電氣設(shè)備中，除了某些地方(如GIS設(shè)備)有采用氣體作為絕緣外，廣泛采用的是固體和液體電介質(zhì)。這是因?yàn)?/span>固體、液體電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度要比氣體大許多，用它們作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣可以縮小結(jié)構(gòu)尺寸；載流導(dǎo)體的支承需要固體電介質(zhì)；液體電介質(zhì)可兼作冷卻與滅弧介質(zhì)。然而，液體和固體電介質(zhì)的擊穿有各自的特點(diǎn)，與氣體的擊穿有很大的不同。本章討論液體和固體電介質(zhì)在電場強(qiáng)度較高時(shí)的擊穿特性，以及在電場強(qiáng)度相對不是很高時(shí)，電介質(zhì)中所發(fā)生的極化、電導(dǎo)和損耗物理過程，以及液體、固體電介質(zhì)的老化問題。

第一節(jié) 電介質(zhì)的極化

一、極化的概念與介質(zhì)的相對介電系數(shù)

極化是電介質(zhì)(氣體、液體、固體絕緣介質(zhì))在電場作用(加上電壓后)下發(fā)生物理過程的一種。雖此物理過程在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行，但我們可以通過此物理過程的外觀表現(xiàn)來證實(shí)極化過程的存在。圖2-1為兩個(gè)平板電容器，它們的結(jié)構(gòu)尺寸相同。圖2-1(a)中的電容器極板間為真空，而圖2-1(b)中的電容器極板間為固體電介質(zhì)。我們知道，由于極間介質(zhì)的不同，電容量是不同的，而且尺寸結(jié)構(gòu)相同電容器，真空電容器的電容量是最小的，所以圖2-1(b)電容器的電容量要大于圖2-1(a)電容器的電容量，為什么電容量大呢？這就是用于固體電介質(zhì)在電場作用下發(fā)生極化所致。

圖2-1(a)中，在極板上施加直流電壓U后，兩極板上分別充有電荷量Q=Q₀的正、負(fù)電荷。此時(shí)

式中ε₀——真空的介電系數(shù)；

A——金屬極板的面積；

d——極間距離；

C₀——極板間為真空時(shí)的電容量。

然后，在極間放入一塊厚度與極間距離相等的固體電介質(zhì)，就成為圖2-1(b)所示的電容器，此時(shí)電容器的電容量變?yōu)镃

式中 ε——固體電介質(zhì)的介電系數(shù)。

放入固體電介質(zhì)后，極板上的電荷量變成Q

Q=CU

由于C＞C₀，而U不變，所以Q＞Q₀。這表明放入固體電介質(zhì)后，極板上的電荷量有所增加。通過下面的分析可看出這是由于固體電介質(zhì)在極板之間的電場作用下發(fā)生了極化所導(dǎo)致。

電介質(zhì)放入極板間，就要受到電場的作用，介質(zhì)原子或分子結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷在電場力的作用下產(chǎn)生位移，向兩極分化，但仍束縛于原子或分子結(jié)構(gòu)中而不能成為自由電荷。結(jié)果，在介質(zhì)靠近極板的兩表面呈現(xiàn)出與極板上電荷相反的電的性來，即靠近正極板的表面呈現(xiàn)負(fù)的電極性，靠近負(fù)極板的表面呈現(xiàn)正的電極性，這些仍保持在電介質(zhì)內(nèi)部的電荷稱為束縛電荷。正由于靠近極板兩表面出現(xiàn)了束縛電荷，根據(jù)異極性電荷相吸的規(guī)律，要從電源再吸取等量異極性電荷Q?到極板上，這就導(dǎo)致了Q=Q₀+ Q?＞Q₀。現(xiàn)在可以對電介質(zhì)的極化下一定義：電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場作用下沿電場方向作有限位移的現(xiàn)象稱為極化。

對于上述平板電容器，放入的電介質(zhì)不同，介質(zhì)極化的強(qiáng)弱程度也不同，極板上的電荷量Q也不同，因此Q/ Q₀就表征在相同情況下不同介質(zhì)極化的不同程度

ε_r稱為電介質(zhì)的相對介電系數(shù)，簡稱介電系數(shù)。它是表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度的物理量，其物理意義表示金屬極板間放入電介質(zhì)后電容量(或極板上的電荷量)比極板間為真空時(shí)的電容量(或極板上的電荷量)增大的倍數(shù)。

ε_r值山電介質(zhì)的材料所決定。氣體分子間的間距很大，密度很小，因此各種氣體的ε_r均接近于1。常用的液體、固體介質(zhì)的ε_r大多在2~6之間。不同電介質(zhì)的ε_r值隨溫度、電源頻率的變化規(guī)律一般是不同的。在工頻電壓下為20℃時(shí)，一些常用介質(zhì)的ε_r如表2-1所示。

表2-1                常用電介質(zhì)的介電系數(shù)和電導(dǎo)率

二、極化的基本形式

由于電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同，極化過程所表現(xiàn)的形式也不同，極化的基本形式有以下四種。

1.電子式極化

圖2-2為電子式化示意圖，其中圖2-2 (a)為極化前電介質(zhì)的中性原子(假設(shè)只有一個(gè)電子)，圖2-2(b)為極化后的原子，從圖中可看出電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生了變形，并相對于正電荷的原子核產(chǎn)生了位移。這樣，負(fù)電荷的作用中心(橢圓的中心)與正出荷的作用中心不再重合，這種由電子位移所形成的極化就稱為電子式極化。

這種極化的特點(diǎn)為：

(1)極化所需的時(shí)間極短，約為10^-15～10^-14s，這是由于電子質(zhì)量極小的緣故。因此，這種極化在各種頻率的外電場作用下均能產(chǎn)生，也就是說ε_r不隨頻率的改變而變化。

(2)極化時(shí)沒有能量損耗，這種極化具有彈性，即在外電場去掉后，由于正、負(fù)電荷的相互吸引而自動(dòng)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，所以極化過程中無能量損耗。

(3)溫度對極化的影響極小。

2. 離子式極化

固體無機(jī)化合物(如云母、玻璃、陶瓷等)的分子結(jié)構(gòu)多數(shù)展于離子式結(jié)構(gòu)，其分子由正、負(fù)離子構(gòu)成。在無外電場作用時(shí)，每個(gè)分子中正離子的作用中心(將所有正離子集中于此點(diǎn)時(shí)作用效果相同)與負(fù)離子的作用中心是重合的，故每個(gè)分子不呈現(xiàn)電的極件，如圖2-3(a)所示。在外電場E作用下，正、負(fù)離子作有限的位移，使兩者的作用中心不再重合，如圖2-3(b)所示。這樣，每個(gè)分子呈現(xiàn)電的正負(fù)極性。這種由正、負(fù)離子相對位移所形成的極化就稱為離子式極化。

離子式極化的特點(diǎn)為：

(1)極化過程極短。約為10^-13~10^-12s，故極化(或ε_r值)不隨頻率的不同而變化。

(2)極化過程中無能量損耗，這是因這種極化也具有彈性性質(zhì)。

(33溫度對極化有影響。溫度升高時(shí)，離子間的結(jié)合力減弱，使極化程度增加；而離子的密度則隨溫度的升高而減小，使極化程度降低。綜合起來，前者影響大于后者，所以這種極化隨溫度升高而增強(qiáng)，即ε_r具有正的溫度系數(shù)(ε_r值隨溫度升高而增大)。

3.偶極子式極化

有些電介質(zhì)的分了，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯、松香、橡膠、膠木等等，在無外電場作用時(shí)，其正負(fù)電荷作用中心是不重合的，這些電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。組成這些極性介質(zhì)的每一個(gè)分子成為一個(gè)偶極子（兩個(gè)電荷極）。在沒有外電場作用時(shí)，由于極子不停的熱運(yùn)動(dòng)，拼列混亂，如圖2-4(a)所示，故介質(zhì)靠電極的兩表面不呈現(xiàn)電的極性。在外電場作用下，偶極子受到電場力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向，順電場方向作有規(guī)則的排列，如圖2-4(b)所示，靠電極兩表面呈現(xiàn)出電的極性。這種由于極性電介質(zhì)偶極子分子的轉(zhuǎn)向所形成的極化就稱為偶極子式極化。

偶極子式極化的特點(diǎn)為：

(1)極化所時(shí)間較長。約為10^-10~10^-2s，故極化與頻率有較大關(guān)系。頻率很高時(shí)，由于偶極子的轉(zhuǎn)向跟不上電場方向的改變，因而極化減弱。

(2)極化過程中有能量損耗。這種極化屬非彈性，偶極了在轉(zhuǎn)向時(shí)要克服分子間的吸引力和摩摩力而要消耗能量。

(3)溫度對偶極子極化的影很大。溫度高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)妨礙偶極子順電場方向排列的作用明顯，極化減弱；溫度很低時(shí)，分子間聯(lián)系緊密，偶極了轉(zhuǎn)向困難，極化也減弱。以氯化聯(lián)苯為例，其ε_r、f、t三者的關(guān)系如圖2-5所示。

4.空間電荷極化

在實(shí)際中，高壓電氣設(shè)備的絕緣采用幾種不同電介質(zhì)組成復(fù)合絕緣。即便是采用單一電介質(zhì)，由于不均勾，也可以看成是由幾種不同電介質(zhì)組成，所以討論這種夾層情況下的空間電荷極化更具現(xiàn)實(shí)意義。

下面以平行平板電極的雙層電介質(zhì)為例來說明夾層式極化的過程。如圖2-6(a)所示，當(dāng)開關(guān)S合上，兩電介質(zhì)在電場作用下都要發(fā)生極化。根據(jù)電壓的極性，在兩電介質(zhì)交界面的介質(zhì)Ⅰ側(cè)，積聚正束縛電荷，交界面的介質(zhì)Ⅱ側(cè)積聚負(fù)束縛電荷。由于兩電介質(zhì)的不同，極化程度也不同，故交界面處積聚的異號(hào)電荷不相等，例如介質(zhì)Ⅰ下部邊緣處積聚的正電荷比介質(zhì)Ⅱ上部邊緣處積聚的負(fù)電荷多的話，則在兩介質(zhì)交界面處顯示出正的電極性來。我們將這種使夾層電介質(zhì)分界面上出現(xiàn)電荷積聚的過程稱為夾層式極化。夾層式極化過程是很緩慢的，也就是說經(jīng)過一緩慢過程后，夾層介質(zhì)的分界面上才呈現(xiàn)出某種電荷的極性來。

夾層式極化的具體過程可用圖2-6(b)所示的等值電路來解釋。在等值電路中，C₁、C₂、G₁、G₂分別為介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ的等值電容和電導(dǎo)，為了說明的簡便，全部參數(shù)只標(biāo)數(shù)值，略去單位.設(shè)

C₁=1，C₂=2，G₁=2，G₂=1，U=3

開關(guān)S在t=0時(shí)合上，電壓突然從零升至U作用在兩電介質(zhì)上，這相當(dāng)于施加一很高率的電壓，故此時(shí)兩電介質(zhì)上的電壓按電容成反比分配(由于容抗遠(yuǎn)小于電阻)，即

由于u₁+u₂=U=3，所以

此時(shí)兩等值電容上電荷分別為

總等值電容為

這表明加壓瞬間，兩電介質(zhì)分界面上的正、負(fù)電荷相當(dāng)，并不呈現(xiàn)電的極性。

之后，出現(xiàn)夾層極化過程。當(dāng)夾層極化過程結(jié)束，即圖2-6(b)的等值電路合閘后達(dá)到穩(wěn)態(tài)(理論上為t→∞)，此時(shí)兩介質(zhì)上的電壓按電導(dǎo)反比分壓(由于電流全流過電導(dǎo))，即

由于u₁+u₂=U=3，所以

此時(shí)兩等值電容上電荷分別為

總等值電容為

由此可見，由于夾層式極化，使兩電介質(zhì)分界面上的正、負(fù)電荷不相等(在此例中夾層分界面上呈現(xiàn)+3電的極性)以及等值電容的增大。

對于這個(gè)例子，夾層式極化過程就是C₁上電壓從2降至1，C₂上電壓從1升至2的過程。而這種電壓的升降都是通過G₁、G₂進(jìn)行的。由于電介質(zhì)的電導(dǎo)非常小(電阻非常大)，則對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)(RC)非常大，這就是為什么夾層極化過程非常緩慢的緣故，一般為幾秒到幾十分鐘，甚至有長達(dá)幾小時(shí)的，因此這種極化只有在頻率不高時(shí)才有意義。顯然，夾層極化過程中有能量損耗。

既然分界面上電荷的積聚過程是緩慢的，那么此電荷的釋放過程也將是緩慢的，為此，具有夾層絕緣的設(shè)備斷開電源后，應(yīng)短接進(jìn)行放電以免危及人身安全，大容量電容器不加電壓時(shí)要短接即為此原因。

了解電介質(zhì)的極化，在工程上是很有意義的。例如，選擇電容器中的絕緣材料時(shí)，選ε_r大的材料，這樣電容器單位電容量的體積和質(zhì)量都可減小。而選擇其他電氣設(shè)備絕緣材料時(shí)，一般希望ε_r小一些，例加選用ε_r小一些的材料作交流電力電纜的絕緣可減小電纜工作時(shí)的充電電流以及因極化引起的發(fā)熱損耗。由于多種電介質(zhì)串聯(lián)時(shí)，各電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度與它們的介電系數(shù)ε_r成反比，因此在幾種絕緣材料組合使用時(shí)，要注意各絕緣介員ε_r值的合理分配，以使各絕緣介質(zhì)層中的電場強(qiáng)度盡均勻分布。