電介質的極化與介電系數

【模塊描述】本模塊介紹電介質極化的概念、極化的種類和電介質的相對介電常數。通過定義講解、理論分析，了解電介質極化的知識及其在工程上的意義。

【正文】

一、電介質極化的概念

電氣設備的絕緣對保證設備及整個電力系統的安全運行起著至關重要的作用。絕緣的作用是將不同電位的導體分隔開，使導體間沒有電氣連接，從而可以保持不同的電位。具有絕緣作用的材料稱為電介質。

電介質在電場作用下所發生的束縛電荷的彈性位移和極性分子的轉向現象，稱為電介質的極化。通俗的理解就是：在電場的作用下，電介質由中性轉化為對外顯現電性的過程。極化的結果是：在電介質沿電場方向的兩端出現等量異號電荷形成電矩。與正極板相對的一端出現負電荷，與負極板相對的一端出現正電荷。

二、電介質極化的種類

根據電介質的物質結構，極化有以下四種基本形式。

1.電子式極化

在外電場的作用下，物質原子里的電子軌道相對于原子核發生位移，從而產生感應電矩的過程稱為電子式極化。

電子式極化存在于一切電介質中，其特點是極化過程所需的時間極短，約10^-15～10^-14s，極化程度取決于電場強度，與電源頻率無關，溫度對電子式極化的影響不大。另外，電子式極化屬彈性極化，去掉外電場，正、負電荷間的吸引力使得正、負電荷作用中心重合，所以這種極化沒有能量損耗。

2.離子式極化

離子式結構的電介質在無外電場作用時，每個分子的正、負離子的作用中心是重合的。在外電場的作用下，電場力使得正、負離子發生相對位移，整個分子呈現極性。這種極化形式稱為離子式極化。

離子式極化存在于離子結構的電介質中，其特點是極化過程所需的時間極短。約10^-13～10^-12s，故極化程度與電源頻率無關。離子式極化也屬彈性極化，無能量損耗。隨著溫度的升高，由于離子間的結合力降低，離子式極化的程度略有增加。

3.偶極子式極化

極性電介質是由偶極分子組成的。偶極子是一種特殊的分子，其正、負電荷的作用中心不重合，形成久性的偶極矩，即單個偶極子呈現極性。無外電場作用時，由于偶極子處于雜亂無章的熱運動狀態，所以整個電介質對外并不呈現極性。在外電場作用下，原來混亂分布的偶極子轉向電場方向定向排列，呈現出極性。這種極化方式稱為偶極子式極化。

偶極子式極化存在于極性電介質中，其特點是極化過程所需時間較長，約10^-10～10^-2s，所以極化程度與電源頻率有關，頻率較高時偶極子來不及轉動，因而極化率減小。由于偶極子在轉向時需要克服分子間的作用力，即需要消耗電場能量，消耗的能量在復原時不能收回，所以偶極子式極化屬非彈性極化。

溫度對偶極子式極化的影響較大。當溫度升高時分子間的聯系力減弱，使極化1 程度加強：但當溫度達到一定值時，由于分子的熱運動加劇，妨礙偶極子沿電場方營享工 向轉向，使極化程度降低。所以，隨溫度增加極化程度先增加后降低。

上述三種極化是由帶電質點的彈性位移或轉向形成的，均發生在單一電介質中，是極化最基本的形式。

4.夾層式極化

實際電氣設備的絕緣通常采用多層電介質的絕緣結構，因而在不同介質的交界面處會發生由帶電質點的移動所形成的夾層式極化。

下面以簡單的雙層電介質為例分析夾層式極化的物理過程。

如圖TYBZ01401001-1 所示，C₁、C₂為各層介質的電容，G₁、G₂為各層介質的電導， U₁、U₂為各層介質上的電壓。在開關S剛合閘的瞬間，介質上的電壓按電容分配，即t＝0

時，U₁/U₂=C₂/C₁；到達穩態時，介質上的電壓按電導分配，即t→∞時，U₁/U₂=G₂/G₁。

由于兩層電介質的特性不同，一般情況下C₂/C₁≠G₂/G₁，所以初始電壓分布與穩態電壓分布通常不相同，即合閘后兩層介質上的電荷需要重新分配。

假設C₁＞C₂、G₁＜G₂，則t→0時，U₁＜U₂；t→∞時，U₁＞U₂。因U₁+U₂=U, 則在過渡過程中C₁要通過G₂從電源再多充一部分電荷(稱為吸收電荷)，而C₂要通過G₂放掉一部分電荷，于是在分界面處將積聚起一些電荷。這種使夾層電介質的交界面處積聚電荷的過程，稱為夾層式極化。電荷積聚過程所形成的電流稱為吸收電流。由于夾層極化中有吸收電荷，故夾層式極化相當于增大了整個電介質的等值電容。

夾層式極化存在于不均勻夾層介質中。這種極化因涉及電荷的移動和積聚，所以必然伴隨有能量損耗。由于電荷的積聚是通過介質的電導進行的，而介質的電導一般很小，所以極化過程較慢，一般需要數秒到數分鐘，所以這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現出來。

三、電介質的相對介電常數

1.定義

電介質的相對介電常數ε_r 用來表征電介質在電場作用下極化現象的強弱，其物理意義表示極板間放入電介質后電容量或電荷量比極板間為真空時增大的倍數。ε_r值由電介質的材料決定，并且隨溫度、頻率而變化。其計算式為

ε_r=ε/ε₀=C/C₀                      (TYBZ01401001-1)

式中 ε₀——真空的介電常數，1/36Π×10^-9F/m；

ε——介質的介電常數；

C₀——平行平板電容器在真空中的電容量，F；

C——平行平板電容器極板間插入固體介質后的電容量，F。

2. 氣體電介質的介電常數

由于氣體電介質的密度很小，所以氣體電介質的介電常數都很小，在工程應用中一切氣體電介質的ε_r都可看作1。

3.液體電介質的介電常數

(1)中性液體電介質。中性液體電介質(如變壓器油、苯、硅有機油等)的相對介電常數ε_r在1.8～2.8范圍內。相對介電常數ε_r具有不大的負溫度系數。

(2)極性液體電介質。這類電介質的相對介電常數較大，其值在3～80，用作絕緣介質的ε_r 值一般在3～6。若用作電容器的浸漬劑，可使電容器的比電容增大。但此類液體電介質在交變電場中的損耗較大，故高壓絕緣中很少應用。

極性電介質的ε_r與溫度有關，ε_r在溫度較低時先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動較強烈時，ε_r又隨溫度上升而減小。

極性電介質的ε_r與電源頻率有較大的關系，頻率較低時，偶極分子能夠跟隨交變電場充分轉向，ε_r較大且其值與頻率大小無關。當頻率很高時偶極分子轉向跟不上電場方向的改變，極化率減小，因而ε_r減小。

4.固體電介質的介電常數

(1)中性和弱極性固體電介質。這類電介質只有電子式極化和離子式極化，相對介電常數較小，一般為2.0～2.7。相對介電常數隨溫度的升高略有下降。

石蠟、石棉、聚乙烯、聚丙烯、無機玻璃等屬于此類電介質。

(2)極性固體電介質。這類電介質的相對介電常數較大，一般為3～6。ε_r與溫度、頻率的關系和極性液體介質的相似。

樹脂、纖維、橡膠、有機玻璃、聚氯乙烯等屬于極性固體電介質。

(3)離子性電介質。固體無機化合物多數屬于離子式結構電介質，如云母、陶瓷等，ε_r一般具有正的溫度系數，其值約在5～8。

四、電介質極化在工程實際中的意義

(1)選擇絕緣材料。如對電容器應選擇ε_r較大的電介質作為絕緣材料，這樣可以減小電容器單位容量的體積和重量。對于其他電氣設備如電纜，應選擇ε_r較小的電介質，這樣可以減少電纜工作時的由容電流。

(2)多層介質的合理配合。幾種電介質組合使用時，由于在交流電壓及沖擊電壓作用下，各層介質中的電場強度分布與ε_r成反比，所以要注意選擇各介質的ε_r值，使各層介質中的電場分布較均勻。

(3)介質損耗與介質的極化類型有關，而介質損耗對絕緣老化和熱擊穿有很大的影響。

(4)在絕緣預防性試驗中，可用夾層式極化來判斷絕緣受潮情況。