第一章

電介質基本物理知識

電介質（或稱絕緣介質）在電場作用下的物理現象主要有極化、電導、損

耗和擊穿。

在工程上所用的電介質分為氣體、液體和固體三類。目前，對這些電介質

物理過程的闡述，以氣體介質居多，液體和固體介質僅有一些基本理淪，還

有不少問題難以給出量的分析，這樣就在很大程度上要依靠試驗結果和工作

經臉來進行解釋和判斷。

第一節電介質的極化

一、極化的含義

電介質的分子結構可分為中性、弱極性和極性的，但從宏觀來看都是不

呈現極性的。當把電介質放在電場中，電介質就要極化，其極化形式大體

可分為兩種類型：第一種類型的極化為立即瞬態過程，極化的建立及消失

都以熱能的形式在介質中消耗而緩慢進行，這種方式稱為松弛極化。

電子和離子極化屬于第一種，為完全彈性方式，其余的屬于松弛極化型。

（一）電子極化

電子極化存在于一切氣體，液體和固體介質中，形成極化所需的時間

極短，約為107，So它與頻率無關，受濕度影響小，具有彈性，這種極

化無能量損失。

（二）原子或離子的位移極化

當無電場作用時，中性分子的正、負電荷作用中心重合，將它放在電

場中時，其正負電荷作用中心就分離，形成帶有正負極性的偶極子。離

子式結構的電介質（如玻璃、云母等），在電場作用下，其正負離子被拉

開，從而使正負電荷作用中心分離，使分子呈現極性，形成偶極子，形

成正負電荷距離。

原子中的電子和原子核之間，或正離子和負離子之間，彼此都是緊密

聯系的。因此在電場作用下，電子或離子所產生的位移是有限的，且隨

電場強度增強而增大，電場以清失，它們立即就像彈簧以樣很快復原，

所以通稱彈性極化，其特點是無能量損耗，極化時間約為10*s。

（三）偶極子轉向極化

電介質含有固有的極性分子，它們本來就是帶有極性的偶極子，它

的正負電荷作用中心不重合。當無電場作用時，它們的分布是混亂的，

宏觀的看，電介質不呈現極性。在電場作用下，這些偶極子順電場方向

扭轉（分子間聯系比較緊密的），或順電場排列（分子間聯系比較松散的）。

整個電介質也形成了帶正電和帶負電的兩級。這類極化受分子熱運動的

影響也很大。偶極松弛極化的電介質有膠木、橡膠、纖維素等，極化為

非彈性的，極化時間約為10塊一10?2s。

（四）空間電荷極化

介質內的正負自由離子在電場作用下，改變其分布狀況，在電極附

近形成空間電荷，稱為空間電荷極化，其極化過程緩慢。

（五）夾層介質界面極化

由兩層或多層不同材料組成的不均勻電介質，叫做夾層電介質。由

于各層中的介電常數和電導率不同，在電場作用之下，各層中的電位，

最初按介電常數分布（即按電容分布），以后逐漸過濾到電導率分布（即

按電阻分布）。此時，在各層電介質的交界面上的電荷必然移動，以適應

電位的重新分布，最后在交界面上積累起電荷。這種電荷移動和積累，

就是一個極化過程。

上述電介質的五種極化形式，從施加電場開始，到極化完成為止，

都需要一定的時間，這個時間有長有短。屬于彈性極化的，極化建立所

需的世間都很短，不超過10/s。屬于松弛極化的，極化時間都較長，在

-10

10-104s以上。夾層極化則時間更長，在10?飛以上，甚至以小時計。

彈性極化在極化過程中不消耗能量，因此不產生損耗。而松弛極化則要

消耗能量，并產生損耗。

二、電介質極化在工程實踐中的意義

（一）增大電容器的電容量

當電極中為真空時，在電場的作用下，極板上的電荷量為Q0,極板

間的電容C。二殷二典o其中C。：真空中的電容；Q0:真空中極板上

Ud

的電荷量；eO:真空中介電常數，^0=8.86*10-,4F/cm;S:極板面積；

d:極板距離。

當電極間放入電介質后，在靠近電極的電介質表面形成束縛電荷

Q|,它將從電源吸引一部分額外電荷來“中和”，使極板上存儲的電荷

增加，因此極板間的電容為C二處烏二更。上兩式相除有￡二￡二3,

Ud。01

稱為介質相對介電常數，通常用來表示介質的介電特性。

因此，在保持電極間電壓不變的情況下，相對介電常數還代表將介

質引入極板間后使電極上儲存的電荷量增加的倍數，即極板間電容量

均為常數。在t等于零及t趨近與零時都不適用，但在工程上應用還

是可以的。吸收電流i”是隨時間按冥函數衰減的，如將此式兩端取對

數，則得lgi〃=lgUCxD-n1g/即吸收電流的對數與時間的對數成一下降直

線關系，n為該直線的斜率。

由于吸收電流隨時間變化，適用在測試絕緣電阻和泄漏電流時都要

規定時間。例如在現行電氣設備交接和預防性試驗的有關標準中，利

用60s及15s時的絕緣電阻比值（即R60/R15）,1min或10min的泄漏

電流等，作為判斷絕緣受潮程度或臟污狀況的一個指標。絕緣受潮或

臟污后，泄漏電流增加，吸收現象就不明顯了。

（三）電介質的電容電流好介質損耗

前面所述的是電介質在直流電場中的情況。如把電介質放在交變

電場中，電介質也要極化，而且隨著電場方向的改變，極化也跟著不

斷改變它的方向。

對于50hz的工頻交變電場來說，彈性極化完全能夠跟上交變電場

變化。當電場從零按正弦規律變到最大值時，極化也從零按正弦規律變

到最大，經過半周期后又同樣沿負的方向變化。偶極子隨電場變化既然

電距是按正弦規律變化，則電流L一定按余弦規律變化（；c=—）0在0-5

dt2

期間，電距I是增加的，生為正：在二時J為零；在二--口期間J為負。

dt22

因此，電流心超前外施電壓u為90°,這就是電介質中的電容電流。

在0-2期間，電荷移動的方向與電場的方向相同，即電場對移動

2

中的電荷做功，或者說電荷獲得動能，相當于“加熱當n期間，

電場的方向未變，但電荷移動的方向與電場相反，這時電荷反抗電場做

功，喪失自己的動能而“冷卻”。在0——n半周中，“加熱”和“冷卻”

正好相等。，因此電介質中沒有損耗。這就是說，在交變電場中，彈性極

化只引起純電容電流，而不產生損耗。

松弛極化則要產生損耗，這將在電介質損耗一節中討論。

第二節電介質的電導與性能

一、電介質的電導

從電導機理來看，電介質的電導可分為離子電導和電子電導。離子電導

時以離子為載流體，而電子電導時以自由電子為載流體。理想的電介質是

不含帶電質點的，更沒有自由電質。但實際工程上所用的電介質或多或少

總含有一些帶電質點（主要是雜質離子），這些離子與電介質分子聯系非

常弱，甚至成自由狀態；有些電介質在電場或外界因素影響下（如紫外線

輻射），本身就會離解成正負離子。它們在電場作用下，沿電場方向移動，

形成了電導電流，這就是離子電導。電介質中的自由離子，則主要是在高

電場作用下，離子與電介質分子碰撞、游離激發出來的，這些電子在電場

作用下移動，形成電子電導電流。當電介質中出現電子電導電流時，就表

明電介質已經被擊穿，因而不能再作絕緣體使用。因此，一般說電介質的

電導都是指離子性電導。

二、電介質的性能

（一）電介質的電導率和電阻率

電介質的性能常用電導率/或電阻率夕來表示，電導率為電阻率的倒數，

即/二固體電介質除了通過電介質內部的電導電流外，還有沿介質表面

P

流過的電導電流Ig。由電介質內部電導電流所決定的電阻，稱為體積電阻Rv,

其電阻率為小。由表面電導電流ig決定的電阻，稱為表

體積

電

阻

的

測

量

面電阻R,,其電阻率為心。氣體和液體電介質只有體積圖

電阻。

體積電阻率，就是在邊長1cm的正方型的電介質中，

所測得其兩相對面之間的電阻。設在正極1和負極2間

的電介質的厚度為d（cm）,電極截面為S（cm）33為屏,|J1|

蔽電極，利用它可以排除表面電流，以準確測得內部的

電導電流I丫。如測得電介質的體積電阻為Rv（Q）,則體積電阻率為0（Q,Z777）

為2=Rv*-體積電導率就是電阻率的倒數人尸L二」?*邑二Gy邑式中Gy體積

dP、.Rvss

電導。

表明電阻率就是在每邊長為I的正方形表面

積上，其兩相對邊之間量得的電阻。設電介質

總旦十表面兩級對邊之間距離為d（cm）,電極的長度

為I（cm）,測得的表面電阻為R、（Q）,則表

表面電阻的測量圖面電阻率九（。）為3二R二。

a

表面電導率八（S）為表面電阻率的倒數，即九二-L*@二GJ&式中Gs：表面

Ps//

電導。

三、氣體電介質的電導

正常情況下，氣體為極好的電介質，電導非常小。如給氣體加以不同的

電壓，則其電流密度與外施電場強度的關系外施場強低于E2時，氣體電

介質中的電流仍極小極小。在極小場強時，氣體中的電流密度j大致他外

施場強成正比，基本上符合歐姆定律，如//E式中電導率；E:電場

強度。但場強稍微增大時，電流達到飽和狀態，不在隨外施場強而上升。

這是因為在此階段電流全取決于外界游離因子（如輻射等）引起的氣體電

介質電離而出現的帶包粒子。只有當外施場強顯著提高，電介質進入電子

碰撞游離階段，如大于E2時，則由于碰撞電離，才使帶電粒子急劇增多，

即氣體電介質已接近擊穿了。

E1,E2的飽和段比較寬，氣體電介質在工程應用上總是處于飽和條件下，

電離密度不隨電場強度變化，電導率就沒有意義。又由于氣體的電導很小，

故只要氣體的工作場強低于游離場強，就不考慮氣體的電導。

四、液體電介質中的電導

液體介質中形成電導電流的帶電質點主要有兩種，一種時電介質分子或

雜質分子離解而成的離子；另一種是較大的膠體（如絕緣油中的懸浮物）

帶電質點。前者叫做離子電導，后這叫做電泳電導。二者只是帶電質點大

小上的差別，其導電性質時一樣的。中性和弱極性的液體電介質，其分子

的離解度小。介電常數大的極性和強極性液體電介質的離解作用是很強

的，液體中的離子數多，電導率就大。因此，極性和強極性（如水、醇類

等）的液體，在一般情況下，不能用作絕緣材料。工程上常用的液體電介

質，如變壓器油、漆和樹脂以及它們的溶劑（如四氯化碳、苯等），搜屬

于中性和弱極性。這些電介質在很純凈的情況下，其電導率是很小的。但

工程上通常用的液體電介質難免含有雜質，這樣就會增大其電導率，

五、固體電介質的電導

固體電介質的電導分為離子電導和電子電導兩部分。離子電導在很大

程度上決定電介質所含的雜質離子，特別對于中性及弱極性電介質，雜

質離子起主要作用。離子電導的電流密度，，在電場強度較低時，它與電

場強度成正比，符合歐姆定律，即九二七E式中心：離子電導率。

當電場強度較高時，離子電導電流密度與電場強度成指數關系，即

兀二九e"式中C:常數；E:電場強度。

只有當電場更高時，由于碰撞游離和陰極發射，才大量產生自由離子,

電子電導急增。電子電導電流密度與電場強度也是成指數高校，即

AE

j=yee式中九：電子電導率；A:常數。

由于電子電導電流急增，電介質總的電導電流的增長比指數曲線更陡。

曲線分三部分：I部分為歐姆定律階段；II部分為電場強度高時，電

子電流密度成指數曲線上升；III部分為電子電流急增階段，曲線更陡，

開始出現電子電導電流急增的電壓，約在固體電介質擊穿電壓的80%左

右，這就預示絕緣接近擊穿的程度，因而固體絕緣電氣設備在運行情況下，

固體電介質的電導時以離子電導為主的。

固體電介質的表面電導，主要決定于它表面吸附電導雜質（如水分和污

染物）的能力及其分布狀態只要電介質表面出現很薄的吸附雜質膜，這叫

做清水性的電介質。這種電介質表面電導就大，如云母、玻璃、纖維材料

等。不含極性分子的電介質表面水珠，不構成連續的水膜，這叫做憎水性

電介質。其表面電導就小，如石蠟、聚苯乙烯等。還有一些材料能部分溶

于水或脹大（如賽璐?珞），其表面電導遠大于體積電導，所以在測量絕緣

泄漏電流或絕緣電子時，要注意屏蔽和具體分析測試結果。

第三節電介質的損耗及的等值電路

在交流或直流電路中，電介質都要消耗電能，通稱電介質的損耗。現將

電介質損耗的原因及電路分析敘述如下。

一、電介質的損耗

（一）電導損耗

電介質在電場作用下有電導電流流過，這個電流使電介質發熱產生損

耗，一般情況下，電介質的電導損耗時很小的。

（二）游離損耗

電介質中局部電場集中（如固體電介質中氣泡、油隙，氣體電介質中電

極的尖端等）處，當電場強度高于某一值時，就產生游離放電，又稱局

部放電。局部放電伴隨著很大的能量損耗，這些損耗時因游離和電子注

轟擊而產生的。游離損耗只在外加電壓超過一定值時才會出現，且隨電

壓升高而急劇增加，這在交流和直流電場中都是存在的，但嚴重程度不

同。

（三）極化損耗

在本章第一節中，曾提到松弛極要產生損耗，其松弛極化建立的比較慢，

跟不上50hz交變電場的變化，當電壓比零按正弦規律變到最大值時，

極化還來不及完全發展到最大，在電壓經過最大值后，極化還在繼續增

長，并在電壓已經越過最大值下降的時候達到最大值，以后極化又開始

減小，比電壓滯后一段時間極化減小到零，并再往負方向發展。這樣，

極化的發展，總要滯后電壓一個角度，在電壓的第一個1/4周期中，極

化中電荷移動的方向相同，即電場對移動中的電荷做功，相當于“加熱”。

從電壓的最大值到極化的最大值這一段時間內，情況和前面一樣，仍相

當于“加熱”。從極化的最大值到電壓為零這一階段，電場的方向未變，

而電荷移動的方向卻變成與電場方向相反，這時電荷反抗電場做功，喪

失自己的動能而“冷卻”。在一個周期內，“冷卻”只發生在較短時間內，

在其余較長時間內都是“加熱顯然"加熱''大于“冷卻”，一部分電場

能不可逆地變成熱能，產生了電介質的損耗，這就是因松弛極化產生的

極化損耗，這種損耗只有在交變電場下才會出現。對于偶極子的電介質，

在交變電場中，偶極子要隨電場的變化而來回扭動，在電介質內部發生

摩擦損耗，這也是極化損耗的一種形式。

一般所謂的介質損耗，是指在一定電壓作用下產生的各種形式的損

耗。至于哪一種由電導所引起的，哪一種由極化所引起的，在工程實際

測試中，目前不能明確區分。為表征某種絕緣材料或結構的介質損耗，

一般不用W或J等單位來表示，而是用電介質中流過的電流的有功分量

的比值來表示出3。這是一個無因次的量，它的好處時只有與絕緣材料

的性質尺寸有關，而與它的結構、形狀、幾何尺寸等無關，這樣更便于

比較判斷。

二.電介質損耗的等值電路

如果電介質中沒有損耗（即沒有

電導，沒有游離，也沒有松弛極化），

則在交流電場作用下，完全是由彈

性極化所引起的純電容電流i「，且

i「超前電壓90°o在有損耗的電介

質中流過的電流，由于含有有功損耗分量，所以它超前電壓一個角度°,

。小于90°,圖中1是2的余角，稱為介質損耗角。1的大小決定于電

介質中有功電流與無功電流之比，如將電介質看成由一個電阻R與一個

理想的無損耗電容C并聯而成的等值電路，則由圖b得

tob二必二R二二—!—*_!—二_!_

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