电介质基本物理知识

第一章

电介质基本物理知识

电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损

耗和击穿。

在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。目前，对这些电介质

物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理沦，还

有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作

经脸来进行解释和判断。

第一节电介质的极化

一、极化的含义

电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不

呈现极性的。当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体

可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失

都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。

电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。

（一）电子极化

电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间

极短，约为107，So它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极

化无能量损失。

（二）原子或离子的位移极化

当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电

场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。离

子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉

开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形

成正负电荷距离。

原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密

联系的。因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随

电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原，

所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为10*s。

（三）偶极子转向极化

电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它

的正负电荷作用中心不重合。当无电场作用时，它们的分布是混乱的，

宏观的看，电介质不呈现极性。在电场作用下，这些偶极子顺电场方向

扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。

整个电介质也形成了带正电和带负电的两级。这类极化受分子热运动的

影响也很大。偶极松弛极化的电介质有胶木、橡胶、纤维素等，极化为

非弹性的，极化时间约为10块一10・2s。

（四）空间电荷极化

介质内的正负自由离子在电场作用下，改变其分布状况，在电极附

近形成空间电荷，称为空间电荷极化，其极化过程缓慢。

（五）夹层介质界面极化

由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质，叫做夹层电介质。由

于各层中的介电常数和电导率不同，在电场作用之下，各层中的电位，

最初按介电常数分布（即按电容分布），以后逐渐过滤到电导率分布（即

按电阻分布）。此时，在各层电介质的交界面上的电荷必然移动，以适应

电位的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累，

就是一个极化过程。

上述电介质的五种极化形式，从施加电场开始，到极化完成为止，

都需要一定的时间，这个时间有长有短。属于弹性极化的，极化建立所

需的世间都很短，不超过10/s。属于松弛极化的，极化时间都较长，在

-10

10-104s以上。夹层极化则时间更长，在10・飞以上，甚至以小时计。

弹性极化在极化过程中不消耗能量，因此不产生损耗。而松弛极化则要

消耗能量，并产生损耗。

二、电介质极化在工程实践中的意义

（一）增大电容器的电容量

当电极中为真空时，在电场的作用下，极板上的电荷量为Q0,极板

间的电容C。二殷二典o其中C。：真空中的电容；Q0:真空中极板上

Ud

的电荷量；eO:真空中介电常数，^0=8.86*10-,4F/cm;S:极板面积；

d:极板距离。

当电极间放入电介质后，在靠近电极的电介质表面形成束缚电荷

Q|,它将从电源吸引一部分额外电荷来“中和”，使极板上存储的电荷

增加，因此极板间的电容为C二处乌二更。上两式相除有£二£二3,

Ud。01

称为介质相对介电常数，通常用来表示介质的介电特性。

因此，在保持电极间电压不变的情况下，相对介电常数还代表将介

质引入极板间后使电极上储存的电荷量增加的倍数，即极板间电容量

均为常数。在t等于零及t趋近与零时都不适用，但在工程上应用还

是可以的。吸收电流i”是随时间按冥函数衰减的，如将此式两端取对

数，则得lgi〃=lgUCxD-n1g/即吸收电流的对数与时间的对数成一下降直

线关系，n为该直线的斜率。

由于吸收电流随时间变化，适用在测试绝缘电阻和泄漏电流时都要

规定时间。例如在现行电气设备交接和预防性试验的有关标准中，利

用60s及15s时的绝缘电阻比值（即R60/R15）,1min或10min的泄漏

电流等，作为判断绝缘受潮程度或脏污状况的一个指标。绝缘受潮或

脏污后，泄漏电流增加，吸收现象就不明显了。

（三）电介质的电容电流好介质损耗

前面所述的是电介质在直流电场中的情况。如把电介质放在交变

电场中，电介质也要极化，而且随着电场方向的改变，极化也跟着不

断改变它的方向。

对于50hz的工频交变电场来说，弹性极化完全能够跟上交变电场

变化。当电场从零按正弦规律变到最大值时，极化也从零按正弦规律变

到最大，经过半周期后又同样沿负的方向变化。偶极子随电场变化既然

电距是按正弦规律变化，则电流L一定按余弦规律变化（；c=—）0在0-5

dt2

期间，电距I是增加的，生为正：在二时J为零；在二--口期间J为负。

dt22

因此，电流心超前外施电压u为90°,这就是电介质中的电容电流。

在0-2期间，电荷移动的方向与电场的方向相同，即电场对移动

2

中的电荷做功，或者说电荷获得动能，相当于“加热当n期间，

电场的方向未变，但电荷移动的方向与电场相反，这时电荷反抗电场做

功，丧失自己的动能而“冷却”。在0——n半周中，“加热”和“冷却”

正好相等。，因此电介质中没有损耗。这就是说，在交变电场中，弹性极

化只引起纯电容电流，而不产生损耗。

松弛极化则要产生损耗，这将在电介质损耗一节中讨论。

第二节电介质的电导与性能

一、电介质的电导

从电导机理来看，电介质的电导可分为离子电导和电子电导。离子电导

时以离子为载流体，而电子电导时以自由电子为载流体。理想的电介质是

不含带电质点的，更没有自由电质。但实际工程上所用的电介质或多或少

总含有一些带电质点（主要是杂质离子），这些离子与电介质分子联系非

常弱，甚至成自由状态；有些电介质在电场或外界因素影响下（如紫外线

辐射），本身就会离解成正负离子。它们在电场作用下，沿电场方向移动，

形成了电导电流，这就是离子电导。电介质中的自由离子，则主要是在高

电场作用下，离子与电介质分子碰撞、游离激发出来的，这些电子在电场

作用下移动，形成电子电导电流。当电介质中出现电子电导电流时，就表

明电介质已经被击穿，因而不能再作绝缘体使用。因此，一般说电介质的

电导都是指离子性电导。

二、电介质的性能

（一）电介质的电导率和电阻率

电介质的性能常用电导率/或电阻率夕来表示，电导率为电阻率的倒数，

即/二固体电介质除了通过电介质内部的电导电流外，还有沿介质表面

P

流过的电导电流Ig。由电介质内部电导电流所决定的电阻，称为体积电阻Rv,

其电阻率为小。由表面电导电流ig决定的电阻，称为表

体积

电

阻

的

测

量

面电阻R,,其电阻率为心。气体和液体电介质只有体积图

电阻。

体积电阻率，就是在边长1cm的正方型的电介质中，

所测得其两相对面之间的电阻。设在正极1和负极2间

的电介质的厚度为d（cm）,电极截面为S（cm）33为屏,|J1|

蔽电极，利用它可以排除表面电流，以准确测得内部的

电导电流I丫。如测得电介质的体积电阻为Rv（Q）,则体积电阻率为0（Q,Z777）

为2=Rv*-体积电导率就是电阻率的倒数人尸L二」•*邑二Gy邑式中Gy体积

dP、.Rvss

电导。

表明电阻率就是在每边长为I的正方形表面

积上，其两相对边之间量得的电阻。设电介质

总旦十表面两级对边之间距离为d（cm）,电极的长度

为I（cm）,测得的表面电阻为R、（Q）,则表

表面电阻的测量图面电阻率九（。）为3二R二。

a

表面电导率八（S）为表面电阻率的倒数，即九二-L*@二GJ&式中Gs：表面

Ps//

电导。

三、气体电介质的电导

正常情况下，气体为极好的电介质，电导非常小。如给气体加以不同的

电压，则其电流密度与外施电场强度的关系外施场强低于E2时，气体电

介质中的电流仍极小极小。在极小场强时，气体中的电流密度j大致他外

施场强成正比，基本上符合欧姆定律，如//E式中电导率；E:电场

强度。但场强稍微增大时，电流达到饱和状态，不在随外施场强而上升。

这是因为在此阶段电流全取决于外界游离因子（如辐射等）引起的气体电

介质电离而出现的带包粒子。只有当外施场强显著提高，电介质进入电子

碰撞游离阶段，如大于E2时，则由于碰撞电离，才使带电粒子急剧增多，

即气体电介质已接近击穿了。

E1,E2的饱和段比较宽，气体电介质在工程应用上总是处于饱和条件下，

电离密度不随电场强度变化，电导率就没有意义。又由于气体的电导很小，

故只要气体的工作场强低于游离场强，就不考虑气体的电导。

四、液体电介质中的电导

液体介质中形成电导电流的带电质点主要有两种，一种时电介质分子或

杂质分子离解而成的离子；另一种是较大的胶体（如绝缘油中的悬浮物）

带电质点。前者叫做离子电导，后这叫做电泳电导。二者只是带电质点大

小上的差别，其导电性质时一样的。中性和弱极性的液体电介质，其分子

的离解度小。介电常数大的极性和强极性液体电介质的离解作用是很强

的，液体中的离子数多，电导率就大。因此，极性和强极性（如水、醇类

等）的液体，在一般情况下，不能用作绝缘材料。工程上常用的液体电介

质，如变压器油、漆和树脂以及它们的溶剂（如四氯化碳、苯等），搜属

于中性和弱极性。这些电介质在很纯净的情况下，其电导率是很小的。但

工程上通常用的液体电介质难免含有杂质，这样就会增大其电导率，

五、固体电介质的电导

固体电介质的电导分为离子电导和电子电导两部分。离子电导在很大

程度上决定电介质所含的杂质离子，特别对于中性及弱极性电介质，杂

质离子起主要作用。离子电导的电流密度，，在电场强度较低时，它与电

场强度成正比，符合欧姆定律，即九二七E式中心：离子电导率。

当电场强度较高时，离子电导电流密度与电场强度成指数关系，即

兀二九e"式中C:常数；E:电场强度。

只有当电场更高时，由于碰撞游离和阴极发射，才大量产生自由离子,

电子电导急增。电子电导电流密度与电场强度也是成指数高校，即

AE

j=yee式中九：电子电导率；A:常数。

由于电子电导电流急增，电介质总的电导电流的增长比指数曲线更陡。

曲线分三部分：I部分为欧姆定律阶段；II部分为电场强度高时，电

子电流密度成指数曲线上升；III部分为电子电流急增阶段，曲线更陡，

开始出现电子电导电流急增的电压，约在固体电介质击穿电压的80%左

右，这就预示绝缘接近击穿的程度，因而固体绝缘电气设备在运行情况下，

固体电介质的电导时以离子电导为主的。

固体电介质的表面电导，主要决定于它表面吸附电导杂质（如水分和污

染物）的能力及其分布状态只要电介质表面出现很薄的吸附杂质膜，这叫

做清水性的电介质。这种电介质表面电导就大，如云母、玻璃、纤维材料

等。不含极性分子的电介质表面水珠，不构成连续的水膜，这叫做憎水性

电介质。其表面电导就小，如石蜡、聚苯乙烯等。还有一些材料能部分溶

于水或胀大（如赛璐•珞），其表面电导远大于体积电导，所以在测量绝缘

泄漏电流或绝缘电子时，要注意屏蔽和具体分析测试结果。

第三节电介质的损耗及的等值电路

在交流或直流电路中，电介质都要消耗电能，通称电介质的损耗。现将

电介质损耗的原因及电路分析叙述如下。

一、电介质的损耗

（一）电导损耗

电介质在电场作用下有电导电流流过，这个电流使电介质发热产生损

耗，一般情况下，电介质的电导损耗时很小的。

（二）游离损耗

电介质中局部电场集中（如固体电介质中气泡、油隙，气体电介质中电

极的尖端等）处，当电场强度高于某一值时，就产生游离放电，又称局

部放电。局部放电伴随着很大的能量损耗，这些损耗时因游离和电子注

轰击而产生的。游离损耗只在外加电压超过一定值时才会出现，且随电

压升高而急剧增加，这在交流和直流电场中都是存在的，但严重程度不

同。

（三）极化损耗

在本章第一节中，曾提到松弛极要产生损耗，其松弛极化建立的比较慢，

跟不上50hz交变电场的变化，当电压比零按正弦规律变到最大值时，

极化还来不及完全发展到最大，在电压经过最大值后，极化还在继续增

长，并在电压已经越过最大值下降的时候达到最大值，以后极化又开始

减小，比电压滞后一段时间极化减小到零，并再往负方向发展。这样，

极化的发展，总要滞后电压一个角度，在电压的第一个1/4周期中，极

化中电荷移动的方向相同，即电场对移动中的电荷做功，相当于“加热”。

从电压的最大值到极化的最大值这一段时间内，情况和前面一样，仍相

当于“加热”。从极化的最大值到电压为零这一阶段，电场的方向未变，

而电荷移动的方向却变成与电场方向相反，这时电荷反抗电场做功，丧

失自己的动能而“冷却”。在一个周期内，“冷却”只发生在较短时间内，

在其余较长时间内都是“加热显然"加热''大于“冷却”，一部分电场

能不可逆地变成热能，产生了电介质的损耗，这就是因松弛极化产生的

极化损耗，这种损耗只有在交变电场下才会出现。对于偶极子的电介质，

在交变电场中，偶极子要随电场的变化而来回扭动，在电介质内部发生

摩擦损耗，这也是极化损耗的一种形式。

一般所谓的介质损耗，是指在一定电压作用下产生的各种形式的损

耗。至于哪一种由电导所引起的，哪一种由极化所引起的，在工程实际

测试中，目前不能明确区分。为表征某种绝缘材料或结构的介质损耗，

一般不用W或J等单位来表示，而是用电介质中流过的电流的有功分量

的比值来表示出3。这是一个无因次的量，它的好处时只有与绝缘材料

的性质尺寸有关，而与它的结构、形状、几何尺寸等无关，这样更便于

比较判断。

二.电介质损耗的等值电路

如果电介质中没有损耗（即没有

电导，没有游离，也没有松弛极化），

则在交流电场作用下，完全是由弹

性极化所引起的纯电容电流i「，且

i「超前电压90°o在有损耗的电介

质中流过的电流，由于含有有功损耗分量，所以它超前电压一个角度°,

。小于90°,图中1是2的余角，称为介质损耗角。1的大小决定于电

介质中有功电流与无功电流之比，如将电介质看成由一个电阻R与一个

理想的无损耗电容C并联而成的等值电路，则由图b得

tob二必二R二二—!—*_!—二_!_

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