液体电介质的极化、电导和损耗

【模块描述】本模块介绍液体电介质极化、电导和损耗特性，固体电介质极化、电导和损耗特性。通过原理讲解、要点分析，了解常用介质的总体绝缘性能。

【正文】

一、液体电介质的极化、电导和损耗

1.液体电介质的极化

相对介电系数ε_r是综合反映电介质极化特性的物理量。常见液体介质的相对介电系数见表TYBZ01403001-1。

表TYBZ01403001-1 常用液体介质的相对介电系数

液体介质可分为弱极性、极性、强极性三种。弱极性的液体介质的相对介电系数为1.8～2.8内，主要有石油、苯、四氯化碳、硅油、变压器油等介质。极性液体介质的相对介电系数在3～6，如蓖麻油、氯化联苯，若它们作为电容器的浸渍剂，可使电容器的电容量增大，由于在交流电场中的介质损耗较大，不适合用作高压电气设备绝缘材料。强极性液体介质的相对介电系数很大(ε_r＞10)，由于其电导很大，故不适合用作绝缘材料。

2.液体电介质的电导

任何电介质都不同程度地具有一定的导电性，构成液体电介质电导的因素主要有两种：离子电导和电泳电导。

离子电导是由液体本身或杂质的分子解离的离子决定，离子电导的大小和分子极性及液体的纯净程度有关。

电泳电导是由固体或液体杂质以高度分散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附离子而带电造成的，变压器油中悬浮的小水滴就构成电泳电导。

表征电介质导电性能的要物理量为电导率γ或其倒数电阻率ρ。纯净的非极性液体电介质的电阻率ρ可达10¹⁸Ω·cm，弱极性电介质的电阻率ρ可达10¹⁵Ω·cm。强极性液体如水、乙醇等实际上已是离子性导电液了，不能用作绝缘材料。表TYBZ01403001-2列出了某些液体的电导率。

表TYBZ01403001-2 液体电介质的电导率γ

温度升高，液体的电导率会迅速增加。液体电介质电导率与温度的关系为

式中A、B——常数；

T——绝对温度。

杂质和水分对液体电介质的绝缘性能影响较大，电气设备在运行中应采取措施去除杂质和水分。

3.液体电介质的损耗

中性液体(如氯化碳、苯等)以及弱极性液体(如纯净的变压器油)的损耗要来源于电导，其损耗较小，约10^-4数量级，其损耗与温度的关系也和电导相似，

极性液体(如蓖麻油、氯化联苯等)以及极性与中性液体的混合物(如电缆胶是松香和变压器油的混合物)都具有电导和极化两种损耗，其损耗和温度有较复杂的关系，如图TYBZ01403001-1所示。在低温时，极化损耗和电导损耗都较小；随着温度的升高，液体的黏度减小，偶极子转向极化增强，电导损耗也在增大，所以总的tanδ亦上升，并在T=T₁时达到极大值；在T₁<T<T₂的范围内，由于分子热运动的增强妨碍了偶极子沿电场方向的有序排列，极化强度反而随温度的上升而减弱，由于极化损耗的减小超过了电导损耗的增加，所以总的曲线随T的升高而下降，并在T=T₂时达到极小值。在T＞T₂以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而曲线就随时间T的上升而持续增大。

在实践中，tanδ与温度T的关系经常用到(见表TYBZ01403001-3)，例如，配制黏性浸渍电缆的复合胶时，要适当选择松香和变压器油的比例，使tanδ的极大值不要出现在电缆工作的温度范围内。

表TYBZ01403001-3 工频电压下20℃时，某些常用的液体的tanδ值

二、固体电介质的极化、电导和损耗

1.固体电介质的极化

常见的固体介质的介电系数见表TYBZ0143001-4。中性或弱极性介质相对介电系数范围通常在2.0～2.7，主要有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃。极性介质的相对介电系数一般为3～6，甚至更大，主要有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶。离子性介质的相对介电系数一般在5～8，主要有陶瓷、云母等。

表TYBZ01403001-4 常用液体介质的介电系数

2.固体电介质的电导

固休介质具有体积电导和表面电导。休积电导是由固体介质本身的离了和杂质离子构成，且杂质电导起主要作用。表面电导主要是附着于介质表面的水分和污物引起的，其电导的大小受外界因素和介质吸附水分的能力有关。按水滴在介质表面的浸润情况分为憎水性和亲水性两大类，石蜡、硅橡胶、氟塑料、硅树脂等都属于憎水性材料，云母、陶瓷属于亲水性材料。采用使介质表面洁净、干燥或涂数石蜡、有机硅、绝缘漆等材料，可减小表面电导。

对于固体电介质，常用绝缘电阻的大小来反映绝缘性能的优劣。由于表面电阻会受表面脏污或受潮的影响而减小，从而影响电介质内在绝缘性能好坏的判断，所以在测量中要采取擦拭试品、加屏蔽环等措施消除表面电阻对绝缘电阻测量值的影响。

3.固体电介质的损耗

固体介质种类较多，它们的损耗情况也比较复杂，现分别介绍如下。

(1)无机绝缘材料。在电气设备中常用的这一类材料有云母、陶瓷、玻璃等，它们都是离子式结构晶体材料，但又可分为结晶态(云母、陶瓷等)和无定形态(玻璃等）两大类。

云母主要是电导引起的损耗，故介质损耗值较小，绝缘性能优良、耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料。其缺点是机械性能差，需先用黏合剂和增强材料加工成云母制品，然后才能付诸使用。

电工陶瓷(简称电瓷)既有电导损耗，也有极化损耗。20℃和50Hz下电瓷的tanδ=2%～5%。不同成分的陶瓷，其值也相差悬殊。含有大量玻璃相的普通电瓷的tanδ较大，而以结晶相为主的超高频电瓷的tanδ很小。

玻璃也具有电导损耗和极化损耗，总的介质损耗大小与玻璃的成分有关，含碱金属氧化物(Na₂O、K₂O等)的玻璃损耗较大，加入重金属氧化物(BaO、PbO等)能使碱玻璃的损耗下降一些。

(2)有机绝缘材料，它们又可分为非极性和极性两大类。

1)石蜡、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等都是非极性有机电介质，其损耗主要由电导引起，而其电导极小，所以介质损耗也较小，它们的“tanδ一温度"特性由“电导率一温度特性来决定，tanδ与频率的关系很小，例如，在-80～+100℃的温度范围内，聚乙烯的tanδ变化范围只有0.01%～0.02%。这种优良的绝缘特性可保持到高频的情况，再加上它具有很高的化学稳定性，具有弹性、不吸潮、机械加工简便等优点，使它成为很好的固体介质，可用来制造高频电缆、海底电缆、高频电容器等。聚乙烯的缺点是耐热性能较差，温度较高时会软化变形。冲击测量用的电缆就是用聚乙烯绝缘的。

 2)聚氯乙烯、纤维板、酚醛树脂、有机玻璃、胶木、绝缘纸等均属于极性有机电介质，显著的极化损耗使这一类电介质具有较大的介质损耗，它们的tanδ约为0.1%～1.0%，甚至更大。其“tanδ一温度"及“tanδ一频率"关系均与前面介绍过的极性液体介质相似。

油浸纸绝缘等，它们的损耗取决于其中各成分的性能和数量间的比例。在表TYBZ01403001-5中列出了某些常用固体电介质在工频电压下20℃时的tanδ值。

表TYBZ01403001-5 工频电压下20℃时常用固体电介质的tanδ值

【思考与练习】 

1.为什么强极性液体介质不适合做绝缘材料？

2.电介质的介电性能表现在哪些方面？反映什么物理特性？有什么实际意义？