3.1 液体电介质的极化与损耗

一切电介质在电场的作用下都会出现极化、损耗等问题，本小节对液体电介质的极化与损耗问题进行阐述。

3.1.1 液体电介质的极化

1.极化的定义

电介质中正、负电荷在电场的作用下沿电场方向作有限位移，形成电矩（即偶极矩）的现象叫做介质的极化，如图3-1所示。

2.电介质的介电常数

电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该电介质分子的极性强弱有关，还受温度、外加电场频率等因素的影响。具有极性分子的电介质称为极性电介质，即使没有外电场的作用，分子本身也具有电矩。由中性分子构成的电介质则称为中性电介质。

根据之前所学可知，平行板电容器的电容量 C 与平板电极的面积 A 成正比，与平板电极间的距离 d 成反比，其比例常数取决于介质的特性。

以图3-1为例，如果极间为真空（见图3-1a），其电容量为

式中 ε ₀ ——真空中的介电常数，其值为2.886×10 ^-14 F/cm；

A ——极板面积（cm ² ）；

d ——极间距离（cm）。

当平板间放入介质后（见图3-1b），电容量将增大为

式中 ε ——介质的介电常数。

可以看出，在相同直流电压 U 的作用下，由于介质的极化，使得介质表面出现了与极板电荷异号的束缚电荷，电荷量为 Q ′，相应地要从电源吸取等量的异性电荷到极板上，极板上的电荷量为 Q ，则有

Q=Q ₀ + Q′=CU

对于同一平板电容器，放入介质不同，介质极化程度也不同，表现为极板上的电荷量 Q 不同，则 Q/Q ₀ 可以反映在相同条件下不同介质极化现象的强弱，于是便有

ε _r 称为电介质的相对介电常数，可用来表征电介质在电场作用下极化现象的强弱，其值由电介质本身材料决定。表3-1中列出部分液体电介质在20℃时工频电压下 ε _r 的值，对于液体介质， ε _r 通常在2～6之间。

3.液体电介质介电常数

1）中性、弱极性液体电介质：中性、弱极性液体电介质的介电常数不大，其值在1.8～2.8的范围内，介电常数与温度的关系与单位体积分子数与温度的关系接近一致。石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中性液体介质。

2）极性液体电介质：这类介质通常具有较大的介电常数，如果作为电容器的浸渍剂，可使电容器的比电容增大。但这类电介质通常都伴随一个缺点，就是在交变电场中的介质损耗较大，故在高电压绝缘中很少应用，只有蓖麻油和几种合成液体介质在某些场合有应用。

4.极化的基本形式

（1）电子位移极化

在外电场 的作用下，介质原子中的电子运动轨迹将相对于原子核发生弹性位移，如图3-2所示。这样，正、负电荷作用中心不再重合而出现感应偶极矩 ，其值为 = （矢量 的方向由- q 指向+ q ）。这种极化方式称为电子位移极化。

电子位移极化特点：

1）存在于一切电介质中；

2）完成极化时间极短，约10 ^-15 s，其 ε _r 不受外电场频率影响；

3）极化程度取决于电场强度 E ，由于温度不足以引起质子内部电子能量状态变化，所以温度对该种极化影响极小；

4）极化是弹性的，去掉外加电场，极化可立即恢复，极化时消耗的能量可以忽略不计，因此也称为“无损极化”。

（2）离子位移极化

在由离子结合成的电介质中，在外电场的作用下使得正、负离子产生有限的位移，平均地具有了电场方向的偶极矩，这种极化称为离子位移极化，如图3-3所示。

离子位移极化特点：

1）只存在于离子结构的电介质中；

2）极化建立所需时间极短，约10 ^-13 ～10 ^-12 s，因此 ε _r 不受外电场频率影响；

3） ε _r 具有正温度系数，温度上升，离子间距增大，一方面使得离子间结合力减弱，极化程度增加，另一方面使得离子密度减小，极化程度降低，而前者影响大于后者，所以这种极化随温度升高而增强。

4）该极化也是弹性的，无能量损失。

（3）偶极子极化

有些电介质的分子很特别，具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质，例如，蓖麻油、氯化联苯等。

每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列，如图3-4a所示，宏观电矩等于0。因而整个介质对外不表现出极性。外加电场后，原先无序排列的偶极子将沿电场方向转动，做较有规则的排列，如图3-4b所示（实际上，由于热运动和分子间束缚电场存在，不是所有的偶极子都能转到与电场方向完全一致），因而显示出极性，这种极化方式称为偶极子极化或转向极化。

偶极子极化特点：

1）存在于偶极性电介质中；

2）极化建立时间较长，约10 ^-6 ～10 ^-2 s，因此这种极化与频率有着较大关系。频率较高时，偶极子极化跟不上电场变化，从而使极化减弱，如图3-5所示， ε _r 随频率增加而减小；

3）温度对偶极子极化影响大。温度高时，分子热运动加剧，妨碍偶极子沿着电场方向转向，极化减弱；温度很低时，分子间联系紧密，偶极子难以转向，不易极化，所以随着温度增加，极化程度先增加后降低，如图3-6所示。

4）偶极子极化为非弹性的，偶极子在转向时需要克服分子间的吸引力和摩擦力而消耗能量，因此也称其为“有损极化”。

（4）夹层极化

上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的，而夹层极化的机理与上述完全不同，它是由带电质点的位移形成的。

在实际的电气设备中，常采用多层电介质绝缘结构，如电缆、电机和变压器绕组等，在两层介质之间常夹有油层、胶层等，形成多层介质结构。凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在外加电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会集聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化方式称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。

以最简单的平行平板电极间的双层电介质为例对其进行说明。如图3-7所示，以 ε ₁ 、 γ ₁ 、 C ₁ 、 G ₁ 、 d ₁ 和 U ₁ 分别表示第一层电介质的介电常数、电导率、等效电容、等效电导、厚度和分配到的电压；而第二层对应参数为 ε ₂ 、 γ ₂ 、 C ₂ 、 G ₂ 、 d ₂ 和 U ₂ 。两层面积相同，外加直流电压为 U 。

设在 t =0瞬间合上开关，两层电介质上的电压分配将与电容成反比，即

这时两层介质的分界面上没有多余的整空间电荷或负空间电荷。到达稳态后，电压分配将与电导成反比，即

在一般情况下， ，可见有一个电压重新分配的过程，即 C ₁ 、 C ₂ 上的电荷要重新分配。

设 C ₁ < C ₂ 、而 G ₁ > G ₂ ，则：

t =0时， U ₁ > U ₂

t →∞时， U ₁ < U ₂

夹层极化特点：

1）这种极化存在于不均匀夹层介质中，极化过程有能量损耗，属于“有损极化”；

2）极化建立时间很长，一般为几分钟到几十分钟，有的甚至长达几小时，因此，这种极化只适用于低频情况。

将上述各种极化总结见表3-2。

5.极化在工程实际中的应用

1）选择绝缘。在选择高电压设备的绝缘材料时，除了要考虑材料绝缘强度外，还应该考虑相对电介质常数 ε _r 。例如，在制造电容时，要选择 ε _r 大的材料作为极板间的绝缘介质，以使电容器单位容量的体积和质量减小；在制造电缆时，则要选择 ε _r 小的绝缘材料作为缆芯与外皮间的绝缘介质，以减小充电电流。其他绝缘情况也往往希望选用 ε _r 小的绝缘材料。

2）多层介质的合理配合。一般高电压电气设备中的绝缘常常是由几种电介质组合而成的。在交流及冲击电压下，串联电介质中的电场强度是按与 ε _r 成反比分布的，这样使得外加电压的大部分常常为 ε _r 小的材料负担，从而降低了整体的绝缘强度。因此，要注意选择 ε _r ，使各层电介质的电场分布较为均匀。

3）介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是绝缘老化与热击穿的一个重要影响因素。

4）在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘状况。

3.1.2 液体电介质的损耗

1.电介质损耗基本概念

在电场作用下，实际电介质总有一定的能量损耗，包括由电导引起的某些损耗和某些有损极化（偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，称为介质损耗。

在直流电压的作用下，电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质损耗将仅由电导引起，所以用电导率和表面电导率两个物理量足以说明问题，不必再引入介质损耗概念。

在交流电压下，流过电介质的电流 包含有功分量 和无功分量 ，即

图3-8为此时电压、电流相量图，由此可以看出介质功率损耗为

式中 ω ——电源角频率；

φ ——功率因数角；

δ ——介质损耗角。

介质损耗角 δ 为功率因数角 φ 的余角，其正切值tan δ 称为介质损耗因数，常用百分数（%）表示。

可以看出，介质损耗 P 值的大小与所加电压 U 、试品电容量 C 、电源频率等一系列因素都有关系，因此并不适合用来比较各种绝缘材料损耗特性的优劣。而tan δ 是一个仅取决于材料损耗特性的值，与其他的因素无关，所以通常可以用介质损耗正切tan δ 作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，因此tan δ 也称为介质损耗因数，在测量和监控各种电力设备绝缘特性时，tan δ 的测量已经是电力系统绝缘预防性试验的最重要项目之一。

有损介质更细致的等效电路如图3-9a所示，图中， C ₁ 代表介质的无损极化（电子式和离子式极化）， C ₂ 和 R ₂ 代表各种有损极化，而 R ₃ 则代表电导损耗。在这个等效电路加上直流电压时，电介质中流过的将是电容电流 i ₁ 、吸收电流 i ₂ 和传导电流 i ₃ 。电容电流 i ₁ 在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是一极短暂的充电电流；吸收电流 i ₂ 则随加电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，约经数十分钟才衰减到零，具体时间长短取决于绝缘的种类、不均匀程度和结构；传导电流 i ₃ 是唯一长期存在的电流分量。这三个电流分量加在一起，即得出图3-10中的总电流 i ，它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为吸收曲线。

如果施加的是交流电压 ，那么纯电容电流 、反映吸收现象的电流 和电导电流 都将长期存在，而总电流 等于三者的相量和。

反映有损极化或吸收现象的电流 又可以分解为有功分量 和无功分量 ，如图3-9b所示。

上述三支路等效电路可进一步简化为电阻、电容的并联等效电路或串联等效电路。若介质损耗主要由电导所引起，常采用并联等效电路；如果介质损耗主要由极化所引起，则常采用串联等效电路。现分述如下：

（1）并联等效电路

如果把图3-9中的电流归并成由有功电流和无功电流两部分组成，即可得图3-8b所示的并联等效电路，图中， C _P 代表无功电流 的等效电容、 R 则代表有功电流 的等效电阻。其中

介质损耗因数tan δ 等于有功电流与无功电流的比值，即

此时电路的功率损耗为

可见与式（3-7）所得到的功率损耗完全相同。

（2）串联等效电路

上述有损电介质也可用一只理想的无损耗电容 C _s 和一个电阻 r 相串联的等效电路来代替，如图3-11a所示。

由图3-11b的相量图可得

由 可得电路功率损耗：

因为介质损耗角 δ 的值一般很小，则cos δ ≈1，可得

用两种等效电路所得出的tan δ 和 P 理应相同，所以只要把式（3-11）与式（3-14）加以比较，即可得 C _s ≈ C _P ，说明两种等效电路中的电容值几乎相同，可以用同一电容 C 来表示。另外，由式（3-10）和式（3-12）可得 r/R ≈tan ² δ ，可见 r << R （因为tan δ <<1），所以串联等效电路中的电阻 r 要比并联等效电路中的电阻 R 小得多。

2.液体电介质损耗

（1）非极性和弱极性液体电介质损耗

非极性和弱极性液体介质（如变压器油）的极化损耗很小，其损耗主要由电导引起，介质损耗角正切值（介质损耗因数）为

一般非极性和弱极性液体介质的电导率 γ 很小。低频下这类液体介质的 ε 、 P 、tan δ 与频率 ω 的关系如图3-12所示，而在高频下，由于极性杂质等因素影响，可能使tan δ 显著增大。

（2）极性液体电介质损耗

极性液体介质（如蓖麻油、氯化联苯等）除了电导损耗外，还存在极化损耗。它们的tan δ 与温度的关系要复杂一些，如图3-13所示。图中的曲线变化可以这样来解释：在低温时，极化损耗和电导损耗都较小；随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增强，电导损耗也在增大，所以总的tan δ 也上升，并在 t = t ₁ 时达到极大值；在 t ₁ ＜ t ＜ t ₂ 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tan δ 曲线随 t 的升高而下降，并在 t = t ₂ 时达到极小值。在 t ＞ t ₂ 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tan δ 就将随 t 的上升而持续增大了。

极性液体介质的 ε 和tan δ 与电源角频率 ω 的关系如图3-14所示。当 ω 较小时，偶极子的转向极化完全能跟上电场的交变，极化得以充分发展，此时的 ε 也最大。但此时偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，tan δ 也小，且主要由电导损耗引起。如 ω 减至很小时，tan δ 反而又稍有增大，这是因为电容电流减小的结果。随着 ω 的增大，当转向极化逐渐跟不上电场的交变时， ε 开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、tan δ 增大。一旦 ω 大到偶极子完全来不及转向时， ε 值变得最小而趋于某一定值，tan δ 也变得很小，因为这时只存在电子式极化了。在这样的变化过程中，一定有一个tan δ 的极大值，其对应的角频率为 ω ₀ 。

油纸电力电缆用矿物油和松香的粘性复合浸渍剂，是一种极性液体介质。其中，矿物油是稀释剂，故油的成分增加时，复合剂的黏度减小，对应于一定频率下出现tan δ 最大值的温度就向低温移动，而恒温下出现的tan δ 最大值的频率就向高频移动。图3-15所示为工频下松香复合剂的tan δ 与温度关系图。

3.tan δ 在工程实际中的应用

1）选择绝缘。设计绝缘结构时，必须注意绝缘材料的tan δ ，tan δ 过大会引起严重发热，容易使材料劣化，甚至导致热击穿。

2）在绝缘预防性试验中判断绝缘状况。当绝缘受潮或劣化时，tan δ 将急剧上升，绝缘内部是否存在局部放电，也可以通过tan δ 与 U 的关系曲线加以判断。

3）介质损耗引起的发热有时也可以利用。例如，电瓷生产中对泥坯加热即是在泥坯两端加上交流电压，利用介质损耗发热加速泥坯的干燥过程。由于这种方法是利用材料本身介质损耗的发热，所以加热非常均匀。 DUD70iEQ9V33hfM0tn+K4zcb3lcKDfKhXmIlGaC9Wy4wNROc8cI4M8w9N3Xur4J8