電介質(zhì)的極化與介電系數(shù)

【模塊描述】本模塊介紹電介質(zhì)極化的概念、極化的種類(lèi)和電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。通過(guò)定義講解、理論分析，了解電介質(zhì)極化的知識(shí)及其在工程上的意義。

【正文】

一、電介質(zhì)極化的概念

電氣設(shè)備的絕緣對(duì)保證設(shè)備及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。絕緣的作用是將不同電位的導(dǎo)體分隔開(kāi)，使導(dǎo)體間沒(méi)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(zhì)。

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下所發(fā)生的束縛電荷的彈性位移和極性分子的轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。通俗的理解就是：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)由中性轉(zhuǎn)化為對(duì)外顯現(xiàn)電性的過(guò)程。極化的結(jié)果是：在電介質(zhì)沿電場(chǎng)方向的兩端出現(xiàn)等量異號(hào)電荷形成電矩。與正極板相對(duì)的一端出現(xiàn)負(fù)電荷，與負(fù)極板相對(duì)的一端出現(xiàn)正電荷。

二、電介質(zhì)極化的種類(lèi)

根據(jù)電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，極化有以下四種基本形式。

1.電子式極化

在外電場(chǎng)的作用下，物質(zhì)原子里的電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移，從而產(chǎn)生感應(yīng)電矩的過(guò)程稱為電子式極化。

電子式極化存在于一切電介質(zhì)中，其特點(diǎn)是極化過(guò)程所需的時(shí)間極短，約10^-15～10^-14s，極化程度取決于電場(chǎng)強(qiáng)度，與電源頻率無(wú)關(guān)，溫度對(duì)電子式極化的影響不大。另外，電子式極化屬?gòu)椥詷O化，去掉外電場(chǎng)，正、負(fù)電荷間的吸引力使得正、負(fù)電荷作用中心重合，所以這種極化沒(méi)有能量損耗。

2.離子式極化

離子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，每個(gè)分子的正、負(fù)離子的作用中心是重合的。在外電場(chǎng)的作用下，電場(chǎng)力使得正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移，整個(gè)分子呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，其特點(diǎn)是極化過(guò)程所需的時(shí)間極短。約10^-13～10^-12s，故極化程度與電源頻率無(wú)關(guān)。離子式極化也屬?gòu)椥詷O化，無(wú)能量損耗。隨著溫度的升高，由于離子間的結(jié)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(zhì)是由偶極分子組成的。偶極子是一種特殊的分子，其正、負(fù)電荷的作用中心不重合，形成久性的偶極矩，即單個(gè)偶極子呈現(xiàn)極性。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，由于偶極子處于雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以整個(gè)電介質(zhì)對(duì)外并不呈現(xiàn)極性。在外電場(chǎng)作用下，原來(lái)混亂分布的偶極子轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向定向排列，呈現(xiàn)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(zhì)中，其特點(diǎn)是極化過(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng)，約10^-10～10^-2s，所以極化程度與電源頻率有關(guān)，頻率較高時(shí)偶極子來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而極化率減小。由于偶極子在轉(zhuǎn)向時(shí)需要克服分子間的作用力，即需要消耗電場(chǎng)能量，消耗的能量在復(fù)原時(shí)不能收回，所以偶極子式極化屬非彈性極化。

溫度對(duì)偶極子式極化的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)分子間的聯(lián)系力減弱，使極化1 程度加強(qiáng)：但當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，妨礙偶極子沿電場(chǎng)方營(yíng)享工 向轉(zhuǎn)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(zhì)點(diǎn)的彈性位移或轉(zhuǎn)向形成的，均發(fā)生在單一電介質(zhì)中，是極化最基本的形式。

4.夾層式極化

實(shí)際電氣設(shè)備的絕緣通常采用多層電介質(zhì)的絕緣結(jié)構(gòu)，因而在不同介質(zhì)的交界面處會(huì)發(fā)生由帶電質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)所形成的夾層式極化。

下面以簡(jiǎn)單的雙層電介質(zhì)為例分析夾層式極化的物理過(guò)程。

如圖TYBZ01401001-1 所示，C₁、C₂為各層介質(zhì)的電容，G₁、G₂為各層介質(zhì)的電導(dǎo)， U₁、U₂為各層介質(zhì)上的電壓。在開(kāi)關(guān)S剛合閘的瞬間，介質(zhì)上的電壓按電容分配，即t＝0

時(shí)，U₁/U₂=C₂/C₁；到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，介質(zhì)上的電壓按電導(dǎo)分配，即t→∞時(shí)，U₁/U₂=G₂/G₁。

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

假設(shè)C₁＞C₂、G₁＜G₂，則t→0時(shí)，U₁＜U₂；t→∞時(shí)，U₁＞U₂。因U₁+U₂=U, 則在過(guò)渡過(guò)程中C₁要通過(guò)G₂從電源再多充一部分電荷(稱為吸收電荷)，而C₂要通過(guò)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(zhì)的交界面處積聚電荷的過(guò)程，稱為夾層式極化。電荷積聚過(guò)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(dāng)于增大了整個(gè)電介質(zhì)的等值電容。

夾層式極化存在于不均勻夾層介質(zhì)中。這種極化因涉及電荷的移動(dòng)和積聚，所以必然伴隨有能量損耗。由于電荷的積聚是通過(guò)介質(zhì)的電導(dǎo)進(jìn)行的，而介質(zhì)的電導(dǎo)一般很小，所以極化過(guò)程較慢，一般需要數(shù)秒到數(shù)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(xiàn)出來(lái)。

三、電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

1.定義

電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r 用來(lái)表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化現(xiàn)象的強(qiáng)弱，其物理意義表示極板間放入電介質(zhì)后電容量或電荷量比極板間為真空時(shí)增大的倍數(shù)。ε_r值由電介質(zhì)的材料決定，并且隨溫度、頻率而變化。其計(jì)算式為

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

式中 ε₀——真空的介電常數(shù)，1/36Π×10^-9F/m；

ε——介質(zhì)的介電常數(shù)；

C₀——平行平板電容器在真空中的電容量，F(xiàn)；

C——平行平板電容器極板間插入固體介質(zhì)后的電容量，F(xiàn)。

2. 氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)

由于氣體電介質(zhì)的密度很小，所以氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)都很小，在工程應(yīng)用中一切氣體電介質(zhì)的ε_r都可看作1。

3.液體電介質(zhì)的介電常數(shù)

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

(2)極性液體電介質(zhì)。這類(lèi)電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，其值在3～80，用作絕緣介質(zhì)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(lèi)液體電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中的損耗較大，故高壓絕緣中很少應(yīng)用。

極性電介質(zhì)的ε_r與溫度有關(guān)，ε_r在溫度較低時(shí)先隨溫度的升高而增大，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈時(shí)，ε_r又隨溫度上升而減小。

極性電介質(zhì)的ε_r與電源頻率有較大的關(guān)系，頻率較低時(shí)，偶極分子能夠跟隨交變電場(chǎng)充分轉(zhuǎn)向，ε_r較大且其值與頻率大小無(wú)關(guān)。當(dāng)頻率很高時(shí)偶極分子轉(zhuǎn)向跟不上電場(chǎng)方向的改變，極化率減小，因而ε_r減小。

4.固體電介質(zhì)的介電常數(shù)

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

石蠟、石棉、聚乙烯、聚丙烯、無(wú)機(jī)玻璃等屬于此類(lèi)電介質(zhì)。

(2)極性固體電介質(zhì)。這類(lèi)電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，一般為3～6。ε_r與溫度、頻率的關(guān)系和極性液體介質(zhì)的相似。

樹(shù)脂、纖維、橡膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯等屬于極性固體電介質(zhì)。

(3)離子性電介質(zhì)。固體無(wú)機(jī)化合物多數(shù)屬于離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)，如云母、陶瓷等，ε_r一般具有正的溫度系數(shù)，其值約在5～8。

四、電介質(zhì)極化在工程實(shí)際中的意義

(1)選擇絕緣材料。如對(duì)電容器應(yīng)選擇ε_r較大的電介質(zhì)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(duì)于其他電氣設(shè)備如電纜，應(yīng)選擇ε_r較小的電介質(zhì)，這樣可以減少電纜工作時(shí)的由容電流。

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

(3)介質(zhì)損耗與介質(zhì)的極化類(lèi)型有關(guān)，而介質(zhì)損耗對(duì)絕緣老化和熱擊穿有很大的影響。

(4)在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，可用夾層式極化來(lái)判斷絕緣受潮情況。