電荷

Q|,它將從電源吸引一部分額外電荷來“中和”，使極板上存儲的電荷

增加，因此極板間的電容為C二處烏二更。上兩式相除有￡二￡二3,

Ud。01

稱為介質(zhì)相對介電常數(shù)，通常用來表示介質(zhì)的介電特性。

因此，在保持電極間電壓不變的情況下，相對介電常數(shù)還代表將介

質(zhì)引入極板間后使電極上儲存的電荷量增加的倍數(shù)，即極板間電容量

均為常數(shù)。在t等于零及t趨近與零時都不適用，但在工程上應(yīng)用還

是可以的。吸收電流i”是隨時間按冥函數(shù)衰減的，如將此式兩端取對

數(shù)，則得lgi〃=lgUCxD-n1g/即吸收電流的對數(shù)與時間的對數(shù)成一下降直

線關(guān)系，n為該直線的斜率。

由于吸收電流隨時間變化，適用在測試絕緣電阻和泄漏電流時都要

規(guī)定時間。例如在現(xiàn)行電氣設(shè)備交接和預(yù)防性試驗的有關(guān)標準中，利

用60s及15s時的絕緣電阻比值（即R60/R15）,1min或10min的泄漏

電流等，作為判斷絕緣受潮程度或臟污狀況的一個指標。絕緣受潮或

臟污后，泄漏電流增加，吸收現(xiàn)象就不明顯了。

（三）電介質(zhì)的電容電流好介質(zhì)損耗

前面所述的是電介質(zhì)在直流電場中的情況。如把電介質(zhì)放在交變

電場中，電介質(zhì)也要極化，而且隨著電場方向的改變，極化也跟著不

斷改變它的方向。

對于50hz的工頻交變電場來說，彈性極化完全能夠跟上交變電場

變化。當電場從零按正弦規(guī)律變到最大值時，極化也從零按正弦規(guī)律變

到最大，經(jīng)過半周期后又同樣沿負的方向變化。偶極子隨電場變化既然

電距是按正弦規(guī)律變化，則電流L一定按余弦規(guī)律變化（；c=—）0在0-5

dt2

期間，電距I是增加的，生為正：在二時J為零；在二--口期間J為負。

dt22

因此，電流心超前外施電壓u為90°,這就是電介質(zhì)中的電容電流。

在0-2期間，電荷移動的方向與電場的方向相同，即電場對移動

2

中的電荷做功，或者說電荷獲得動能，相當于“加熱當n期間，

電場的方向未變，但電荷移動的方向與電場相反，這時電荷反抗電場做

功，喪失自己的動能而“冷卻”。在0——n半周中，“加熱”和“冷卻”

正好相等。，因此電介質(zhì)中沒有損耗。這就是說，在交變電場中，彈性極

化只引起純電容電流，而不產(chǎn)生損耗。

松弛極化則要產(chǎn)生損耗，這將在電介質(zhì)損耗一節(jié)中討論。

第二節(jié)電介質(zhì)的電導(dǎo)與性能

一、電介質(zhì)的電導(dǎo)

從電導(dǎo)機理來看，電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)。離子電導(dǎo)

時以離子為載流體，而電子電導(dǎo)時以自由電子為載流體。理想的電介質(zhì)是

不含帶電質(zhì)點的，更沒有自由電質(zhì)。但實際工程上所用的電介質(zhì)或多或少

總含有一些帶電質(zhì)點（主要是雜質(zhì)離子），這些離子與電介質(zhì)分子聯(lián)系非

常弱，甚至成自由狀態(tài)；有些電介質(zhì)在電場或外界因素影響下（如紫外線

輻射），本身就會離解成正負離子。它們在電場作用下，沿電場方向移動，

形成了電導(dǎo)電流，這就是離子電導(dǎo)。電介質(zhì)中的自由離子，則主要是在高

電場作用下，離子與電介質(zhì)分子碰撞、游離激發(fā)出來的，這些電子在電場

作用下移動，形成電子電導(dǎo)電流。當電介質(zhì)中出現(xiàn)電子電導(dǎo)電流時，就表

明電介質(zhì)已經(jīng)被擊穿，因而不能再作絕緣體使用。因此，一般說電介質(zhì)的

電導(dǎo)都是指離子性電導(dǎo)。

二、電介質(zhì)的性能

（一）電介質(zhì)的電導(dǎo)率和電阻率

電介質(zhì)的性能常用電導(dǎo)率/或電阻率夕來表示，電導(dǎo)率為電阻率的倒數(shù)，

即/二固體電介質(zhì)除了通過電介質(zhì)內(nèi)部的電導(dǎo)電流外，還有沿介質(zhì)表面

P

流過的電導(dǎo)電流Ig。由電介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)電流所決定的電阻，稱為體積電阻Rv,

其電阻率為小。由表面電導(dǎo)電流ig決定的電阻，稱為表

體積

電

阻

的

測

量

面電阻R,,其電阻率為心。氣體和液體電介質(zhì)只有體積圖

電阻。

體積電阻率，就是在邊長1cm的正方型的電介質(zhì)中，

所測得其兩相對面之間的電阻。設(shè)在正極1和負極2間

的電介質(zhì)的厚度為d（cm）,電極截面為S（cm）33為屏,|J1|

蔽電極，利用它可以排除表面電流，以準確測得內(nèi)部的

電導(dǎo)電流I丫。如測得電介質(zhì)的體積電阻為Rv（Q）,則體積電阻率為0（Q,Z777）

為2=Rv*-體積電導(dǎo)率就是電阻率的倒數(shù)人尸L二」?*邑二Gy邑式中Gy體積

dP、.Rvss

電導(dǎo)。

表明電阻率就是在每邊長為I的正方形表面

積上，其兩相對邊之間量得的電阻。設(shè)電介質(zhì)

總旦十表面兩級對邊之間距離為d（cm）,電極的長度

為I（cm）,測得的表面電阻為R、（Q）,則表

表面電阻的測量圖面電阻率九（。）為3二R二。

a

表面電導(dǎo)率八（S）為表面電阻率的倒數(shù)，即九二-L*@二GJ&式中Gs：表面

Ps//

電導(dǎo)。

三、氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)

正常情況下，氣體為極好的電介質(zhì)，電導(dǎo)非常小。如給氣體加以不同的

電壓，則其電流密度與外施電場強度的關(guān)系外施場強低于E2時，氣體電

介質(zhì)中的電流仍極小極小。在極小場強時，氣體中的電流密度j大致他外

施場強成正比，基本上符合歐姆定律，如//E式中電導(dǎo)率；E:電場

強度。但場強稍微增大時，電流達到飽和狀態(tài)，不在隨外施場強而上升。

這是因為在此階段電流全取決于外界游離因子（如輻射等）引起的氣體電

介質(zhì)電離而出現(xiàn)的帶包粒子。只有當外施場強顯著提高，電介質(zhì)進入電子

碰撞游離階段，如大于E2時，則由于碰撞電離，才使帶電粒子急劇增多，

即氣體電介質(zhì)已接近擊穿了。

E1,E2的飽和段比較寬，氣體電介質(zhì)在工程應(yīng)用上總是處于飽和條件下，

電離密度不隨電場強度變化，電導(dǎo)率就沒有意義。又由于氣體的電導(dǎo)很小，

故只要氣體的工作場強低于游離場強，就不考慮氣體的電導(dǎo)。

四、液體電介質(zhì)中的電導(dǎo)

液體介質(zhì)中形成電導(dǎo)電流的帶電質(zhì)點主要有兩種，一種時電介質(zhì)分子或

雜質(zhì)分子離解而成的離子；另一種是較大的膠體（如絕緣油中的懸浮物）

帶電質(zhì)點。前者叫做離子電導(dǎo)，后這叫做電泳電導(dǎo)。二者只是帶電質(zhì)點大

小上的差別，其導(dǎo)電性質(zhì)時一樣的。中性和弱極性的液體電介質(zhì)，其分子

的離解度小。介電常數(shù)大的極性和強極性液體電介質(zhì)的離解作用是很強

的，液體中的離子數(shù)多，電導(dǎo)率就大。因此，極性和強極性（如水、醇類

等）的液體，在一般情況下，不能用作絕緣材料。工程上常用的液體電介

質(zhì)，如變壓器油、漆和樹脂以及它們的溶劑（如四氯化碳、苯等），搜屬

于中性和弱極性。這些電介質(zhì)在很純凈的情況下，其電導(dǎo)率是很小的。但

工程上通常用的液體電介質(zhì)難免含有雜質(zhì)，這樣就會增大其電導(dǎo)率，

五、固體電介質(zhì)的電導(dǎo)

固體電介質(zhì)的電導(dǎo)分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩部分。離子電導(dǎo)在很大

程度上決定電介質(zhì)所含的雜質(zhì)離子，特別對于中性及弱極性電介質(zhì)，雜

質(zhì)離子起主要作用。離子電導(dǎo)的電流密度，，在電場強度較低時，它與電

場強度成正比，符合歐姆定律，即九二七E式中心：離子電導(dǎo)率。

當電場強度較高時，離子電導(dǎo)電流密度與電場強度成指數(shù)關(guān)系，即

兀二九e"式中C:常數(shù)；E:電場強度。

只有當電場更高時，由于碰撞游離和陰極發(fā)射，才大量產(chǎn)生自由離子,

電子電導(dǎo)急增。電子電導(dǎo)電流密度與電場強度也是成指數(shù)高校，即

AE

j=yee式中九：電子電導(dǎo)率；A:常數(shù)。

由于電子電導(dǎo)電流急增，電介質(zhì)總的電導(dǎo)電流的增長比指數(shù)曲線更陡。

曲線分三部分：I部分為歐姆定律階段；II部分為電場強度高時，電

子電流密度成指數(shù)曲線上升；III部分為電子電流急增階段，曲線更陡，

開始出現(xiàn)電子電導(dǎo)電流急增的電壓，約在固體電介質(zhì)擊穿電壓的80%左

右，這就預(yù)示絕緣接近擊穿的程度，因而固體絕緣電氣設(shè)備在運行情況下，

固體電介質(zhì)的電導(dǎo)時以離子電導(dǎo)為主的。

固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)，主要決定于它表面吸附電導(dǎo)雜質(zhì)（如水分和污

染物）的能力及其分布狀態(tài)只要電介質(zhì)表面出現(xiàn)很薄的吸附雜質(zhì)膜，這叫

做清水性的電介質(zhì)。這種電介質(zhì)表面電導(dǎo)就大，如云母、玻璃、纖維材料

等。不含極性分子的電介質(zhì)表面水珠，不構(gòu)成連續(xù)的水膜，這叫做憎水性

電介質(zhì)。其表面電導(dǎo)就小，如石蠟、聚苯乙烯等。還有一些材料能部分溶

于水或脹大（如賽璐?珞），其表面電導(dǎo)遠大于體積電導(dǎo)，所以在測量絕緣

泄漏電流或絕緣電子時，要注意屏蔽和具體分析測試結(jié)果。

第三節(jié)電介質(zhì)的損耗及的等值電路

在交流或直流電路中，電介質(zhì)都要消耗電能，通稱電介質(zhì)的損耗?，F(xiàn)將

電介質(zhì)損耗的原因及電路分析敘述如下。

一、電介質(zhì)的損耗

（一）電導(dǎo)損耗

電介質(zhì)在電場作用下有電導(dǎo)電流流過，這個電流使電介質(zhì)發(fā)熱產(chǎn)生損

耗，一般情況下，電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗時很小的。

（二）游離損耗

電介質(zhì)中局部電場集中（如固體電介質(zhì)中氣泡、油隙，氣體電介質(zhì)中電

極的尖端等）處，當電場強度高于某一值時，就產(chǎn)生游離放電，又稱局

部放電。局部放電伴隨著很大的能量損耗，這些損耗時因游離和電子注

轟擊而產(chǎn)生的。游離損耗只在外加電壓超過一定值時才會出現(xiàn)，且隨電

壓升高而急劇增加，這在交流和直流電場中都是存在的，但嚴重程度不

同。

（三）極化損耗

在本章第一節(jié)中，曾提到松弛極要產(chǎn)生損耗，其松弛極化建立的比較慢，

跟不上50hz交變電場的變化，當電壓比零按正弦規(guī)律變到最大值時，

極化還來不及完全發(fā)展到最大，在電壓經(jīng)過最大值后，極化還在繼續(xù)增

長，并在電壓已經(jīng)越過最大值下降的時候達到最大值，以后極化又開始

減小，比電壓滯后一段時間極化減小到零，并再往負方向發(fā)展。這樣，

極化的發(fā)展，總要滯后電壓一個角度，在電壓的第一個1/4周期中，極

化中電荷移動的方向相同，即電場對移動中的電荷做功，相當于“加熱”。

從電壓的最大值到極化的最大值這一段時間內(nèi)，情況和前面一樣，仍相

當于“加熱”。從極化的最大值到電壓為零這一階段，電場的方向未變，

而電荷移動的方向卻變成與電場方向相反，這時電荷反抗電場做功，喪

失自己的動能而“冷卻”。在一個周期內(nèi)，“冷卻”只發(fā)生在較短時間內(nèi)，

在其余較長時間內(nèi)都是“加熱顯然"加熱''大于“冷卻”，一部分電場

能不可逆地變成熱能，產(chǎn)生了電介質(zhì)的損耗，這就是因松弛極化產(chǎn)生的

極化損耗，這種損耗只有在交變電場下才會出現(xiàn)。對于偶極子的電介質(zhì)，

在交變電場中，偶極子要隨電場的變化而來回扭動，在電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生

摩擦損耗，這也是極化損耗的一種形式。

一般所謂的介質(zhì)損耗，是指在一定電壓作用下產(chǎn)生的各種形式的損

耗。至于哪一種由電導(dǎo)所引起的，哪一種由極化所引起的，在工程實際

測試中，目前不能明確區(qū)分。為表征某種絕緣材料或結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗，

一般不用W或J等單位來表示，而是用電介質(zhì)中流過的電流的有功分量

的比值來表示出3。這是一個無因次的量，它的好處時只有與絕緣材料

的性質(zhì)尺寸有關(guān)，而與它的結(jié)構(gòu)、形狀、幾何尺寸等無關(guān)，這樣更便于

比較判斷。

二.電介質(zhì)損耗的等值電路

如果電介質(zhì)中沒有損耗（即沒有

電導(dǎo)，沒有游離，也沒有松弛極化），

則在交流電場作用下，完全是由彈

性極化所引起的純電容電流i「，且

i「超前電壓90°o在有損耗的電介

質(zhì)中流過的電流，由于含有有功損耗分量，所以它超前電壓一個角度°,

。小于90°,圖中1是2的余角，稱為介質(zhì)損耗角。1的大小決定于電

介質(zhì)中有功電流與無功電流之比，如將電介質(zhì)看成由一個電阻R與一個

理想的無損耗電容C并聯(lián)而成的等值電路，則由圖b得

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